鄭康泰，劉 豪，陳昆鵬，韓 博

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究總院，河南 鄭州 450000)

隨著城市的發(fā)展，地下隧道施工工程正在逐年增加，越來(lái)越多的盾構(gòu)投入到城市交通建設(shè)使用之中[1]。盾構(gòu)法施工時(shí)一般需要在盾構(gòu)的始發(fā)和接收端設(shè)置工作井（豎井)，始發(fā)豎井用于盾構(gòu)的組裝、調(diào)試、物料運(yùn)輸及人員通道，接收豎井則用于盾構(gòu)的解體、維修保養(yǎng)，或?yàn)槎軜?gòu)的繼續(xù)推進(jìn)及折返施工做準(zhǔn)備。目前采用盾構(gòu)法施工多數(shù)還是通過(guò)接收豎井對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行整體吊裝或分體吊裝，但是當(dāng)遇到地面空間有限，盾構(gòu)到站后無(wú)法設(shè)置供盾構(gòu)解體的豎井時(shí)，盾構(gòu)到站后盾體部分可以采取以下兩種方式進(jìn)行拆解：①破壞性拆除，拆除后的盾體不再重復(fù)利用，再次掘進(jìn)需新制盾體，經(jīng)濟(jì)成本較高；②通過(guò)盾體有序分塊在洞內(nèi)進(jìn)行拆解，但是盾體拆除過(guò)程中，地層將直接裸露，無(wú)任何支護(hù)，安全性低。目前在海外隧道施工洞內(nèi)拆機(jī)時(shí)不允許地層直接裸露，因此以上兩種拆機(jī)方案在海外的適用性不高。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，中鐵裝備生產(chǎn)應(yīng)用于臺(tái)北地鐵萬(wàn)大線(xiàn)的中鐵655 號(hào)土壓平衡盾構(gòu)主機(jī)部分采用可拆卸的雙層盾殼盾體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)到站后在隧道內(nèi)部進(jìn)行安全有效的拆除，外殼可以留在隧道內(nèi)部以作為地層支護(hù)，節(jié)省了部分管片，內(nèi)塊可以循環(huán)利用，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，減小對(duì)地面環(huán)境的影響。

1 依托項(xiàng)目及盾構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

臺(tái)北地鐵萬(wàn)大線(xiàn)CQ842 標(biāo)段包含4 條單向盾構(gòu)掘進(jìn)隧道，分別為自南海路上LG02 站向LG01 站方向的兩條單線(xiàn)428m 隧道和自L(fǎng)G02 站向LG03 站方向的兩條單線(xiàn)390m 隧道，盾構(gòu)需要在同一始發(fā)井處完成四次始發(fā)，無(wú)接收井，隧道內(nèi)徑5·6m，隧道外徑6·1m，混凝土管片環(huán)寬1m，施工曲線(xiàn)半徑220m，主要地質(zhì)為粉土質(zhì)黏土、細(xì)砂質(zhì)粉土和粉土質(zhì)細(xì)砂。

1.2 盾體系統(tǒng)簡(jiǎn)介

中鐵655 號(hào)為主動(dòng)鉸接土壓平衡式盾構(gòu)，盾體直徑6 240mm，采用直筒式設(shè)計(jì)，盾體采用雙層分塊設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)解體拆機(jī)，盾體僅需1 套內(nèi)塊及4 套外殼即可滿(mǎn)足4 次始發(fā)掘進(jìn)的需求，節(jié)約了成本。前盾、中盾前和中盾后為雙層設(shè)計(jì)，內(nèi)塊分為5 塊，盾體內(nèi)外殼通過(guò)固定塊連接。每個(gè)盾的第一塊均設(shè)置為楔形塊，從而可以進(jìn)行洞內(nèi)拆解。盾體外殼與內(nèi)塊通過(guò)固定塊連接（圖2、圖3)。

圖2 盾體內(nèi)塊分塊示意

圖3 盾體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)展示

2 盾體系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析

2.1 盾體固定塊設(shè)計(jì)

盾體固定塊設(shè)計(jì)如圖4 所示，其中拉塊與盾體外殼焊接，拉板與盾體內(nèi)塊焊接，拉塊與拉板之間通過(guò)螺栓連接。

圖4 盾體內(nèi)外殼固定塊結(jié)構(gòu)示意

以中盾前為例，當(dāng)需要洞內(nèi)解體時(shí)，首先需要拆除拉塊與拉板之間的連接螺栓，利用特制的拆解工裝將頂部楔形塊拆下，然后再拆除其他內(nèi)塊（圖5、圖6)，但是由于拉塊的限制，其他內(nèi)塊無(wú)法沿著隧道方向直接拉出，只能先向隧道中心旋轉(zhuǎn)然后利用倒鏈將內(nèi)塊倒運(yùn)至板車(chē)上運(yùn)出，因此在設(shè)計(jì)拉塊與拉板的尺寸時(shí)需要根據(jù)組裝合拆機(jī)時(shí)的工況綜合考慮。

圖5 中盾前內(nèi)塊頂塊拆除

圖6 中盾前內(nèi)塊邊塊拆除

組裝時(shí)，由于拉塊提前已經(jīng)焊接在外殼上，在與內(nèi)塊組裝時(shí)屬于多點(diǎn)同時(shí)配合，因此將內(nèi)塊上的孔設(shè)置為喇叭形，保證了內(nèi)外塊的順利組裝。但是在拆解時(shí)需要通過(guò)模擬盾體內(nèi)塊與拉塊的位置關(guān)系，從而確定出內(nèi)塊上孔的大小，否則將會(huì)出現(xiàn)拆解內(nèi)塊時(shí)與拉塊干涉的情況，這樣便會(huì)大大增加拆解的難度。

2.2 中盾后內(nèi)外殼連接螺栓強(qiáng)度分析

由于中盾后鉸接環(huán)需要在拆機(jī)后留在地層中起密封作用，因此中盾后鉸接環(huán)需要作為外殼的一部分，中盾后內(nèi)塊與外殼的連接主要包含以下四個(gè)部分：①固定塊；②外周36 顆M36 的環(huán)向螺栓；③外周熔深10mm 的斷續(xù)角焊縫，總長(zhǎng)l1=11 800mm；④與尾盾連接的加強(qiáng)筋板，共12 塊，加強(qiáng)筋板在尾盾上連接的焊縫總長(zhǎng)l2=10 800mm。

如圖7、圖8 所示，中盾后內(nèi)塊所受的負(fù)載主要為拼裝機(jī)彎矩、推進(jìn)油缸的推力、鉸接油缸的推力，當(dāng)盾體在地層中遇到卡頓情況需要借助鉸接油缸脫困時(shí)，鉸接油缸的推力會(huì)全部作用在中盾后內(nèi)塊上，因此需要分析中盾后內(nèi)外殼連接螺栓、環(huán)焊縫以及加強(qiáng)筋板焊縫是否可以在盾構(gòu)脫困時(shí)提供足夠的安全系數(shù)。

圖7 中盾后內(nèi)外殼連接方式

圖8 盾構(gòu)脫困時(shí)中盾后受力情況

假設(shè)鉸接油缸的推力和管片機(jī)產(chǎn)生的彎矩主要由環(huán)向螺栓和環(huán)向焊縫承擔(dān)。鉸接油缸產(chǎn)生的最大推力為

管片機(jī)產(chǎn)生的彎矩為

其中，G1為管片機(jī)的重力，取G1=200kN；L為管片機(jī)的重心距米字梁的距離，取L=3·5m。

焊縫可以承受的載荷

環(huán)向焊縫可以承受的載荷為

加強(qiáng)筋板焊縫可以承受的載荷

其中，h為焊縫高度，h1=10mm，h2=12mm；l為焊縫長(zhǎng)度，l1=11 800mm，l2=10 800mm；σs為焊縫的抗拉強(qiáng)度，σs=1·414[σ]=110·8MPa。

如圖9 所示，假設(shè)管片機(jī)產(chǎn)生的彎矩都由螺栓承擔(dān)，則由于彎矩螺栓受到的最大拉力

圖9 中盾后內(nèi)外殼連接環(huán)向螺栓分布

鉸接油缸的推力經(jīng)過(guò)環(huán)向焊縫作用到每根環(huán)向螺栓上的推力

所采用的螺栓均為GB/T 5783 M36，強(qiáng)度等級(jí)為10·9，抗拉強(qiáng)度σb=1 000MPa，屈服強(qiáng)度σ=900MPa，預(yù)緊力F預(yù)=T/0·2d。各螺栓型號(hào)一致其截面直徑一樣，在受到工作拉力時(shí)，一定預(yù)緊力的連接螺栓收到的總拉力

其中，Cb為螺栓的剛度；Cm為連接件的剛度。

在環(huán)向焊縫和加強(qiáng)筋板連接焊縫均失效的情況下每顆環(huán)向螺栓可以承受的強(qiáng)度為

因此，中盾后內(nèi)外殼連接螺栓強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，且安全系數(shù)為2·23。

3 雙層盾體與單層盾體成本綜合對(duì)比

對(duì)于6m 級(jí)盾構(gòu)來(lái)說(shuō)，盾體做五分割屬于比較少見(jiàn)的，因?yàn)殡S著盾體分塊數(shù)量增加的同時(shí)也增加了難度和成本[2]，比如焊接、機(jī)加工以及其他輔助設(shè)備，下面將從加工工藝和經(jīng)濟(jì)成本方面對(duì)比雙層盾體和常規(guī)單層盾體的區(qū)別。

3.1 加工成本對(duì)比

與常規(guī)的單層盾體不同的是，雙層盾體內(nèi)塊需要進(jìn)行徑向分塊從而滿(mǎn)足洞內(nèi)拆解的需要，因此，在加工時(shí)需要先將各個(gè)分塊法蘭單獨(dú)機(jī)加工，再通過(guò)工藝螺栓連接，并在連接法蘭周邊焊接工藝塊；然后將分塊下料后的部件與連接法蘭拼成整圓進(jìn)行施焊，最后再進(jìn)行機(jī)加工，而且需要分別對(duì)前中盾內(nèi)塊和中盾外殼整體加工，為了保證外殼加工時(shí)的圓度及剛度，還需要特別制作外殼加工工裝。

對(duì)盾體加工不同過(guò)程中加工一套常規(guī)單層盾體與一套雙層盾體所耗費(fèi)的工時(shí)進(jìn)行對(duì)比，雙層盾體與常規(guī)單層盾體結(jié)構(gòu)形式一樣，均不包含尾盾，工時(shí)按單人每天工作8 小時(shí)計(jì)算。

3.1.1 焊接工時(shí)對(duì)比統(tǒng)計(jì)

焊接一套常規(guī)盾體所耗費(fèi)的總時(shí)為：tc1=970（人·天)，焊接一套雙層盾體所耗費(fèi)的總工時(shí)為td1=tc1+Δt1=1360（人·天)。

3.1.2 機(jī)加工時(shí)對(duì)比統(tǒng)計(jì)

與常規(guī)盾體相比，雙層盾體機(jī)加工工時(shí)為：td2=tc2+Δt2=1060（人·天)。

3.1.3 裝配工時(shí)對(duì)比統(tǒng)計(jì)

與常規(guī)盾體相比，雙層盾體裝配工時(shí)為：td3=tc3+Δt3=384（人·天)。

3.1.4 加工總工時(shí)對(duì)比統(tǒng)計(jì)

在多區(qū)間掘進(jìn)時(shí)，采用常規(guī)單層盾體需要每次都新制盾體，若使用雙層盾體僅需要新制盾體外殼即可，圖10 對(duì)比了在多次掘進(jìn)時(shí)，采用常規(guī)盾體和采用雙層盾體的重量和加工工時(shí)。

圖1 CQ842項(xiàng)目簡(jiǎn)圖

圖10 盾體重量和加工工時(shí)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從加工制造的角度分析，對(duì)于單次掘進(jìn)，雙層盾體相對(duì)于常規(guī)盾體無(wú)優(yōu)勢(shì)，但是在多次掘進(jìn)時(shí)，雙層盾體的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)較為明顯。

3.2 組裝成本對(duì)比

與常規(guī)盾體相比，雙層盾體在出廠(chǎng)前會(huì)根據(jù)外殼的分塊采取部分預(yù)組裝，工地首次組裝時(shí)只需將預(yù)組裝好的盾體各塊組裝成整體即可，但是在拆機(jī)之后的每次組裝中便需要分別將盾體各塊連接，然后再組裝成整體。表1 對(duì)常規(guī)盾體的工地組裝工時(shí)和雙層盾體的組裝工時(shí)進(jìn)行對(duì)比。

表1 組裝工時(shí)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙層盾體每次組裝相對(duì)于常規(guī)盾體均無(wú)優(yōu)勢(shì)。

3.3 拆機(jī)成本對(duì)比

以新加坡某項(xiàng)目為例，統(tǒng)計(jì)了在洞內(nèi)割除盾體所需要的工時(shí)，該項(xiàng)目在拆除盾體時(shí)需要先拆除推進(jìn)缸，然后再割除盾體；雙層盾體在拆解時(shí)需要將推進(jìn)缸連同盾體內(nèi)塊一起拆下，由于雙層盾體首次拆機(jī)時(shí)工人的熟練度及吊耳設(shè)計(jì)等因素制約，因此首次拆機(jī)耗費(fèi)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，表2對(duì)比了拆解盾體以及推進(jìn)缸所耗費(fèi)的工時(shí)。

表2 盾體拆解工時(shí)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單次拆解時(shí)，雙層盾體耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，但是在多次拆解時(shí)，由于工人熟練度和經(jīng)驗(yàn)的提升，拆解時(shí)間要優(yōu)于割除常規(guī)盾體的時(shí)間。

綜上，雖然雙層盾體在多次組裝方面的時(shí)間比常規(guī)盾體長(zhǎng)，但是在多次使用時(shí)的制造工時(shí)和鋼材重量上的成本要明顯優(yōu)于常規(guī)盾體，因此在面對(duì)多區(qū)間、短距離隧道掘進(jìn)時(shí)，采用雙層盾體的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)要明顯優(yōu)于常規(guī)單層盾體。

4 結(jié)論

本文以臺(tái)北地鐵萬(wàn)大線(xiàn)項(xiàng)目中鐵655 號(hào)盾構(gòu)為依托，提出了一種新型的洞內(nèi)拆機(jī)方法以及雙層盾殼盾體系統(tǒng)，研究了雙層盾體在設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)，分析了內(nèi)外殼固定塊的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，需要分別考慮拆機(jī)和組裝時(shí)的工況；還分析了受力較為復(fù)雜的中盾后在極限工況下內(nèi)外殼連接的強(qiáng)度，從而作為設(shè)計(jì)的依據(jù)；最后從盾體制造、組裝和拆機(jī)的角度對(duì)比了雙層盾體和常規(guī)單層盾體耗費(fèi)的工時(shí)，從而驗(yàn)證了雙層盾體在短距離、多區(qū)間隧道上應(yīng)用時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和安全性?xún)?yōu)勢(shì)，為雙層盾體的推廣提供了依據(jù)。