暗挖车站内盾构脱壳解体接收技术研究*

营 升,孙英韬,曹伍富,王 兵,寇鼎涛,姜华龙,江玉生

(1.中铁十八局集团有限公司,天津 300222; 2.中国矿业大学(北京),北京 100083;3.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100068)

0 引言

在城市地铁施工中,盾构法凭借施工速度快、对既有建(构)筑物扰动小、安全性高等优势被广泛采用[1]。但部分城市核心区域既有建筑、隧道密集,地面交通繁忙,难以为盾构提供明挖竖井进行始发或接收,地铁车站大多采用暗挖工法施工,并采取脱壳解体接收方案,主要部件在车站端头拆解后,运输至盾构始发井吊出。可预见在特大城市地铁施工中,将越来越多地采用该工艺。

部分学者对盾构洞内解体技术进行了研究,朱庆海等[2]提出“以拆机工程定性为首,盾构结构设计、拆机工作、运输工作三重点结合”的拆机工程理念,总结了一套标准化流程方案。张宏虎[3]以厦门海底隧道复杂地质情况为背景,对海底洞内盾构机弃壳解体施工安全管理进行了全面总结和分析,为此类工程提供了指导思路。同样是面对复杂地层情况,王林[4]提出了一套RATSB组合式盾构解体接收技术;张东等[5]对盾构留壳段衬砌及防水设计做了优化,为盾构机接收场地受限问题提供了新的解决办法;肖鹏飞[6]认为盾构解体接收还需考虑接收端补强加固问题,并给出了拆机前需落实的前置措施;李振东等[7]总结了中外盾构洞内解体技术,并提出了多种解决方案;黄云生[8]、闫永阵等[9]对盾构解体过程做了研究,为解体方案设计提供了参考依据。

盾构接收工程作为隧道施工的最后关键步骤,仍需面临多方面问题,韩林等[10]对洞门渗漏水措施做了研究,提出应尽量采取多种措施综合预防。韦晓霞等[11]、曹成勇等[12]提出在站内解体接收时至少应完成中板施工,且纵向加固长度与隧道直径成正比。

本文结合已有先进成果和实际工程应用,以北京地铁19号线牛街站—金融街站盾构隧道工程为依托,对在暗挖PBA车站内盾构解体技术进行了研究,为今后类似工程提供技术参考。

1 工程概况

北京地铁19号线05标段区间隧道南起牛街站,北达金融街接收,盾构法开挖,线路全长1 820.383m, 区间覆土厚度14.4～25.4m。隧道主要穿越卵石层局部夹粉质黏土、粉细砂,存在1层地下潜水层,水位位于隧道底板以上0.3～1.56m。

接收端车站位于城市老城区的繁华地带,2条大街交汇处附近,地上建筑物密集,道路交通繁忙,市政管线复杂交错,无法设置盾构接收井做常规接收,同时,接收端为暗挖PBA车站,车站先于盾构段施工完成,需在PBA车站内接收盾构。

2 盾构机参数及盾构解体流程

区间采用2台土压平衡式盾构机施工。盾构机开挖直径6 640mm,盾构机分为主机和后配套设备,后配套为1节桥架、6节车架,主机长约9m、整机总长约85m。盾构机主要由刀盘、前盾、中盾、盾尾、螺旋输送机、拼装机、设备桥及后配套台车组成,如表1所示。

盾构机从牛街站始发井始发,到达金融街站后盾构机主机与后配套台车各线路断开,盾构机主机洞内拆解后各部件存放在金融街站站内,待盾构机后配套台车由始发井吊出完成后,再利用电瓶车将盾构机主机零部件从始发端运出。总体拆机步骤如下:刀盘拆解→前盾拆机→螺旋输送机→后配套拆解→ 主驱动拆解→管片拼装机拆解→中盾拆解→盾尾拆解。

3 前期车站结构预处理

对接收段车站结构的预处理是在暗挖车站内进行盾构解体接收的关键先导步骤,预处理应为盾构解体创造接收条件,如端头加固、下沉段设置及车站中板位置预留吊装设备安装孔洞。

通常,在明挖车站或竖井结构内接收时,施工空间充足,端头注浆加固可涵盖各方位,保证加固质量。但在暗挖车站内,当车站结构完成后,中板位置无法进行水平注浆,洞门顶部由于角度限制将产生“注浆死角”,存在一定安全隐患。应在车站中板施工完成前,对“注浆死角”施作注浆工序,然后在车站底板施工完成前对其余区间进行注浆加固。本工程采用深孔注浆加固,注浆长度为1倍盾体长度即11m,如图1所示。

图1 端头加固范围

受限于车站空间,车站施作下沉段结构为盾构解体提供条件。下沉段为接收洞门处车站底板下沉部分,下沉深度应≤1m,本工程下沉段为0.9m(见图2)。下沉段长度与盾体出洞长度和停机拆机位置有关,方案对比如表2所示。

图2 下沉段示意

表2 解体位置方案比选

若将下沉段延伸至暗挖车站内部,采取站内解体方案,不仅增加车站建造成本,且后期回填范围大,结构整体性降低,存在渗漏水隐患,且盾构机脱出需额外拖曳设备,增加施工难度。

若仅推出部分盾体,采取“半洞内半站内”解体方案,将占用小部分下沉段,方案整体评价良好。如表2为两种解体位置方案比选。本工程采取2号方案进行洞内解体接收,并做预处理施工。

下沉段长度宜设置为0.5～1倍盾体长度,宽度宜大于洞门直径,本工程下沉段尺寸为长7 700mm、宽7 200mm。中板预留的拆解吊装孔洞应在下沉段正上方,且宜与下沉段长度相当(见图3),除去中板梁和洞门钢环,预留吊装孔洞尺寸设置为长7 100mm、 宽7 200mm,并提前设置吊装工装。暗挖车站内解体需提前安装辅助吊装工装,中板轨道梁采用I45b,可吊起高度为盾构上方2m,电动葫芦与刀盘或盾体间通过20t卸扣连接。

图3 预留孔洞示意

4 盾构拆解过程

4.1 盾体预处理

无论采用洞内解体还是车站内解体,都宜在盾构机下井前对其进行一定程度模块化改造,如前盾、中盾、盾尾提前分割,并使用螺栓连接,此举能降低施工难度,并便于后期盾构机复原。

4.2 刀盘拆解

刀盘拆解需考虑拆解过程中安全性和运输便捷性,此外还要考虑后期刀盘可恢复性,尽量在不损坏刀盘完整性前提下进行拆解。

拆解刀盘时,盾体宜推出至前盾1/2处,为刀盘前方保留充足工作空间,并保证刀盘位于上方吊装工装之下。

为便于施工与运输,降低工作难度,在封闭车站内对刀盘分割时应尽量分割多块,降低单分割块面积,本次刀盘分割方案为“4+1”分割方式,如图4所示,分割块为4个边块和1个中心块。中心块法兰连接部分不会被破坏,有利于后期刀盘恢复,缩短恢复周期。

图4 刀盘分块示意

4.3 前盾拆解

前盾涉及多个重要结构,包括主轴承中心环、螺旋输送机插入孔、土压传感器等,分割时应着重注意保护[13]。本工程在盾构下井前已进行预处理,按米字形将前盾分为上、下、左、右4个分块,如图5所示,各分块间用螺栓连接,大大降低拆解难度。

图5 前盾切割方案

切割前,需先拆除主驱动电动机、减速机及各连接管线,并在前盾分块2,4外侧增加支撑,分块3与螺旋输送机连接暂不拆除。

4.4 螺旋输送机拆解

盾构机空推,完成最后一环管片拼装后停止推进,并进行同步注浆作业。螺旋输送机拆解工作在盾构机内部进行,需借助拆机工装,如图6所示。

图6 拆机工装

洞内空间狭小,依靠倒链进行多次缓慢换钩,达到拆解螺旋输送机的目的,拆除时前部吊点可选择在中盾米字梁侧面焊接吊耳或使用可稳固悬挂的吊点。后部吊耳采用门架工装(见图7)固定倒链。

图7 固定螺旋输送机

通过电瓶车及电动葫芦的配合,缓慢抽出螺旋输送机,确认螺旋输送机稳落在管片车上后固定牢固,将螺旋输送机拖离隧道至井口,吊装至地面(见图8,9)。

图8 抽出螺旋输送机

图9 运输螺旋输送机

4.5 主驱动和前盾下块拆解

前盾下块支承主驱动,应先拆除主驱动,在主驱动前后焊接吊耳连接中板吊装工装,吊起最大高度,并在主驱动前后各连接1台电动葫芦,保证起吊过程稳定安全,最后拆卸前盾下块。

4.6 管片拼装机拆解

管片拼装机在拆机前须旋转180°,使其抓取头在12:00位置处(见图10),铺设钢轨至拼装机底部,直接将拼装机固定在运输车的支撑工装上,拆除并运输出洞(见图11)。

如《李时珍夜宿古寺》的课堂总结回顾环节，教师以“故事说到现在，你能根据黑板上的词语，用自己的话，简单地说说故事讲了一件什么事吗？”的问题引导学生复述故事情节，在复述的过程中，课文中所学的生字词也自然而然地从学生的口中蹦出，学生透过词语在课文内容上走了个来回。

图10 管片拼装机结构

图11 运输管片拼装机

4.7 中盾及盾尾拆解

盾构机二次推进,将推进油缸全部伸出后停机,并拆除油缸,此时仍有部分尾盾在洞内。中盾盾体已做模块化处理,分为1块60°、1块120°和2块90°的分块,分块间用螺栓连接,降低了拆解时的施工难度。中盾拆除方案如图12所示。

图12 中盾分割方案

拆解中盾时应注意设置两侧钢支撑,稳定盾体防止侧翻,并按先上后下顺序拆解运输各分块。

拆除盾尾时,盾构机处于无动力状态,且推进油缸伸出长度无法满足将尾盾完全脱出,因此大部分工程面临尾盾在洞内留置问题。

针对此问题,3种解决方案对比如表3所示,其中本工程采用方案2。

表3 尾盾留置方案

如方案1所示,若将尾盾全部留在洞内,施工难度将大大降低,做好尾盾与中盾的分离工作和封堵洞门即可,但盾体钢板自身厚度为350mm,且在土体环境中极易腐蚀,注浆保护也会增加工程成本;钢板锈蚀后将产生空隙,引起土体沉降,进而造成地表城市道路变形塌陷。因此,在城市内部的地下工程,尾盾留置长度越小越好。

盾构接收时,为避免洞门处渗漏水,需进行洞门封堵注浆,且盾体与周围土体联系紧密,摩擦力极大,将盾尾全部脱出需≥5 000kN的拉力。然而,尾盾部分在整体工程建设中所起作用较小,相比于全部脱出所需成本,保留尾盾完整性工程意义较低,且难度较大,方案价值较小。

方案2保留部分尾盾。推进油缸伸出极限长度,脱出洞门外的尾盾割除,未脱出部分留置洞内,以本工程为例,尾盾全长3.9m,最短留置长度为2.1m。安全隐患大大降低。并对留置尾盾周围做注浆加固。

对比3种尾盾留置方案,方案1盾壳留置过长,存在一定的安全隐患;方案3工程成本过高,施工难度大,工程价值较低;方案2尾盾留置长度较短,施工难度较小,综合评价较高,为本工程所选方案,并顺利施工完成。

5 其他关键措施

为保证盾构脱壳解体顺利进行,还采取了其他3项关键措施。

1)盾构机掘进时需保持同步注浆,当刀盘推出洞门后,应立即停机,在洞门刀盘底部安装并固定4条短钢轨,保证盾体出洞不下沉。

2)洞门以内的10环管片需用联系条拉紧,保证管片间连接紧密。对盾壳外土体松动的空隙进行注浆回填,保证回填密实稳固。

3)拆解后配套台车时,先将电瓶车底板运送至拖车框架中间位置,用千斤顶将拖车平稳放置在电瓶车上,并运出隧道外(见图13)。

图13 后配套台车运输

6 结语

1)若规划在暗挖车站内解体接收盾构,应在车站施作中板前在接收洞门位置进行水平注浆,进而避免出现“注浆死角”,保证加固效果。

2)在暗挖车站内解体接收,应提前规划并施作站内预留结构如下沉段、中板吊装预留孔洞。其中,下沉段宜设置为0.5～1倍盾体长度,不宜设置过长,中板吊装预留孔洞应与下沉段尺寸相同。

3)根据尾盾留置方案比选,暗挖车站内盾构解体接收且不完全推出盾体时,宜将推进油缸伸出极限长度后,将仍未脱出的部分尾盾留置洞内。