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盾构机在地铁隧道接收端洞内脱壳解体技术研究

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轨道交通与地下工程昌昌 Track Traffic&Underground Engineering 盾构机在地铁隧道接收端洞内脱壳解体技术研究 张东 ,崔海涛 l00068) (1.北京建T集团有限责任公司,北京 100028;2.北京『 轨道交通建设僻 有限公司.北 摘 要:随着城l订地铁建设的全i百i展开.盾构法凭僻其安全性商、施r速度快、成小低等特点成为隧道施 的i!要 段 盾构施T=通常受始发和接收场地 制,尤其 不 备吊装条件时盾构机接收变 尤 闲堆 通过 沦分析、参数优化及 工程应』{j等,埘盾构机接收过程巾的洞内脱壳斛体技术进行r研究.提 I7通,“于 杂地层的睛挖接收丁法和盾卡勾饥 道内拆解方法.优化了盾构留壳段衬砌及防水设汁,达到 预期效粜;通过_r 程实践验证了扩挖刀蕊乃案是安令、 } 可行的.并且通川于复杂地层条件下,该方案解决lr盾构机接收受场地条件限制的I 程难题.对地铁幢1一具_f『指 fl } 鉴意义。 关键词:地铁隧道:盾杠J机;暗挖接收;扩挖刀麓接收;洞内脱壳解休 中图分类号:U 455.43 文献标志码:B 文章编号:l009—7767(2017)02—0077—05 On Dismantle Technique of Subway Shield Machine at Receiving End 随着城市规模和人口、建筑密度的不断加大,交通 问右线长l 208.5 tll,左线K l l82.9l8 II1.符采川l台 拥堵已经成为我冈许多城市普遍存在的突出问题【 I, 盾构机从北京1-、 大学站始发. 汁划存南八f 站 地铁以运量大、速度快、能耗低、乘坐舒适等优点成为 进干亍接收。受地面拆迁影响,南八里庄车站哜挖施 I 解决城市交通问题的有效办法 I 在地铁建设过程中, 进展缓慢,盾构机需在十里河站一南八 庄站哨挖隧 盾构法凭借施工速度快、结构安全性高 、对周 环境 道内接收。受大型 政管线、商业补偿和交通导改等 影响小 等优势应用越来越广泛 ,但是由于盾构机始发 诸多条件限制,存接收 域没 晒构机接收仆 r期 与接收过程复杂.施工过程的安全性与质量难以控制. 与综合费用方面难以承受,【天1此提出盾构机存暗挖 时常出现工期不可控的现象I 。日前,北京地铁施二r中 Ih】端 处进行洞内接收和脱壳解体方案.将晤壳留 广泛采用土压平衡盾构机l 6】.当受场地条件限制而兀 隧道内,其余构件在洞内解体 从北京_T二业大学站始 法修建盾构接收井时.如何将盾构机从始发并退出成 发外吊出。盾构机能甭在暗挖隧道内实现接收和解体, 为一个工程难题 成为陔lLr程成败的l火键 笔者结合实际工程.对盾构机暗挖接收方案进行 2暗挖隧道盾构接收方案的优选 比选分析。明确了扩挖刀盘方案在暗挖接收l千1的优势. 2.1方案提出 并依据工程条件对扩挖刀盘方案中的盾构停机位置 在具备接收吊装条件的盾构隧道中,盾卡句机通常 和扩挖段稳定性进行计算分析 在此基础上.创新性地 是在掘进完成后在涧外进行拆卸;在不具箭接收吊装 提I叶J了盾构机洞内解体新技术与新工艺,并在实际工 条件的盾构隧道rf1,盾构机需进行洞内解体拆卸,}耳运 程巾得以验证。 1工程概况 输至具备吊装条件的井口处 、洞内接收T 作夸的暗挖 隧道结构设计需号虑盾构机到达f{、f的动茼载,{士!据结 北京地铁l4号线是北京市轨道交通线网中一条 构类 ,按永久倚载、可变荷裁进行分类,对结构整体 连接东北、西南方向的“L”型骨十线。其中,北京 『=业大 或构件可能 现的最不利茼戴组合进行汁算 、 学站一南八里庄站区间隧道 穿越大量居民楼,且不 结合该工程的地质条件和施[单位的技小=水平  2种暗挖隧道接收方案: 具备降水和设置施工竖井的条件,采用盾构法施工。区 提Hj2017#2搠(3竹)第35拳,;}荭故术77 器轨道交通与地下工程 Track Traffic&Underground Engineering 1)二衬接收方案:将暗挖接收段初衬及二衬全部 可控、经济性好、适用性强等优势。故该工程选择扩挖 施工完成后.盾构机进入接收段进行解体。盾构机盾 刀盘方案。 壳留在土体内,最后施工盾壳内防水及二衬结构。 采用暗挖方式扩挖出盾构刀盘,然后进行盾构洞内解 二衬结构。 2.2方案比较 3扩挖刀盘方案关键参数分析 2)扩挖刀盘方案:盾构机掘进至接收区域后停机, 3.1盾构机停机位置的确定 盾构机停机时需考虑暗挖隧道掌子面与停机位之 通常安全距离L应大于l倍洞径,该工程中取L=10 Ill。 同时.距离暗挖隧道掌子面20 m范围内需提前注浆加 体,盾构机盾壳留在土体内,最后施工盾壳内防水及 间的安全距离,具体根据地层条件及工程参数来确定, 1)技术可行性。二衬接收方案因为要在盾构机到达 固,形成加固区。根据盾构机的掘进参数,对盾构机掘进 之前做好接收洞室,等待盾构机破除支撑墙壁,所以对 至距离掌子面10m过程中的最不利情况进行受力分析。 接收洞室内的支护和破洞端面的强度要求较高,适用 拟定盾构机掘进参数如下:盾构机进入加固区范 于地层条件较好,洞内加固后能满足接收要求的地段, 围前(L≥20 m),盾构机推力为8 000 kN;盾构机进入 而且利用二衬工作室接收时操作空间较小、破除量大、 加固区范围后(L<20 m),推力降为4 000 kN。对盾构 m和L=10 in时掌子面的受力情况进行分 技术难度大。扩挖刀盘方案是在盾构永久停机后通过 机在L=20 暗挖扩大接收洞室。以目前国内的暗挖技术水平,在地 析。掌子面受力包括土体应力和盾构机掘进时对掌子 层条件不好的情况下也完全可以高效、安全地施工,因 面产生的附加应力,受力模型如图l所示。 此该方案在施工技术方面更加灵活,适用于各种地层。 2)安全风险 二衬接收方案中盾构机进洞时推力 很大,容易对接收端面以及接收洞室造成破坏,利用 二衬工作室接收时操作空间较小、破除量大、刀盘四 周土体暴露时间较长.这些都会给施工带来较大的安 全隐患.易发生涌水、涌砂或塌方事故.施工风险较 高。扩挖刀盘方案规避了常规盾构进洞破除洞门时的 风险以及对接收工作室的影响,在扩挖刀盘过程中可 以根据地层条件调整支护参数,根据地下涌水情况调 图l 盾构机推力与掌子面受力模型示意图 整防水措施。而且不用安装钢环和止水橡胶帘布等, 施工风险较低。 1)暗挖隧道掌子面承受土体应力计算 ql=hxyxk=1 12 kN/m 。其中:q】为土体应力,kN/m ; h为覆土深度,取14 m;k为侧压力系数,取0.4; 为 土层平均密度,取20 kN/m 。 3)防水效果。二衬接收方案中接收工作室二衬及 防水先期完工,盾壳内二衬及防水是在盾构机拆除工 作基本完成时才进行.导致盾壳内二衬和接收工作室 二衬之间的防水细部处理较为困难。扩挖刀盘方案的 盾壳内二衬和扩挖段二衬同步施工,防水效果较好。 2)暗挖隧道掌子面附加应力计算 盾构机进入加固区范围前(L=20 m),推力为  o00 kN,掌子面附加应力qz 4)经济性。二衬接收方案须提前将接收工作室完 8丽 成,盾构机推进后完成接收。在工期紧张的情况下盾 l1.63 kN/m 。其中:q:为盾构机对掌子面产生的附加 构机需停机等待,工期较长。且该方案对接收工作室 应力;P为盾构机推力,取8 000 kN;d为掌子面受力 结构及其支护强度要求较高.使得工程造价较高。扩挖 在暗挖隧道以外部分的半径,d=LxtanOL, 为盾构机 刀盘方案中盾构机一直工作到永久停机后再进行刀 推力方向与其对掌子面影响范围的夹角.取30 o,因此 盘开挖,而且在扩挖刀盘的同时可以进行盾构机拆除 d=11.55 in。 的前期准备工作,工期相对可控,造价较低。 综合比较2种方案可以看出,二衬接收方案为常 规方案,类似于地铁车站盾构接收方式.安全风险较 高;扩挖刀盘方案具有安全风险低、防水效果好、工期 盾构机进入加固区后.推力降为4 000 kN,直至到 达盾构机拟定停机位置(L=10 m),掌子面附加应力q2= / -, 15・64kN/m 。其中:q 为盾构机对 78,{}荭投术2017No.2(Mar.)Vo1.35 轨道交通与地下-r程器 Track Traffic&Underground Engineering 掌子面产生的附加应力;P为盾构机推力,取4 000 kN。 土压力进行验算。 盾构机掘进对掌子面产生的附加应力应取L=IO in 应力q=ql+q2=127.64 kN/m 。 该剖面处近期使用阶段与远期使用阶段情况相 侧向附加应力p2=7 kPa/m。(侧向土压力系数为0_35)。 拱顶处竖向土体荷载p XT+pl=324kPa,其中: 和L=20In时的最大值。因此暗挖隧道掌子面承受的总 同.地面车辆活载产生的竖向附加应力P.=20 kPa/m , 根据以上受力分析结果.结合掌子面既有支护情 由土力学中的静止土压力公式得: 况,为了保证盾构机掘进至停机位过程中暗挖掌子面 的稳定,需对接近掌子面的暗挖段进行加固。加固方案 h 为拱顶埋深,取15.2 m;-y为土体平均密度。 为在临近掌子面成洞段4 m范围初支增设临时仰拱, 暗挖标准断面采取2m临时封堵墙+型钢支撑体系。 次封堵(500 mm)一洞内深孑L注浆一成洞段临时仰拱架 设一成洞段初支背后二次补浆。 3.2扩挖段稳定性分析 3.2.1暗挖隧道深浅埋划分 结构顶侧向土体荷载p = 0xTx0.35 2=1 1 34 kPa。 结构底侧向土体荷载p ̄(ho+h)x3M)35+p ̄170.8 kPa. 根据计算结果可知,车辆活载产生的竖向和侧向 在结构支护设计安全允许范围内,所以1—1剖面的稳 定性符合设计要求。 3.3扩挖段深孔注浆加固 由于扩挖段隧道断面比标准段大而且受到盾构 h为6.5 ITI。 其施做步骤为:增设暗挖标准段临时仰拱一掌子面初 其中: 设一掌子面二次封堵(1 500 mm)一掌子面型钢支撑架 附加应力相比结构顶、底部的竖向和侧向总荷载较小,隧道拱顶埋深为l5.2 In.根据岩体力学理论计算 所示 结果.该结构应按浅埋隧道计算。隧道暗挖剖面如图2 机掘进的推力作用,开挖前需要进行注浆加固,如图4 所示。根据地层参数,盾构端头加固采用深孑L袖阀管后 退式分层劈裂注浆工艺。注浆环向加固范同为盾构隧道 轮廓外3.0 in,孔位环向间距为0.5 nl,孑L间距为O.45 m, 每孑L注浆长度10 1TI(至少包络住整个盾体长度),浆液 扩散半径0.7 m。注浆管采用048 mmx5 mm的钢袖阀 管。浆液采用水泥一水玻璃双液浆(体积比1:1),并掺 加少量外加剂.注浆压力控制在1.0 MPa。注浆效果要 求注浆保护圈的岩体渗透系数降至0.001 m/d数量级, 浆土结实体黏结力不小于80 kPa。 图2隧道暗挖剖面罔 3.2.2扩挖段受力计算 暗挖接收工作室结构平面图如图3所示。 图4扩挖段注浆加同区示意图 L 1 4盾构机洞内解体新工艺研究 4.1推进油缸拆除技术 图3 暗挖接收T作室结构平面图 盾构机共有32根推进油缸.单根油缸质量约1.5 t, 由图3可以看出.在l—l剖面处扩挖断面大于标 长度约2 850 mm,直径约280 mm。油缸伸人抱卡支座 mm,拆除时需将油缸拔出,因此水平移 准断面,需要对其稳定性进行验算。由于该剖面位于道 距离为2 000 在拆除中上部推进油缸时,还 路正下方,与标准断面相比,不稳定因素主要由地面 动距离最小为2000mm: 车辆活载导致,所以应对车辆活载产生的竖向和侧向 需将油缸固定后垂直吊运至底部。由于油缸贴近盾壳,2017 ̄ ̄2期(3一)第35卷,{}荭故术79 韶轨道交通与地下工程 Track Traffic&Underground Engineering 周边作业空间狭小,拆除难度非常大.是盾构解体中 一大难点。 根据推进油缸拆除需求,设计了一个拼装机改造辅 助工装,如图5所示。辅助工装上安装有重新设计的拼 装头,用拼装机抓举油缸将辅助工装拉紧。同时在辅 助工装上焊接防转板防止拆除油缸时油缸带动辅助 工装一起转动。 6主驱动拆除门架及运输 该lT程采用基于PC系统的三维动画渲染和制作软件 3D Studio Max(简称3d Max)进行盾构机部件拆除模 拟,如图7所示。 羁5推进油缸拆除辅助T装 辅助工装主板为30 mm厚钢板,中间使用直径 70 mm的销轴进行连接 工装上安装门式框.供油缸水 平移动;同时设有22 mm孑L,孑L间距300 aim,油缸拔 出后使用M20U形卡进行固定。 4.2主驱动轴承无损拆除技术 主驱动质量约25 t,外径3 000 mm,与前体连接法 兰外径3 270 mm,含入前体长度415 mm,连接法兰厚 度160 Film。切除后的主驱动(带连接法兰筒)外形尺寸 为03 270 mm ̄675 mill,质量约28 t。 司7盾构机部件拆解爆炸罔 主驱动质量为拆除部件中单件最大.为避免盾壳 盾构机在隧道内拆解。需将盾壳留在土体内作为 上应力集中影响盾壳变形控制,不宜在盾壳上焊接吊 隧道结构的初衬,将内部设备逐一拆除.同时必须保 耳进行吊装:同时考虑主驱动拆除时胸板切割同步性 证整个盾构机拆解的安全、顺利并在最短的时间内完 问题,使用葫芦进行吊装可能会出现集中受力情况:主 成,这就要求对拆除顺序做最优化的部署。 驱动质量大、尺寸大。在隧道内翻身困难,所以主驱动 主驱动拆除需设计专用拆除门架,如图6所示。 经反复研究比较,总结出盾构机拆解的总流程如 隧道内扩挖出刀盘进行刀盘的拆除,扩挖过程中同时 拆除后不进行翻身直接固定运出。综合考虑以上因素. 下:盾构机正常掘进至停机位置后永久停机,然后在 主驱动拆除门架横梁、纵梁和立柱均为H200型钢. 进行盾构机主体的拆除准备工作和盾构机中体油缸 并在型钢侧面封10 mm厚钢板:下横梁长3 000 mm. 拆除以及台车桥架拆除:之后开始进行盾构机主体的 两侧可安装行走轮,拆除行走轮后可用于支放千斤顶: 拆除工作,先拆除螺旋输送机,再拆除拼装机.然后进 上部吊梁为32B工字钢,挂32 t卸扣用于挂葫芦进行 行中体结构设备和主驱动的拆除,最后进行前体结构 保护:吊梁加固梁为H100型钢 4.3拆除工艺3D模拟技术 设备拆除并整理拆除物件,完成拆除解体工作。 5结论 作为国内首次在制造时无专项预留设计的土压 该工程首次成功实施了土压平衡盾构机暗挖接 平衡盾构机洞内拆解工程,无可借鉴的施工经验,对于 收、洞内解体及地层留壳成套技术,结合工程实践经验 拆解过程中的每一步都要进行理论计算和设计模拟。 (下转第84页) 80啼荭投jI:2017No.2(Mar.)Vo1.35 器轨道交通与地下工程 Track Traffic&U nderground Engineering 观测时间(2016年) l9啦_如02之l0 —笠02—趋02-2402_25瑾}.26∞_27∞_28 4结论与建议 里 数 荽隧 通过对该工程盾构机二次掘进施工监控量测数据 n 2 4 6 B 舶 m 肿 肿 m 的整理及分析.为盾构隧道安全施工和风险控制提供 了一些必要的数据和技术依据,得出地表沉降一般变 化规律及趋势,并加以预测、判断施工安全性.及时根 图4 DB4—4点时间一累计沉降值关系l#{线网 据变形监测数据以及变形发展趋势采取有效工法和 措施控制施工进度,确保了工程的施工安全。 1)尽量避免发生盾构机掘进期间停机,以免造成 南冈4可以看出,盾构机二次掘进期间地表沉降 值相对于正常掘进期明显增大。地表沉降点DB4—4累 盾构机的二次掘进,对地层扰动加大以至于引发过大 计沉降值为一6.26 mm,日平均沉降值为一0.63 IYlm。在盾 的地表沉降值: 构机二次启动后第1 d监测沉降速率最大,3 d后曲线 2)在不可避免出现盾构机二次掘进的情况下.应采 开始趋于平缓,沉降值变小,累计沉降值控制符合要 取降速稳压、及时注浆等措施,以减小盾构机对地层的 求。统计数据显示盾构二次掘进期间地表点沉降值相 扰动,控制地表沉降值使其符合要求,才能保证隧道施 比正常掘进期间增长约1.5倍。 3.5监测结果分析 工安全。同 在整个施工监测过程中。盾构区间地表监测点累 参考文献: 计变化值没有超过控制值,单天较大变化速率发生在 fl】关宝树.隧道施T要点集【M].北京:人民交通 版社,2003: 盾构机二次启动通过该监测点时,当盾构机通过该点 33—34. 之后.速率变化开始减小并趋于稳定。通过数据对比分 『2】阳军生,刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[MJ.北 析得知,对于盾构机正常掘进期对地层的扰动.盾构机 京:中国铁道出版社,2o02:77—79. 3】李青岳,陈永奇.丁程测量【M】.北京:测绘 版社,1995:19—21 暂停后冉次启动的二次掘进对地层稳定性影响更大, 【4]巾国有色金属丁业总公司.T程测量规范:GB 50026—2007[S】 地表沉降速率明显增快,累计沉降值明显增大,个别 【北京:中国计划}}{版社.2001. 点位甚至出现速率超标预警。盾构机正常推进期间 地 表监测点累计沉降值为+l~一3 mm:盾构机二次掘进 期间,地表监测点累计沉降值达到一2~一7 mm.累计沉 降值约达到正常掘进期的2倍。 (上接第80页) 收稿日期:2016一I1—05 作者简介:陈典华,男,1 程师,学士,主要从事T程管理T作 参考文献: [11刘治彦.大城市交通拥堵的缓解策略【J].城市问题,2014(12): 86-92. 得出以下结论: 1)相比盾构机主动破洞的二衬接收方案 被动暗 挖的扩挖刀盘方案具有安全风险小、防水效果好、造价 [2】张新金,刘维宁,路美丽,等.北京地铁盾构法施T问题及解 低且适用于复杂地层条件的优势。 道临近掌子面成洞段4 m范围内初支增设临时仰拱. 暗挖标准断面采取2 m临时封堵墙+型钢支撑体系.即 能保证盾构停机位距离掌子面10 m时掌子面的安全。 3)盾构机推进油缸长度大、主驱动轴承质量大, 决方案【J1.土木T程学报,2008,41(1O):93—99. 3】叶飞,毛家骅,纪明,等.盾构隧道壁后注浆研究现状及发展 2)经过计算分析和工程实践表明,通过对暗挖隧 【趋势『j].隧道建设,2015,35(8):739—752. 『41王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发 展思路【J】.隧道建设,2014,34(3):179一l87. 【5】何川,封坤,方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望 【J1.西南交通大学学报,2015,50(1):97—109. 采用改造拼装机和设计专用门架等方法可以解决在 【61汪国锋.北京地铁t号线土压平衡盾构土体改良技术应 狭小空问内拆卸大、重构件的难题。 研究『J1.现代隧道技术。2009,46(4):77—82. 4)工程实践应用表明盾构机洞内脱壳解体的施工 方案是可行的,可以保证盾构接收的安全性与可靠性. 收稿日期:2016—1l一16 对相关工程具有指导和借鉴意义。圆 作者简介:张东,男,] 程师.学士.主要从事地铁施工技术管理llI 作、 84啼荭投木2017No.2(Mar.)Vo1.35 

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