盾构洞内拆解技术与吊耳结构优化设计

高元吉/ GAO Yuanji

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000）

盾构法作为隧道工程及地下空间常用的施工技术，广泛用于铁路、水利水电工程和城市轨道交通等工程建设[1-2]。随着我国基础设备建设的快速发展，越来越多的盾构投入到了国家基础建设中，而在盾构施工过程中，盾构的拆解是整个施工过程中必要且极为重要的一个施工环节[3-5]。

盾构施工多应用于城市地铁项目，盾构掘进完成后一般采用地铁车站吊装井拆除，即在接收洞室内使用行吊起重机完成盾构接收拆解[6]。但是在一些特殊情况下，无法立即实施吊装拆除，这会使得盾构在洞内长时间停机[7-8]。

针对上述工况，为了避免盾构长期在洞内停机，减少停机风险和各项经济损失，经综合考虑多种因素，本文提出一种盾构洞内拆解技术。在盾构拆机位置使用HW400 型钢作为吊装梁代替原行吊起重机拆解方案，盾构盾体进入该区域后，采用型钢横梁和手拉葫芦等配合对盾构进行拆解，然后使用平板车将拆解的各部件逐一运出隧道。

1 工程概况

盾构段长13 796m（含支洞段1 376m+主洞段12 420m），盾构区间开挖直径为5.5m，采用钢筋混凝土管片衬砌，管片外径5.2m，内径4.5m，管片厚0.35m，环宽1.2m。施工完成后采用接收洞拆机的方式对盾构进行拆解。

盾构拆机位置隧道埋深为129m，地层主要为下石炭统凝灰质砂岩，局部夹石英闪长岩脉。根据开挖后揭露地质情况显示，该地层围岩较完整，为Ⅲ类围岩，洞壁潮湿，无明显的地下水干扰。本文结合本台盾构自身特点和到达位置的空间条件，通过制定合理的盾构洞内拆机方法，以有效提高洞内拆机效率，减小洞内拆机风险，减小盾构后期恢复成本。

如表1 所示，盾构刀盘整体重量52t，主驱动重45t，后配套拖车最重为1#拖车45t、2#拖车40t。因刀盘与主驱动重量较重，主驱动密封等关键部件易损坏，因此刀盘和主驱动是本次拆除过程中的重难点施工。本文主要围绕刀盘、主驱动、螺旋机和拼装机的拆解进行说明。

表1 盾构零部件尺寸重量表

2 盾构拆解技术

施工总流程依据现场实际情况结合盾构拆除经验总结改进。流程如图1 所示。

图1 拆解流程示意图

2.1 拆解洞吊装横梁布置

整机最大吊装重物为1#台车，重45t，采用整体吊装方式。考虑足够的安全系数和安全余量，吊装横梁使用2 道HW400 的型钢和1 道HW200的型钢横跨拆解洞室两侧，吊装横梁满焊焊接至两侧台阶处的预埋件上。在洞壁两侧预埋钢板，焊接斜支撑，减少吊装横梁形变。盾构拆卸洞断面尺寸高13.649m，宽9.4m，安装型钢处内宽12.4m。型钢安装基础0.5m，宽1.5m。在基础部分做预埋件，预埋件尺寸1.5m×1m，预埋件焊接60cm∅12mm 锚筋，头部弯50mm 的弯钩，与混凝土梁钢筋相接，预埋件使用30mm 厚钢板制作，焊接锚筋规格为∅12mm 螺纹钢。预埋件用于焊接400 工字钢支撑，共安装3 道型刚。盾构出口处布置接收拖架。

2.2 主机拆除

2.2.1 刀盘拆除

由于本工程属于接收洞拆解盾构，且刀盘装机时即为3 分块，考虑现场吊装施工安全和12.9%大坡度运输安全，刀盘拆解时分3 分块进行吊装拉运，因此本方案提出以下拆除方法：断电前将刀盘旋转至上、中、下3 分块正面位置；使用20t 手拉葫芦将上分块预拉紧；使用型钢，将刀盘中、下分块焊接到前盾土仓隔板上，防止转动；使用气刨将上分块进行刨除；使用气焊将上分块刀盘螺栓连接钢筋割除；拆除刀盘上分块螺栓，预先对上分块刀盘用手拉葫芦进行前后方向的固定。预留2 颗螺栓暂不拆除，观察各处手拉葫芦状态，使其拉紧，然后再拆除螺栓；刀盘螺栓拆除完成之后，松开固定的手拉葫芦，使用型梁将刀盘上分块吊出，将刀盘上分块翻身装车运出；使用同样的拆解方式拆解刀盘中下分块。

刀盘的具体吊装吊点布置情况如图2 所示。刀盘翻身时使用4 个吊点，翻身型梁处布置2 个20t 的手拉葫芦，对刀盘每分块底部吊耳起吊，配合进行翻身。在翻身过程中，最少仍有2 个20t手拉葫芦进行作业，每个手拉葫芦承重10t，受力满足要求。

图2 刀盘吊装吊点布置图

2.2.2 螺旋机拆除

螺旋机总重约28t，总长约13 000mm。其中前部筒体约7t，长度约5 000mm，后部筒体约21t，长度约8 000mm。在中盾盾壳两侧焊接顶推支座，顶推支座的位置在左右两侧和接收架的顶推支座对应。通过螺旋机伸缩油缸将螺旋轴缩回，缩回行程要求不小于600mm；关闭防涌门；拆除螺旋机尾部上下闸门；在中盾H 架上布置吊耳，并通过手拉葫芦连接固定在螺旋机中部吊耳上；人仓下方吊耳处固定一个10t 的手拉葫芦连接至螺旋机头部吊耳；拼装机行走梁固定2 个10t 的葫芦连接螺旋机两侧的吊耳；拆卸固定装置上的连接螺栓及销轴，并将连接板与下固定支座进行分离，拆卸后的紧固件、销轴等需妥善保存；轨道延伸至管片安装机位置，提前备用两台管片小车，在小车上摆好事先准备好的拆除工装，推至前部并固定（管片小车总高度至少和管片安装机旋转轨道下部内边沿的高度相同)，待输送机抽出后存放。拆卸螺旋输送机与前盾的联接螺栓，拆解螺旋输送机与中盾的连接拉杆，放长吊链，同时葫芦缓慢提升，使螺旋输送机沿倾斜方向缓慢上移。2 个10t 的倒链挂在管片安装机梁上用来倒换钢丝绳，在人员仓下面的吊耳处挂一个10t 倒链。倒链依次更换倾斜后移至螺旋输送机能够抽出盾体。

2.2.3 拼装机与行走梁

检查管片安装机油管拆卸及封堵情况，准备管片安装机固定支架，拆除前后移动油缸销轴将油缸固定，用型梁将管片安装机挂好并将葫芦微微起吊，用2 个倒链向后移动，导向轮退出后起吊，利用型梁配合翻身后装车运出，型梁挂好轨道梁并预拉紧，用液压扭力扳手及气动扳手拆卸轨道梁与H架的连接螺栓，最后起吊轨道梁装车。

2.2.4 主驱动拆除

主驱动是由6 个250kW 的变频电机驱动，属于中间支撑。拆除主驱动液压管路，管路及接口用堵头进行密封后再进行包裹；拆除主驱动减速机和电机利用型梁吊至地面并装车运至洞外；为了方便吊运，先拆除1#和6#驱动电机，再拆除2#、5#和3#、4#驱动电机。拆除和吊运过程中，注意保护减速机齿轮；用盖板密封主驱动孔；拆掉主驱动与盾体中心圆环连接螺柱；拆除螺柱需先割除螺柱保护罩，上下左右每个分区需预留2 颗螺柱不动，使用20t 葫芦将主驱动预拉紧后，再拆除预留螺柱。边拆除边拉紧，直至主驱动脱离前盾。在地面放置300mm×300mm方木，用于主驱动翻身。使用型梁将主驱动吊运至地面方木上，之后更换吊耳配合翻身门架将主驱动翻身。

主驱动翻身时翻身型梁使用2 个20t 的手拉葫芦，配合型梁吊钩进行翻身作业，共计4 个对称吊点。在翻身过程中，有2 个20t 手拉葫芦进行作业，每个手拉葫芦承重15t；2 个吊钩进行作业，每个吊钩承重15t，受力满足要求。

3 拆除过程中吊耳结构的强度校核

盾构拆机过程中需要使用吊耳进行吊运，主机部分最大重量为刀盘52t，其余较大部件重量都在20t以上，因此在拆机过程中上述部件的起吊、搬运对于吊耳的要求及其严格，是拆机成败的关键。因此特对拆机时使用的吊耳进行单独力学分析，使得吊耳设计更加合理，使用更加安全。本工程使用吊耳预计单个吊点承载力为200kN（20t），其结构如图3 所示。

图3 吊耳设计图

吊耳焊接使用111 焊条电弧焊或者135（MAG）熔化电极非惰性气体保护焊，吊耳呈K 形坡口角度45°，钝边为2～3mm，焊缝宽度30mm 堆焊，焊缝长度182mm。

3.1 拉应力计算

拉应力强度计算公式为

其中，P为吊耳承受的外力；S为最薄弱截面面积，S=5160mm2；[σb]为耳孔壁许用正应力，钢材采用Q345B低合金高强度钢，[σb]=223.3MPa。

计算得到拉应力强度σb=38.76MPa，安全系数为6.01。根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》，起重类构件安全系数取1.48，本案例安全系数充足。

3.2 剪切应力计算

剪切应力强度计算公式为

其中，R为吊耳的外圆半径；r为吊耳孔的半径；δ为吊耳板母材板厚；[τ]为许用剪切应力，[τ]=134.7MPa。

求解得到剪切应力强度为τ=77.5MPa，安全系数为1.73，满足使用要求。

3.3 局部挤压应力计算

局部挤压应力强度计算公式为

其中，[σc]为许用挤压应力，[σc]=312.6MPa。

求解得到局部挤压应力强度为σc=95.24MPa，安全系数为3.28，满足使用要求。

3.4 焊接强度应力计算

焊接强度计算公式为

其中，K为动载系数，K=1.1；L为焊缝长度；[σh]为对接焊缝的纵向抗压、抗拉许用应力，[σh]=0.8[σb]=178.6MPa。

求解得到焊接强度为σh=40.3MPa，安全系数为4.43，满足使用要求。

由于现场实际情况较为复杂，为保证人员安全与设备安全，本方案通过以上计算选择的吊耳板厚至少40mm 及以上。其中吊装主驱动吊耳为50mm，刀盘及盾体分块为50mm。

4 结论

本文结合实际项目隧道特点，对使用的土压平衡盾构主体部分拆解方案进行了详细分析，对施工过程中吊耳进行了承载能力校核，结果表明各部件强度能够满足施工需求，并基于盾构分块设计，通过设计专用拆机工装、采取合适的地层及刀盘加固措施，在扩大洞室内使用型钢进行盾构拆解作业，最大程度的保留盾构相关部件的完整性，缩短工期，减少经济损失。大大减少了拆机过程中的设备投入成本、提高了施工效益，安全高效地完成了拆解任务，施工方案能够为今后类似工程施工提供参考依据。