李 偉,黃琦恒

(中鐵四局集團(tuán)公司機(jī)械工程分公司,安徽合肥 230023）

深圳地鐵隧道區(qū)間盾構(gòu)施工與配套機(jī)械配置分析

李 偉,黃琦恒

(中鐵四局集團(tuán)公司機(jī)械工程分公司,安徽合肥 230023）

通過對深圳地鐵五號線5304標(biāo)民～五隧道區(qū)間盾構(gòu)施工方法與機(jī)械配置分析,總結(jié)了實(shí)現(xiàn)地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)間快速施工盾構(gòu)配套設(shè)備選型,為類似城市地鐵工程施工積累經(jīng)驗(yàn)。

地鐵;隧道盾構(gòu)施工;配套機(jī)械;選型分析

1 盾構(gòu)施工簡介及影響施工的因素

使用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工地鐵隧道區(qū)間的方法是:采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)隧道,以刀盤旋轉(zhuǎn)切削和攪拌開挖面土體,密封土艙儲土,螺旋輸送機(jī)排土,掘進(jìn)的同時進(jìn)行同步注漿,可通過加泥系統(tǒng)、加泡沫系統(tǒng)向開挖面和土艙內(nèi)添加潤滑漿液,改善切削土體的塑流性。此種盾構(gòu)施工方法能有效控制地表隆陷,適用于城市街區(qū)下的隧道掘進(jìn)施工。

地鐵隧道區(qū)間土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)示意見圖1。

圖1 地鐵隧道區(qū)間土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)示意圖

盾構(gòu)施工就像是一條流水線施工,幾個關(guān)鍵機(jī)械故障或配備不合理,都可以造成施工暫?；蚴┕みM(jìn)度緩慢。

1.1 單環(huán)掘進(jìn)施工工序流程(圖2）

從圖2可以看出,當(dāng)出現(xiàn)以下問題時,將會導(dǎo)致整個流程中斷(不考慮盾構(gòu)機(jī)故障）:

(1）垂直運(yùn)輸起重設(shè)備——龍門吊出現(xiàn)故障; (2）水平運(yùn)輸設(shè)備——電瓶車組出現(xiàn)故障; (3）一次輸送的同步注漿漿液不足,必須二次運(yùn)輸,否則會造成掘進(jìn)后方地面沉降;

(4）渣土裝載外運(yùn)設(shè)備故障,比如:集土坑滿,渣土無法外送,渣土斗車無法清空;

(5）盾構(gòu)機(jī)冷卻系統(tǒng)是保障盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)施,所以當(dāng)冷卻塔故障、冷卻水管道輸送泵或者通風(fēng)系統(tǒng)的軸流風(fēng)機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)故障時,也會導(dǎo)致整個流程中斷。

1.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)及拼裝的條件

盾構(gòu)施工可以簡單的看作是“掘進(jìn)→拼裝”反復(fù)循環(huán)的過程。在保證盾構(gòu)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,掘進(jìn)的條件是:

圖2 單環(huán)掘進(jìn)施工工序流程圖

(1）盾構(gòu)機(jī)同步注漿漿液到位; (2）渣土斗車就位。

拼裝的條件是:待拼裝管片就位。

2 提高盾構(gòu)機(jī)工作效率的方案

綜上所述,為了提高掘進(jìn)效率,減少單環(huán)“掘進(jìn)+拼裝”的時間,設(shè)計(jì)了以下方案:

(1）掘進(jìn)時,盡量加大渣土斗車容積,減少渣土斗車數(shù)量,往渣土斗車中裝渣土?xí)r,減少移動渣土斗車時導(dǎo)致停車的時間,減少龍門吊吊卸渣土的時間;

(2）計(jì)算單環(huán)掘進(jìn)時需要同步注漿漿液的體積,合理選用砂漿車,盡量保證單臺砂漿車裝載砂漿滿足注漿量;

(3）根據(jù)施工場地的條件,對電瓶車組進(jìn)行合理編組,盡量編組一列車來滿足單環(huán)掘進(jìn)時所需的全部材料及設(shè)備。

3 施工案例

以深圳地鐵五號線5304標(biāo)民～五隧道區(qū)間盾構(gòu)施工為例。

3.1 工程概況

區(qū)間位于寶安區(qū)民治村,兩端車站均為地下兩層島式車站,線路整體呈東西走向,區(qū)間起點(diǎn)布置于民治大道東側(cè)、平南鐵路南側(cè)的既有道路下方,線路出民治站后與平南鐵路平行前進(jìn),在下穿梅觀高速立交橋、近距離經(jīng)過坂田火車站后線路向東南方向偏轉(zhuǎn),進(jìn)入布龍公路,在布龍路與五和南路交界處進(jìn)入五和站,區(qū)間終點(diǎn)位于五和南路。

左線里程為DK21+820.741～DK23+ 8191487,累計(jì)長鏈8.002 m,總長度為2006.748 m;右線里程為DK21+777.001～DK23+819.487,短鏈0.468 m,總長度為2042.018 m。左右線合計(jì)4048.766 m。隧道采用盾構(gòu)法施工,為單圓盾構(gòu),盾構(gòu)機(jī)外徑6.28 m,隧道采用6塊管片錯縫拼裝而成,管片環(huán)寬1.5 m,外徑6.0 m,厚度0.3 m,隧道內(nèi)徑5.4 m,隧道頂部覆土厚度7.5～27.3 m,隧道先上坡后下坡,最大縱坡15.6‰上坡,8‰下坡,變坡點(diǎn)采用原曲線順接,最小半徑3000 m,隧道平面共4條曲線,最小曲線半徑400 m。區(qū)間共設(shè)1個泵站及聯(lián)絡(luò)通道(DK22+200）、2個聯(lián)絡(luò)通道(DK22+800、DK23+400）和1個通風(fēng)井(DK22+ 535）,以滿足排水、通風(fēng)、消防和疏散要求。

本工程選用2臺“6280 mm海瑞克盾構(gòu)機(jī)分別掘進(jìn)左右線。

3.2 選配電瓶車組

3.2.1 計(jì)算出土量,合理選配渣土斗車

每環(huán)理論出渣量為:

式中:TF——總出土量;γ——渣土松散系數(shù),取廣州深圳地區(qū)松散系數(shù)均值1.5。

按每方渣土2 t計(jì)算,總出渣質(zhì)量為:

如選用17 m3的渣土斗車運(yùn)輸,則一列車使用5臺渣土斗車:

根據(jù)海瑞克盾構(gòu)機(jī)臺車間最小凈距為1750 mm、管片長度為1.5 m,選用寬度為1500 mm的渣土斗車,其土斗尺寸(長×寬×高,下同）為6000 mm×1500 mm×1920 mm,渣土斗車尺寸為6600 mm×1500 mm×2500 mm。

3.2.2 計(jì)算同步注漿量

同步注漿量理論上是充填盾尾建筑間隙的注漿量,但由于同時要考慮盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中的糾偏,漿液滲漏(與地質(zhì)情況有關(guān)）及注漿材料固結(jié)收縮等因素,因此總注漿量可用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Q——總注漿量,m3;λ——注漿量系數(shù),取140%～200%,曲線地段及粉細(xì)砂地層段取較大值,其他地段根據(jù)實(shí)際情況而定;V——盾尾建筑間隙,

m3。

式中:d——管片外徑,6.0 m;L——管片寬度,115 m。

則Q=5167～9110 m3,正常情況下注漿量不能小于517 m3,因此選用7 m3的砂漿車。攪拌箱容量體積為3000 mm×1400 mm×1670 mm,砂漿車尺寸為4760 mm×1500 mm×2460 mm。

區(qū)間長度約為2 km,電瓶車牽引行駛時間最長為:

實(shí)際砂漿車攪拌箱儲漿時間更長,而在長時間里漿液易發(fā)生離析現(xiàn)象。因此,要求在運(yùn)輸過程中,砂漿車在運(yùn)輸過程中能使用“直流-交流電機(jī)”自行攪拌。

3.2.3 編組方案

(1）選用17 m3容積的渣土車,一列車中使用5臺渣土斗車滿足單環(huán)掘進(jìn)的出土量。

(2）各車輛參數(shù):

①ZT-17(17 m3渣土斗車）:自重9.1 t,斗重4.8 t,整車尺寸為6570 mm×1500 mm×2500 mm;

②GP-15(15 t管片車）:自重2.1 t,整車尺寸為4392 mm×1400 mm×5400 mm;

③SJ-7(7 m3砂漿攪拌運(yùn)輸車）:自重6 t,整車尺寸為4800 mm×1500 mm×2400 mm。

(3）考慮到多工點(diǎn)的適用性,設(shè)定最大坡度35‰(本工程最大縱坡為15.6‰上坡,8‰下坡）,選用35 t牽引機(jī)車。它的啟動粘著牽引質(zhì)量為200 t,運(yùn)行牽引質(zhì)量為238 t,滿足滿載渣土的運(yùn)輸。

(4）機(jī)車按1列編組方式的牽引載荷為:

①5個渣土車滿載的載荷為:

1環(huán)渣質(zhì)量+(5渣車自重+1砂漿車自重+2管片車自重）

②牽引力計(jì)算:

基本參數(shù):設(shè)線路最大縱坡35‰,持續(xù)速度7.8 km/h,最高速度15.6 km/h,滿載時車列總質(zhì)量(不含機(jī)車）215 t,機(jī)車起動粘著牽引質(zhì)量:

③計(jì)算分析:

根據(jù)上述計(jì)算,使用35 t機(jī)車作為牽引機(jī)車,在35‰坡道上起動時,可以保證該條件下的起動牽引。

電瓶車組總長約為58 m,滿足車組在海瑞克盾構(gòu)機(jī)臺車內(nèi)長度的要求,亦滿足在車站提供長度滿足的情況下,在洞口布雙線單開道岔(詳見圖3）,選用2列編組。具體編組情況如下:

圖3 洞內(nèi)運(yùn)輸線路道岔布置示意圖

列車1/列車2:1電瓶車+5渣土斗車+1砂漿車+2管片車

1臺砂漿車和2節(jié)管片車在電瓶車組進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)臺車內(nèi)時定位摘鉤,并用鐵鞋固定這三節(jié)車。渣土斗車列裝土完成后再連接上,出洞卸土,以此來節(jié)省砂漿從砂漿車中倒運(yùn)到盾構(gòu)機(jī)中的泵送時間。

3.3 選配龍門式起重機(jī)

3.3.1 參數(shù)選擇

龍門吊的規(guī)格,從以下幾個項(xiàng)目的安全性考慮來確定:主鉤最大起吊質(zhì)量,小鉤額定起升質(zhì)量,主鉤上下吊裝物品速度,大車走行速度,小車運(yùn)行速度,多盾構(gòu)工地的適應(yīng)性。

(1）主鉤最大起吊質(zhì)量確定:

電瓶車機(jī)車:35 t;

單個滿載渣土斗質(zhì)量4.8 t+17 m3/斗×2 t/m3=38.8 t。

(2）副鉤最大起吊質(zhì)量確定:一節(jié)管片車允許裝載3塊管片,質(zhì)量約為4.5 t×3塊=13.5 t。

(3）龍門吊跨距確定:場地允許龍門吊跨距為21.5 m。

(4）工作環(huán)境等參數(shù)地下深埋9～36 m,相對濕度65%～80%,壞境溫度0.4～42℃,每年5～9月為雨季,年平均風(fēng)速2.6 m/s,極端最大風(fēng)速40 m/s (為南或南南東向臺風(fēng)）。

(5）軌面以下起吊高度為26.5 m。

3.3.2 龍門吊規(guī)格型號及相關(guān)參數(shù)

雙梁龍門式起重機(jī):工作級別A6,額定起重質(zhì)量為40/16 t,跨度為16.3～23 m可變,可調(diào)整步長為500 mm,最大跨度23 m,單懸臂有效長度3.5 m,懸臂可拆卸;

小車行走速度:0～35 m/min,變頻調(diào)速;

大車行走速度:0～45m/min,變頻調(diào)速;

主鉤起升速度:0～15 m/min,變頻調(diào)速;主鉤起升高度:軌面以上起升8.5 m(吊桿采用柔性鏈?zhǔn)降鯒U,便于傾倒渣土斗）,軌面以下起升26.5 m;

副鉤起升速度:0～25 m/min,變頻調(diào)速(吊卸管片及輔材）;副鉤起升高度:同主鉤;

安全裝置:抗風(fēng)等級11級,有針對臺風(fēng)、暴雨措施,主鉤、副鉤起升限位采用“起升行程限位+重錘”雙限位,大車、小車走行采用“行程限位+防撞裝置”雙保險。

3.4 本盾構(gòu)工程采用設(shè)備(見表1）

表1 深圳地鐵5號線5304標(biāo)民～五隧道盾構(gòu)區(qū)間施工主要設(shè)備表

4 結(jié)語

盾構(gòu)推進(jìn)是一個連續(xù)的鏈?zhǔn)焦ぷ鞴こ?在此工作環(huán)節(jié)內(nèi)任何一個主要設(shè)備的選型不夠合理都會影響盾構(gòu)推進(jìn)的進(jìn)度;任何一個主要設(shè)備出現(xiàn)故障,都會導(dǎo)致整個工程的停工。所以對盾構(gòu)機(jī)配套設(shè)備的合理選型是前期準(zhǔn)備工作中的一個重點(diǎn)。隧道施工機(jī)械的選型應(yīng)從機(jī)械整體匹配出發(fā),充分發(fā)揮整條作業(yè)線的生產(chǎn)能力,在考慮經(jīng)濟(jì)性和適用性的情況下,與施工方法相適應(yīng)。科學(xué)的施工組織管理可確保生產(chǎn)有序、可控。設(shè)備選型的合理、設(shè)備質(zhì)量的可靠都會對盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度的提高有著極大的促進(jìn)作用。

[1] 竺維彬,鞠世健,等.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[2] 周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[3] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[4] 中國鐵道建筑總公司.隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

Analysis on Allocation of Tunnel Interval Shield Construction and Auxiliary Mach inery

LI W ei,HUANG Q i-heng (Mechanical Engineering Company of CTCE Group,HefeiAnhui 230023,China）

By the analysison the shield constructionmethod andmachinery allocation forMinzhi toWuhe tunnel intervalof Shenzhen metro No.5 Line,subway tunnel shield supporting equipment selection for subway tunnel shield interval rapid construction was summed up to accumulate experience the similar project.

metro;tunneling shield construction;auxiliarymachinery;selection analysis

U455.3

:A

:1672-7428(2010）05-0078-04

2009-10-30

李偉(1974-）,男(漢族）,重慶開縣人,中鐵四局集團(tuán)公司機(jī)械工程分公司工程師,機(jī)械電子專業(yè),從事盾構(gòu)施工機(jī)械管理工作,安徽省合肥市望江路96號綜合樓6樓,tttaco@163.com。