李 宏，齊永前，陳永峰

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 渭南 714000；2.中國中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

1 引言

2018 年底我國已有39 座城市如火如荼地修建地鐵，地鐵建設(shè)為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會又好又快的發(fā)展發(fā)揮著越來越大作用。地鐵施工采用盾構(gòu)法修建隧道，通常采用預(yù)制管片做襯砌結(jié)構(gòu)[1]。地鐵隧道在盾構(gòu)施工時(shí)由于質(zhì)量問題[2-4]拆除管片時(shí)有發(fā)生，如成環(huán)管片會出現(xiàn)不同程度的橫向、豎向偏差，根據(jù)已成型隧道軸線偏差情況偏離值超過（±100）mm[5]或襯砌橢圓度超過（±5）‰D（D：隧道的外直徑mm）就要進(jìn)行返工。補(bǔ)救措施有兩種，一是需要拆除砌筑管片，對超限段隧道進(jìn)行改造修復(fù)恢復(fù)至原設(shè)計(jì)線，重新進(jìn)行模板臺車式襯砌；二是變更設(shè)計(jì)，根據(jù)偏離誤差調(diào)整線路整體走向。隨著地下空間開發(fā)加劇，地下空間各種管線交織，“容不下，碰不得”的問題日趨凸顯，改線存在牽一發(fā)動全身，影響面大，又受諸多因素限制，實(shí)施起來困難較大，因此一旦管片砌筑超差，拆除管片重新砌筑是優(yōu)先選擇。

國內(nèi)現(xiàn)有拆除管片施工技術(shù)主要有：（1）“明挖”拆除法，對管片超限段隧道上方土方進(jìn)行開挖，并進(jìn)行相應(yīng)的加固、圍護(hù)，鑿除管片背后固結(jié)體，逐片解體后，用起重機(jī)械和其他機(jī)械配合吊運(yùn)出。（2）“暗挖”拆除法，先將管片在隧道內(nèi)切割為小塊，切割后的砼小塊采用人工搬運(yùn)放至運(yùn)輸車上，運(yùn)輸至井口吊出。“明挖”拆除法，適用于地表相對開闊，無永久及高大構(gòu)筑物的地方，拆除管片時(shí)面臨開挖管片超限段隧道壓埋土方時(shí)，需要進(jìn)行土地征用及維護(hù)加固處理，故拆除管片前期準(zhǔn)備與后期處理費(fèi)用高、工作量大的問題，但拆除管片相對直觀、安全；“暗挖”拆除法，從現(xiàn)有資料來看，目前沒有針對管片拆除用的機(jī)械能力較高的設(shè)備。

從文獻(xiàn)檢索得知，國內(nèi)外盾構(gòu)法施工有關(guān)管片拆除的公開資料很少，相關(guān)的文獻(xiàn)[6]主要是針對管片拆除前采用何種工法封閉臨時(shí)支護(hù)體系，形成暗挖拆除的空間的方法進(jìn)行了闡述，而對管片具體如何拆除沒有具體的說明；文獻(xiàn)[7]主要是針對負(fù)環(huán)管片拆除，是豎井露天拆除的方法，地面吊車的配合，從上往下依次拆除；文獻(xiàn)[8]主要是針對中間豎井管片拆除，是明挖法拆除方式，在管片的拆除上是從上往下依次吊運(yùn)拆除。

綜合以上國內(nèi)外文獻(xiàn)研究成果，未見有地鐵隧道缺陷管片拆除專用機(jī)械設(shè)備應(yīng)用的相關(guān)論述。在直徑不到6m 的隧道中進(jìn)行管片拆除工作，會受到在狹小空間一些動力機(jī)械無法展開作業(yè)和又要保證單通道物料輸送暢通等諸多因素的制約。針對管片砌筑的地鐵隧道特點(diǎn)，借鑒了盾構(gòu)機(jī)管片拼裝機(jī)[9]的原理，構(gòu)建一種作業(yè)機(jī)械，為提高作業(yè)效率、減輕勞動強(qiáng)度達(dá)到安全可行效果，就管片拆除設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)、主要部件及結(jié)構(gòu)功能等方面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了盾構(gòu)施工缺陷管片拆除作業(yè)臺車，以解決“暗挖”條件下管片拆除配套設(shè)備比較缺乏問題，做到作業(yè)時(shí)既滿足管片拆除轉(zhuǎn)運(yùn)的需要又能保證前方掘進(jìn)出渣作業(yè)不停工，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效、機(jī)械化程度高的效果。

2 總體設(shè)計(jì)原則

圖1 簡易支架作業(yè)Fig.1 Simple Support Operation

圖2 環(huán)向切割效果圖Fig.2 Ring Cutting Effect Diagram

通過成都地鐵1 號線南延線土建1 標(biāo)廣都北站～華陽站區(qū)間拆除管片過程的工藝特點(diǎn)和作業(yè)機(jī)械，如圖1 所示。用全液壓切割機(jī)進(jìn)行環(huán)向切割，如圖2 所示。用多功能水鉆機(jī)縱向切割，把預(yù)制管片切成人力能扛動的小塊，用人力放置于小型運(yùn)輸車輛，以螞蟻搬家方式運(yùn)出隧道，勞動強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)大，工作效率低的問題及合肥地鐵1 號線貴陽路站～湖南路站盾構(gòu)區(qū)間右線拆除管片總體要求作為研究依據(jù)，研究需要解決的關(guān)鍵點(diǎn)是：

（1）作業(yè)臺車門架凈空尺寸滿足必須隧道掘進(jìn)施工物料運(yùn)輸設(shè)備的正常通行要求；（2）能對管片進(jìn)行臨時(shí)支撐作用；（3）為切割設(shè)備作業(yè)提供施工平臺；（4）為噴錨支護(hù)作業(yè)提供平臺；（5）能實(shí)施對管片全方位拆除作業(yè)；（6）管片拆除步距適合半環(huán)拆除和整環(huán)拆除；（7）管片內(nèi)半徑R2700 mm，外徑R3000 mm；（8）每環(huán)管片分為6 塊，單塊最重為3.8t；（9）輪軌式行走，實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)拆卸、吊裝管片至管片車上。

3 管片拆除作業(yè)臺車結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)和特點(diǎn)

作業(yè)臺車要能在直徑φ5400mm 圓形隧道內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，結(jié)構(gòu)上必須做到緊湊，按管片布置方式、拆卸安全考慮，功能上要實(shí)現(xiàn)從頂部到側(cè)部再到底部的拆卸工作裝置，在作業(yè)中保持車體橫向整體穩(wěn)定，設(shè)有對墻支撐桿，為抵抗吊裝作業(yè)的抗傾覆能力，臺車走行梁四角設(shè)置有抱軌夾鉗裝置。

3.1 結(jié)構(gòu)組成

管片拆除作業(yè)臺車由行走系統(tǒng)、門架系統(tǒng)以及門架系統(tǒng)上設(shè)置的工作平臺總成、側(cè)部拆除管片機(jī)構(gòu)、頂部拆除管片機(jī)構(gòu)、底部拆除管片機(jī)構(gòu)以及相鄰管片支撐等組成，其結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。部件名稱，如表1 所示。主要部件的連接關(guān)系為：行走總成（1）螺栓連接于門架總成（3），工作平臺總成（2）法蘭連接于門架總成（3），相鄰管片支撐總成（7）法蘭螺栓連接于門架總成（3），側(cè)部拆除管片吊裝機(jī)構(gòu)（4）法蘭及焊接連接于門架總成（3），頂部拆除管片吊裝機(jī)構(gòu)（5）法蘭連接于門架總成（3），底部拆除管片吊裝機(jī)構(gòu)（6）法蘭及焊接連接于門架總成（3）。

表1 部件明細(xì)表Tab.1 Parts List

圖3 作業(yè)臺車沿隧道方向視圖Fig.3 Trolley is Viewed Along the Tunnel

圖4 作業(yè)臺車橫向A-A 與B-B 視圖Fig.4 Horizontal A-A and B-B View of the Trolley

3.2 結(jié)構(gòu)原理

拆除管片考慮整塊和解體（切割成小塊）的方式，在拆除步驟上考慮由頂部到側(cè)部最后拆除底部的順序。拆除管片作業(yè)臺車的平臺可以作為管片切割機(jī)具和噴錨支護(hù)的臺架，頂部拆除管片裝置舉升機(jī)構(gòu)在管片切割時(shí)可作為切割機(jī)具的依托固定支座，跟隨切割速度旋轉(zhuǎn)和橫移，頂部拆除管片裝置主要是對頂部180°范圍的管片進(jìn)行作業(yè)，管片在切割分塊完成后，利用管片舉升托架拖拉頂部的管片，管片與附著的漿體分離后，用扣壓件固定在托架上，舉升油缸回收后的狀態(tài)，如圖5（a）所示。操縱回轉(zhuǎn)油缸180°后的狀態(tài)，如圖5（b）所示。舉升油缸伸出管片落至運(yùn)管車上，完成正頂部拆除管片；45°方向拆除管片與正上方步驟一樣，由于回轉(zhuǎn)裝置的偏心，需要回轉(zhuǎn)裝置與橫移機(jī)構(gòu)配合完成作業(yè)，如圖6 所示。同時(shí)為了給電瓶車和物料輸送車輛留出足夠凈空，提高了頂部管片拆除機(jī)構(gòu)的安裝高度，其旋轉(zhuǎn)中心高于隧道中心線一定高度，這樣就減少了拆除機(jī)構(gòu)的工作行程，垂直方向工作行程以適于頂部90°內(nèi)的需要，水平方向工作行程通過增加鏈傳動橫移機(jī)構(gòu)予以補(bǔ)償；側(cè)部和底部管片通過起重滑移環(huán)鏈葫蘆小車完成。側(cè)部拆除管片時(shí)由油缸推動側(cè)向滑移梁到工作位置后，由懸掛于滑梁下翼緣的手動倒鏈葫蘆與側(cè)部管片固定后，吊至門架中部，落到管片運(yùn)輸車上，如圖7 所示。底部管片由作業(yè)車后邊的懸臂吊吊起，放置于平臺車上。

圖5 拆除頂部位管片示意圖Fig.5 Remove the Top Bit Segment

圖6 拆除45°和135°位管片示意圖Fig.6 Remove the 45 Degree and 135 Degree Segment

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

表2 主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main Technical Parameters List

圖7 拆除側(cè)部位管片示意圖Fig.7 Remove the Side Segment

3.4 主要特點(diǎn)

（1）集頂部、側(cè)部、底部管片拆除裝置一個(gè)臺架上，頂部管片有托舉升降旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，側(cè)部管片有橫向起重滑車機(jī)構(gòu)，底部管片有懸臂起吊機(jī)構(gòu)對應(yīng)作業(yè)；

（2）既可以對A、B、K塊切割成碎塊拆除，也可以以塊為單元拆除；

（3）門架凈空滿足盾構(gòu)后配套設(shè)備的通行需要；

（4）行走方式輪軌式電驅(qū)動；

（5）臺車走行軌距與盾構(gòu)機(jī)一致，軌距可調(diào)；

（6）具備噴錨、支護(hù)、管片切割綜合作業(yè)的平臺；

（7）臺車平臺設(shè)置鑲嵌滑板式結(jié)構(gòu)，能根據(jù)需要調(diào)整寬度；

（8）行走梁兩頭有液壓缸控制的抱軌鉗；增強(qiáng)臺車作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性；

（9）作業(yè)安全性和效率高。

4 設(shè)備的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)介紹及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

圖8 臺架總成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Platform Assembly Structure

（1）臺架總成，如圖8 所示。由左右底縱梁和三榀門架（從圖3 所示由左至右依次為1 號2 號3 號門架），以及頂部系梁和縱梁構(gòu)成穩(wěn)定的框架式結(jié)構(gòu)，門架及其連接系梁由型鋼經(jīng)切割組焊的桿件再經(jīng)螺栓聯(lián)接而成。（2）頂部管片拆除裝置，如圖9 所示。在2 號和3 號門架間設(shè)有頂部拆除管片裝置，該裝置由管片托盤①、管片頂升油缸②、頂升油缸固定箱體③、驅(qū)動鏈箱體④、滑動驅(qū)動鏈機(jī)構(gòu)⑤、頂升油缸固定箱體滑動軸座⑥、頂升油缸固定箱體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)⑦等組成。

圖9 頂部管片拆除裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic Diagram of Top Tube Piece Removal Device

（2）側(cè)部拆除管片裝置，如圖10 所示。在1 號和2 號門架間設(shè)有側(cè)部拆除管片裝置，該裝置由滑移梁①、滑移梁導(dǎo)向支反輪②、滑移梁驅(qū)動油缸③、起重滑移環(huán)鏈葫蘆小車④等組成。

圖10 側(cè)部管片拆除裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic Diagram of Side Tube Dismantling Device

（3）底部拆除管片吊裝機(jī)構(gòu)，如圖11 所示。在3 號門架上安裝底部拆除管片吊裝機(jī)構(gòu)，該裝置由懸挑梁①和懸挑梁水平穩(wěn)定撐桿②、起重滑移環(huán)鏈葫蘆小車③組成。

圖11 底部管片拆除裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Schematic Diagram of the Bottom Tube Piece Removal Device

（4）作業(yè)平臺，如圖12 所示。布置三層，側(cè)向平臺固定座①、基本寬度②、限位塊③、抽屜式加寬平臺④、欄桿鉸接座⑤、欄桿⑥組合而成可伸縮和可折疊平臺，適合于不同的作業(yè)需要。

圖12 作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Working Platform Structure Diagram

（5）走行驅(qū)動裝置，如圖13 所示。采用輪軌式，軌道利用盾構(gòu)機(jī)的走行軌道，驅(qū)動方式用三合一減速變頻調(diào)速電機(jī)確保運(yùn)行的平穩(wěn)性。

圖13 走行驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Schematic Diagram of Walking Drive Device Structure

4.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)

（1）臺架具備噴錨支護(hù)、管片切割和管片拆卸的綜合功能；（2）與普通臺車相比行走機(jī)構(gòu)采用三合一傳動裝置和變頻調(diào)速控制技術(shù)，達(dá)到運(yùn)行平穩(wěn)和精準(zhǔn)；（3）頂部管片拆卸裝置動作由三種運(yùn)動機(jī)構(gòu)協(xié)同完成，油缸升降托舉機(jī)構(gòu)，油缸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，油缸驅(qū)動橫向距離補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；（4）多缸動作的節(jié)流速度回路、順序動作、分流集流同步回路和換向鎖緊回路的組合；（5）夾軌鉗與走行機(jī)構(gòu)順序動作的延時(shí)繼電控制；（6）構(gòu)建了一種管片拆卸的綜合作業(yè)的機(jī)械。

5 臺車主結(jié)構(gòu)檢算

臺架是工作裝置安裝和其他作業(yè)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)安全是保證工作的前提，對其安全性檢算如下：

5.1 基本計(jì)算參數(shù)

（1）管片單塊最大重量為3.8t；（2）管片對應(yīng)砂漿厚度140mm，重為1.47t；（3）單塊重量為5.27t，動載荷系數(shù)為1.1，則起吊重量為5.8t；（4）按臺架受力最不利情況計(jì)算：頂部、側(cè)部和底部管片同時(shí)起吊，頂部、側(cè)部管片位于臺架同側(cè)。

5.2 有限元計(jì)算

采用ANSYS12.1 有限元計(jì)算方法對臺架的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行檢算。臺架由規(guī)格為100×6、200×8、300×8、400×10 矩形鋼管制作桿件經(jīng)螺栓聯(lián)接成剛性臺架。建模定義材料屬性劃分網(wǎng)格，加載施加約束，如圖14 所示。求解后的位移云圖，如圖15 所示。應(yīng)力云圖，如圖16 所示。臺架材質(zhì)Q235B，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，安全系數(shù)1.15，則其許用應(yīng)力［σ］=235/1.15=205 MPa。位移（變形值）按L/400≤4.5mm（L桿件長度）控制[10]。檢算結(jié)果符合要求。由于臺架在有限空間要求結(jié)構(gòu)的緊湊，結(jié)果顯示，控制變形是關(guān)鍵。

圖14 臺架加載施加約束圖Fig.14 Rrestraint and Loading on Bench

圖15 臺架位移云圖Fig.15 Displacemen Nephogram of Bench with Material Combination Mode No.1（Unit：mm）

圖16 臺架應(yīng)力云圖Fig.16 Stress of Bench with Material Combination Mode No.1（Unit：MPa）

6 結(jié)論與討論

（1）管片拆除臺車是通過對成都地鐵1 號線南延線土建1標(biāo)廣都北站～華陽站區(qū)間拆除管片過程中所采用的工藝工法調(diào)研基礎(chǔ)之上，針對合肥地鐵1 號線貴陽路站～湖南路站盾構(gòu)區(qū)間右線拆除管片想法的研究，開發(fā)的一種拆除成環(huán)缺陷鋼筋混凝土管片的機(jī)械化程度相對較高的設(shè)備。具有較強(qiáng)的針對性和可操作性，能在地鐵隧道內(nèi)進(jìn)行管片拆除的較為專業(yè)的機(jī)械設(shè)備，自動化程度高，人工勞動量?。灰孕弯摓橹黧w材料，螺栓連接成整體框架結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好；管片分塊后利用對應(yīng)工作裝置進(jìn)行拆卸，配以遙控和手動操控；可多次安裝周轉(zhuǎn)使用；與人工配合簡單施工機(jī)具的作業(yè)方式相比可以起到安全、省力、快速拆除管片的目的。（2）針對管片拆除作業(yè)臺車特點(diǎn)，還需進(jìn)一步研究缺陷管片拆除工藝方法及相關(guān)配套設(shè)備協(xié)同性問題，以適應(yīng)更為廣泛地城市地鐵隧道建設(shè)需求。（3）鑒于目前資料所限，臺車和其它設(shè)備經(jīng)濟(jì)性對比分析以及應(yīng)用效果作為后續(xù)跟蹤研究的課題。（4）為進(jìn)一步繼續(xù)做好拆除管片配套設(shè)備的研究，要及時(shí)跟進(jìn)地鐵建設(shè)動態(tài)，加強(qiáng)與施工單位溝通聯(lián)系，共同推進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的不斷完善，更好的服務(wù)施工的需要，也為日后地鐵隧道運(yùn)營中出現(xiàn)的病害治理，在技術(shù)裝備上先行一步。