有限场地条件下盾构机整体吊装技术研究

王　飞，刘孟波，陈　龙，刘　文，汤林猛

1)北京交通大学经济管理学院，北京 100044；2)同济大学土木工程学院，上海 200092；3)中建三局第一建设工程有限责任公司，湖北武汉 430040



有限场地条件下盾构机整体吊装技术研究

王飞1, 3，刘孟波2，陈龙3，刘文3，汤林猛3

1)北京交通大学经济管理学院，北京 100044；2)同济大学土木工程学院，上海 200092；3)中建三局第一建设工程有限责任公司，湖北武汉 430040

摘要：以深圳地铁9号线有限场地下的盾构整体吊装应用为背景，提出盾构机整体吊装流程，探讨了整体吊装设备的结构性能，对其结构配置、牵引力系统提出改进意见. 针对在有限场地不能满足施作吊装设备基础条件的情况，分析采用均载板作为整体吊装设备基础施工的安全性，均载板最大Mises应力为24.58 MPa，最大变形为64 mm，满足强度及刚度要求. 实施结果表明，所选盾构机整体吊装设备及过程能满足可行性和安全性要求，提出的整体吊装措施安全可靠，可为类似工程提供借鉴.

关键词：隧道工程；隧道盾构技术；有限场地；整体吊装；安全性计算；牵引力；吊装设备基础；均载板；深圳地铁

随着经济与城市化进程的迅速发展，城市人口膨胀与有效的交通资源间的矛盾日益尖锐，如何有效地利用城市中有限的空间资源，成为一个亟待解决的问题. 20世纪后中国地铁得到前所未有的发展. 地铁建设既是地铁交通的初始环节，也是最重要的环节之一. 近年来，盾构法隧道施工[1-3]以其安全性、适用性、经济性等优势在中国得到广泛使用. 在盾构法隧道施工中，盾构机的接收[4-12]、吊装[13-15]和转场[16-17]是回避不开的施工难题．传统的分体拆机吊装要求场地外部条件好、工期宽松等条件. 随着地铁建设步伐的加快及在城市老城区建设地铁的紧迫性，亟需一种盾构吊装占用道路时间短、施工场地需求小的盾构吊装方式.

盾构机的吊出一般分为整体吊装和分体吊装. 国内已有相关整体吊装及分体吊装的技术研究. 在分体吊装方面，罗垠[18]概述了分体吊装盾构机的基本施工工艺；针对整体吊装，黄威然等[19]在2005年首次阐述了大吨位盾构机整体吊装的技术. 唐业云[20]介绍了利用既有发电机定子架加以改造从而进行盾构机整体吊装及转运的施工技术. 黄芹朋[21]则阐明了如何合理选择吊装设备和方案，介绍了盾构机吊装设备和工艺要求. 王科伟[22]在2014年提出了盾构机整体吊装施工流程.

国内整体吊装的研究表明，整体吊装相对盾构机解体吊装有场地占用时间少、设备转场时间短、节省工期及节约盾构再组装费用等优点. 虽然国内已有不少吊装盾构机的研究，但针对类似深圳地区复杂地质条件及施工环境中的盾构机吊装，还没有相关成功的案例和研究. 本研究针对深圳地区首次盾构机整体吊装进行了技术分析，着重研究了整体吊装设备可靠性、盾构机平移时设备所需水平牵引力大小及有限场地条件在无法施工吊装设备基础的工况下采用均载板作为整体吊装设备基础施工的安全性，旨在为后续类似工程提供参考.

1工程概况

文锦-向西村盾构区间右线全长485 m，左线全长487 m. 左右线最小曲线半径345 m，隧道埋深约在7.5～26.0 m，最大纵坡为2.9%. 下穿长城春风花园和联城变电站后到达文锦站(图1).

图1　区间线路图Fig.1　(Color online) Subway routes

此次整体吊装具有以下难点：

1)盾构机整体质量高达325 t，提升高度26.32 m，均为全国之最；

2)盾构机前重后轻，吊起过程需缓慢并确保盾构机不能倾斜；

3)受场地限制无法破除道路施工吊装设备基础，吊装风险大；

4)施工工期紧.

2整体吊装技术

盾构机吊装分为向西村站出井、转运和文锦站下吊等3个部分，具体吊装过程见图2.

图2　吊装过程流程示意图Fig.2　Flow chart of hoisting process

2.1吊装系统均载板出井口处布置

如图3，因向西路无法施作吊装设备基础，故而在盾构接收端头井口前向西路上铺设4块钢板(12 m×3 m×0.02 m)，在两边的钢板上再各铺设一块均载板(6 m×2.4 m×0.28 m)，每块均载板承载220.5 t，在均载板上垫薄钢板调整其标高与地连墙上混凝土基础顶面标高一致.

图3　钢板和均载板铺设示意图Fig.3　(Color online) Sketch map of steel plate and uniformly distributed load plate placement

而后在井口上方架设吊装系统，完成盾构机出井所有井口布置. 吊装系统整体结构如图4.

图4　吊装系统整体结构示意图Fig.4 　(Color online) Hoisting system structure sketch map

2.2盾构机整体出井

盾构机整体吊装的形式如图5，先将盾构机水平提升至地面以上，再水平平移至盾构水平运输车上，完成整体吊装出井过程.

在整个吊装过程中，整体吊装设备轨道梁如图5所示有6个受力点. 盾构出井口4个受力点为施作于结构上的钢筋混凝土支墩，强度足够. 向西路上用均载板作为受力支座处为结构薄弱位置. 同时，盾构机的平移机构为两根总牵引力约600 kN的液压油缸(单根牵引力约300 kN). 需对牵引力是否满足条件进行验算.

图5　吊装系统整体工作示意图Fig.5 　(Color online) Hoisting system working sketch map

3吊装及盾构平移安全性分析

3.1整体吊装机械系统分析

整体吊装机械系统分析采用结构力学方法，设备钢梁均简化为简支梁计算，主要校核了梁的抗剪与抗弯强度，所得结果见表1. 从表1可见，机械系统各项强度指标均符合要求.

表1　吊装系统计算结果

根据整体吊装设备结构计算可知，轨道梁计算抗弯强度为46.7 MPa，允许抗弯强度已达到265 MPa，富余量较大，可进行适当优化.

3.2吊装牵引力分析

盾构机整体吊装设备盾构平移所需水平牵引力由图6所示液压油缸提供，牵引力F主要由启动时所需要克服的静摩擦力f0和启动时所需要克服的轨道梁在承载时产生下挠对顶升塔行走产生附加阻力FS组成. 且F不小于水平运动时滚动摩擦力f.

图6　牵引系统结构图Fig.6 　(Color online) Traction force system structure map

滚动摩擦力为

f=μ1(F1+F2)

其中， μ1为滚动摩擦系数，顶升塔行走钢轮与轨道梁面之间为无润滑钢-钢滚动摩擦，取μ1=0.05； F1为盾构机自身重力，取值3 250 kN； F2为4个千斤顶及其顶部钢梁总重力，取值1 200 kN. 计算得到滚动摩擦力 f=222.5 kN.

启动时所需要克服的静摩擦力为

f0=μ2(F1+F2)

其中， μ2为静摩擦系数，钢-钢无润滑静摩擦系数取0.1. 计算可得 f=445 kN.

根据结构力学方法算得轨道梁最大跨距13.8 m，挠度6.44 mm，则轨道梁坡角α为

α=arctan(2ω/L)

其中， ω为扰度； L为最大跨距；计算所得轨道梁坡角α为0.053°.

挠度产生的附加荷载为

FS=(F1+F2)sinα

计得FS=4.1 kN.

盾构机行走时所需提供的总牵引力F为

F=FS+f0

计得总牵引力F=449.1 kN. 可知F≥f.

整体吊装配备的2个千斤顶所提供牵引力约为600 kN，能够满足平移要求，通过对牵引力的验算表明，虽然所配备油缸满足水平平移要求，但考虑到偶然阻力的作用，应增大设备配备牵引力.

3.3均载板承载力验算

盾构机水平运输车下并排垫两块钢板(12 m×3 m×0.02 m)，盾构机水平运输车自重80 t，盾构机体重325 t，则对地平均压力为56.25 kPa. 均载板为Q235钢板焊接而成，外形尺寸为6 m×2.4 m×0.28 m，面板壁厚30 mm，腹板筋板壁厚16 mm, 均载板实体模型及内部结构如图7.

图7　均载板实体模型及内部结构Fig.7　(Color online) Uniformly distributed load plate model and internal structure map

赋予模型材质属性为Q235材质，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3. 约束与载荷为在均载板底面施加3个方向；将均载板上面分割出2条长条面模拟轨道梁与均载板接触，如图8．每个长条面尺寸为6 000 mm×469 mm.

图8　均载板荷载及边界条件示意图Fig.8　(Color online) Sketch map of uniformly distributed load plate loading and boundary conditions

所得计算结果见图9和图10. 图9为均载板Mises应力云图，图10为均载板总位移云图.

图9　均载板Mises应力云图Fig.9　(Color online) Uniformly distributed load plate Mises stress nephogram

图10　均载板总位移云图Fig.10　(Color online) Uniformly distributed load plate displacement

均载板可将整体吊装单个受力点的力较均匀地传递到6.0 m×2.4 m的地面，地面平均压力为77.25 kPa, 若仅在地面铺垫钢板，地面平均压力达395.88 kPa. 根据曾庆军等[23]的研究，各不同土质类型强夯后的地基承载力均无法达到395.88 kPa. 经过现场动力触探试验，该处道路平均地基承载力约353 kPa, 局部仅约200 kPa, 故整体吊装施工时必须使用均载板.

均载板的使用有效解决了城市道路无法开挖施作整体吊装基础的条件限制. 从计算结果来看，均载板最大Mises应力为24.58 MPa，发生在板面荷载施加处，呈均匀分布，因此所提供的钢板能满足强度要求，并且有足够大的安全余量. 均载板最大位移为64 mm，满足刚度要求.

结语

在城市施工场地有限的情况下，进行复合地层条件下盾构机整体吊装是一个复杂的研究课题，需要综合考虑地质、机械系统及场地因素等条件，将盾构机整体吊装过程进行合理规划和配置.

本研究以深圳地铁9号线文向区间为工程背景，对盾构整体吊装设备机械结构、牵引力系统进行了研究，并就有限场地条件下不能施作整体吊装设备基础工况条件下的盾构整体吊装进行了探讨，分析了此类有限场地条件下盾构机整体吊装所考虑的因素，提出了初步的吊装流程及安全性计算方法. 从实施结果来看，所选择的盾构机整体吊装设备能够满足施工要求，具有较好的安全性、施工性和可靠性.

本研究仅以深圳地铁9号线施工条件为例进行盾构机整体吊装研究，其他复杂施工条件下的盾构机整体吊装仍需要进一步研究.

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【中文责编：坪梓；英文责编：之聿】

Integral hoisting technology of tunnel boring machine in limited space

Wang Fei1, 3†, Liu Mengbo2, Chen Long3, Liu Wen3, and Tang Linmeng2

1) School of Economics and Management, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, P.R.China 2)College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China 3) The First Construction Engineering Co.Ltd., China Construction Third Engineering Bureau,Wuhan 430040, Hubei Province, P.R.China

Abstract：In order to realize the integral hoisting of the tunnel boring machine in the limited space of Shenzhen Metro Line 9, a hoisting process of tunnel boring machine is put forward, and the security of hoisting equipment is analyzed. Some suggestions for the design of integral hoist equipment and traction system are presented. Regarding to the problem of the integral hoisting of tunnel boring machine under the condition of limited space where the foundation couldn’t be conducted, a uniformly distributed load plate application is analyzed, and the results show that its maximum Mises stress is 24.58 MPa, and the maximum deformation is 64 mm, which could meet the requirements of strength and rigidity. Practice indicates that the hoisting process of tunnel boring machine and the measures of integral hoist can meet the needs of feasibility and safety. It provides a valuable reference for the similar projects.

Key words：tunnel engineering; tunnel boring technology; limited space; integral hoisting; safety calculation; traction; foundation of hoist machine; uniformly distributed load plate; Shenzhen metro

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378389)

作者简介：王飞(1989—)，男，中建三局长沙地铁项目盾构总工程师．研究方向：地铁盾构施工技术．E-mail：317765609@qq.com

中图分类号：U 455.43

文献标志码：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.03317

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

Received：2015-11-27；Accepted：2016-03-17

Foundation：National Natural Science Foundation of China (51378389)

† Corresponding author：Engineer Wang Fei．E-mail: 3177654609@qq.com

Citation：Wang Fei，Liu Mengbo，Chen Long，et al．Integral hoisting technology of tunnel boring machine in limited space[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(3): 317-323.(in Chinese)

引文：王飞，刘孟波，陈龙，等. 有限场地条件下盾构机整体吊装技术研究[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(3)：317-323.