狭窄空间内可拆解式盾构过站施工技术及应用——以宁波火车站为例

姚燕明,胡新朋,李发勇,肖广良,黄毅,夏汉庸,周俊宏

(1.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315012；2.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458)

0 引言

随着城市化的不断提升，城市拥堵问题日益凸显，修建城市地铁成为缓解交通压力的主要措施[1-2]。因地铁的功能要求，大量地铁建设位于市中心、老旧城区[3-5]，地面、地下空间条件均极为繁杂。例如：地铁建设中会因换乘站先后施工、交通导改、管线改迁等原因在盾构施工前封闭盾构吊装孔，甚至出现一个车站内无任何吊装孔、出土孔的情况[6-7]，这就要求盾构施工转场时采取站内过站的方式。

针对盾构过站问题，已有研究者进行了研究及现场实践[8-11]。一般情况下盾构都是整体过站，适用于车站净空充足的情况，应用较为广泛。但在实际工程中，由于部分车站先期未考虑预留，或者二次结构已施工等原因，导致车站净空不足而无法实现整机过站。在这种情况下，需要在狭窄的空间内对现有盾构进行改造，缩小盾构构件体积、质量，以充分利用空间，进行盾构拆解、转场[12-15]。例如：上海轨道交通15号线在穿越上海西站时，针对盾构直径的变化引起的已建车站净空不足、无法整体过站的问题，采用了分体过站技术，将前盾、中盾、盾尾从中部分割成上、下2个部分，该方式采用切割、焊接作业，如操作不当极易影响盾构装备的稳定性，进而影响后续施工[16]。

基于此，本文以宁波轨道交通4号线柳西站—宁波火车站—兴宁桥西站区间隧道工程为背景，针对宁波火车站无预留吊装孔、盾构站内整体过站净空不足的问题，详细阐述了研发的新型可拆解式盾构的设计原则、结构特点及其标准化过站方法，以期为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

宁波火车站为宁波轨道交通2、4号线换乘站，土建同步建设。目前2号线已运营，4号线车站为地下3层车站，位于宁波火车站南广场下方。4号线车站内部结构在2号线地铁施工时已全部完成，只预留了4号线端头盾构接收条件。按照原设计工筹，盾构在此进行调头施工，未预留盾构吊装孔，且车站标准段已部分浇筑轨顶风道结构。宁波火车站结构如图1所示。轨行区净空最小处高度为4.6 m，宽度为6.5 m；车站中部站台板位置结构最小净空高度为5.9 m，宽度为6.2 m。则车站允许通行的最大净空尺寸为5.9 m×6.2 m(高×宽)。

图1 宁波火车站结构示意图(单位：mm)Fig.1 Schematic diagram of structure of Ningbo Railway Station (unit:mm)

根据4号线工程进度，由于兴宁桥西站施工进度受阻，为了满足整体工期要求，4号线柳西站盾构到达宁波火车站后，需要在此过站，再始发施工至兴宁桥西站。宁兴区间周边环境如图2所示。所用盾构刀盘直径为6.35 m，盾体直径为6.34 m，而4号线宁波火车站已不具备实施盾构井吊出后转场的条件，由于结构预留净空不足，也不具备整机过站的条件。

图2 宁兴区间周边环境示意图Fig.2 Schematic diagram of surroundings environment of Ningbo Railway Station-West Xingningqiao Station Section

2 可拆解式盾构设计

可拆解式盾构与常规盾构的主要区别在于盾构整机根据车站净空尺寸及盾构功能元器件的布置特点被分为不同的块体，并通过一定的方式有效连接组装成整体。

可拆解盾构设计过程中，首先根据车站净空提出初步可行的各部件分块方式，再根据内部管路分布、油缸分布和结构形式等确定最终的分块形式，最后根据盾构施工全过程的结构受力特点设计各部件的连接方式。

2.1 设计原则

可拆解式盾构设计主要遵循以下原则：1)经济性。加快循环周期和节省工程投资，拆解结构应利于后续再利用。2)安全性。各可拆解块体之间要求连接牢固，密封有效。3)便捷性。拆、组方便，单块最大质量与最大尺寸满足吊运、运输要求。

2.2 关键结构分块及连接方式设计

2.2.1 分块方式

考虑车站结构尺寸，可拆解式盾构拆解后拟从站台处过站，净空尺寸为5.9 m× 6.2 m(高×宽)，盾构拆解后过站时需满足该净空尺寸的要求。

刀盘分为3块(1大2小)，其中，中心法兰为1大块，保证了刀盘主结构的稳定性和功能性；刀盘超挖刀管路和泡沫系统的管路全部布置在中心法兰块上，2小块上只布置了部分刀具；大块和小块之间采用螺栓定位、焊接加固的方法连接。刀盘分块如图3所示。

图3 刀盘分块示意图Fig.3 Schematic diagram of blocking mode of cutterhead

在考虑过站边界、盾构稳定性的基础上，为保证装备的通用性，将可拆解式盾构前盾、中盾前、中盾后设计成4个部分；由于盾尾结构和功能的特殊限制，且为了保证盾构再次始发时盾尾的尺寸精度，将盾尾设计成2个部分。盾体分块如图4所示。

2.2.2 连接方式

可拆解式盾构刀盘、前盾、中盾前、中盾后采取法兰螺栓连接为主并辅以焊接的连接方式(见图5)，盾尾的连接方式与常规盾构一致。

(a) 前盾(15 t+13 t+14 t+14 t)

(b) 中盾前(8 t+15 t+14 t+14 t)

(c) 中盾后(16 t+16 t+15 t+15 t)

(d) 盾尾(15 t+17 t)图4 盾体分块示意图Fig.4 Schematic diagram of blocking mode of shield

为了保证连接位置强度满足设计要求，对不同螺栓布置情况下的结构受力特征进行分析，最后确定了合理的螺栓布置形式。在该设计条件下，组装时按最下块受力情况分析连接螺栓的抗剪强度，得到单个螺栓最大剪应力为2.3 MPa；实际掘进时按照下部最大推力不利状况进行计算分析，得到单个螺栓最大剪应力为131 MPa；全过程螺栓最大拉应力为93 MPa，均小于材料许用应力值。

(a) 前盾

(b) 中盾前

(c) 中盾后图5 盾构连接方式Fig.5 Connecting flange of shield

3 盾构拆解过站方法

3.1 拆解准备工作

1)4个端头井施工准备。根据火车站接收井底板情况，测出底板标高。根据接收架尺寸及标高，在4个端头满浇混凝土，预留泵坑。盾构到达前将洞内拆解过站施工机具材料从车站通风井运至工作面。

2)盾构主机顶块拆解吊装。根据车站情况，选择在左右线端头中间有结构预留孔的位置进行主机拆解工作，预留孔洞的尺寸为2.5 m×5.5 m，在拆解孔上部安装桥吊进行拆解组装。盾构拆解预留口如图6所示。

图6 盾构拆解预留口(单位：mm)Fig.6 Reserved hole for shield disassembly (unit:mm)

3.2 拆解方法

盾构进洞后，平移转体至拆解孔下方，进行盾构拆解。盾构拆解主要分为8个步骤，流程如图7所示。其中，刀盘、盾体拆解过程中，前盾与中盾接触面存在凹凸槽，必须把两者分离方可拆除前盾顶块。为了提高盾构过站效率，在对盾构拆解后，分块部分进行二次组装后过站，二次组装后盾构以铰接位置为界分为2个部分，刀盘+前盾+中盾前为一个连接整体，中盾后+盾尾为一个连接整体。重新组装后的盾构净高为5 460 mm，最大长度为4 678 mm，转体后满足车站标准段的过站要求。

图7 盾构拆解流程图Fig.7 Flowchart of shield disassembly

3.3 过站方法

由于车站端头井与标准段底部存在高差，因此需要将盾构进行顶升，将主机与接收架用H型钢焊接成一个整体。盾体两侧各焊2个200 t液压千斤顶的顶升基座，4个顶升基座需精确定位，确保盾体在顶升过程中前后、左右均能平衡，保证施工安全。主机抬升如图8所示。

图8 主机抬升示意图Fig.8 Schematic diagram of main shield lifting

不同的部件采取不同的过站方式(见图9)，其中，盾构主机采取平移过站的方式，将盾体顶块、安装机、螺旋机、拖车等吊装到运输装置上并分别运输至始发井口。

图9 不同部件过站示意图Fig.9 Schematic diagram of different parts of shield passing through station

主机到达始发井后，将前盾、中盾前、中盾后再次分离，逐个将顶块、设备设施安装完成后再次合体，转体平移至始发位置。

4 实施效果分析

盾构在宁波火车站拆解过站后，重新组装始发施工至兴宁桥西站。该区间掘进速度基本维持在4～8 cm/min，平均速度约为6.2 cm/min；盾构推力的设置基本维持在14 200～15 800 kN，平均推力约为15 000 kN；刀盘转矩设定值控制在1 350～1 550 kN·m，平均转矩约为1 500 kN·m，掘进参数可控，与地层条件匹配。宁兴区间施工前后地表沉降监测值变化曲线如图10所示。全线共设地表沉降测点154个，由图10可知，在盾构施工后，地表最大沉降值为22.33 mm，最大隆起值为4.17 mm，均在设计值以内，施工后地表变形量相对隐定。

图10 宁兴区间施工前后地表沉降监测值变化曲线Fig.10 Variation curve of surface subsidence monitoring values

通过对盾构掘进参数、地表变形、成型隧道质量等数据进行总结分析可知，施工过程中地表沉降、隆起等满足环境控制要求，成型隧道轴线偏差、错台等均满足设计要求，可拆解式盾构掘进状态良好。

5 结论与建议

针对已建车站预留条件不够，后续盾构进站后无法进行吊出和整机过站的情况，以宁波火车站为工程背景，研发了可拆解式盾构及其对应的拆解过站方案，得到的结论如下。

1)通过可拆解盾构从已建车站过站施工，克服了已建车站净空条件预留不足的难题，解决了宁波4号线建设过程中由于兴宁桥西站工期滞后盾构无法按期始发的问题。通过可拆解式盾构从已建车站拆解过站始发，节约了4号线总体洞通工期约4个月。

2)可拆解式盾构将刀盘、盾体进行合理分块，块体拆解满足设备管线及电路的布置要求，拆解块之间采取法兰螺栓连接，避免全部切割焊接对盾构的损伤，有利于设备的重复使用性能。

3)现场实践表明，可拆解式盾构各项掘进参数稳定可控，施工过程中环境影响均满足设计要求，拆解重新组装后施工稳定性良好。

4)在后续的项目中，对于可拆解式盾构，可进一步推广研究盾构在端头井接收后分块拆解从已建隧道内运出、重新组装的方案，提高应对特殊复杂工程问题的手段；也可应用在矿山法与盾构法组合隧道中，解决一般情况下矿山段扩大较多以利于盾构整机通过的问题，减少矿山法隧道的开挖断面。