吳 強(qiáng)

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308)

引言

水下長大隧道建設(shè)過程中，由于工程、水文地質(zhì)條件限制及隧道貫通工期要求，近年來多采用“兩頭兩臺盾構(gòu)機(jī)相向掘進(jìn)”或“一頭鉆爆一頭盾構(gòu)掘進(jìn)”方案[1]。

在上述工況背景下，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成后均須面臨吊裝拆解及運(yùn)出需求，北京地鐵14號線、廈門地鐵3號線、北京地下直徑線等既有項(xiàng)目中曾采用盾構(gòu)脫殼解體運(yùn)出方案，即將盾構(gòu)主機(jī)外殼留在地下，以盾殼為起吊點(diǎn)，將刀盤、主驅(qū)動、螺旋輸送機(jī)、臺車等進(jìn)行拆解運(yùn)送。由于操作空間狹小、盾殼起吊支撐能力有限，拆解過程多為“暴力拆機(jī)”，尤其刀盤和主驅(qū)動等主要構(gòu)件多被零散分割，后續(xù)重復(fù)拼裝利用難度大，設(shè)備殘值損耗嚴(yán)重[2-3]。

基于既有技術(shù)方案的局限性[4]，結(jié)合某超大直徑盾構(gòu)海底隧道建設(shè)實(shí)例，通過設(shè)置海底大跨度拆解洞室實(shí)現(xiàn)超大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)的無損整體拆解及吊運(yùn)。該實(shí)施方案既需重點(diǎn)考慮海域超高水壓條件下大跨度拆解洞室的施工方案安全，同時，需結(jié)合超大直徑盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件尺寸及質(zhì)量對拆解吊運(yùn)技術(shù)進(jìn)行研究[5-6]。

1 超大盾構(gòu)無損拆解關(guān)鍵技術(shù)

該項(xiàng)目盾構(gòu)機(jī)外徑接近15 m，其中，主機(jī)長15.6 m，1～4號臺車長13～30 m，主要構(gòu)件尺寸及質(zhì)量如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)件尺寸及質(zhì)量參數(shù)

1.1 盾構(gòu)機(jī)洞內(nèi)拆解流程

考慮拆解后從盾構(gòu)機(jī)后部運(yùn)輸出洞，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)拆解流程不能按照以往的方式施工(從上至下、從前往后)。應(yīng)以“從后往前、先拆有阻礙的部件”為原則[7-9]，按照以下拆解流程進(jìn)行洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)主機(jī)、后配套拖車拆解，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主機(jī)及后配套臺車示意

主機(jī)：盾尾頂塊→拼裝機(jī)→行走梁→盾尾其余分塊→盾體頂部3個分塊→刀盤分塊→刀盤中心塊(暫放拆解洞室內(nèi))→盾體側(cè)邊2個分塊→井子架上半部→主驅(qū)動(暫放拆解洞室內(nèi))→井子架下半部→盾體其余分塊→刀盤中心塊→主驅(qū)動。

后配套拖車：四號拖車→三號拖車→二號拖車→橋架→一號拖車。

1.2 盾構(gòu)機(jī)洞吊裝設(shè)備參數(shù)設(shè)計

橋吊主鉤配置220 t+220 t，主要配置參數(shù)[10]如下。

①吊機(jī)左右軌道間距17.4 m，縱向總長10 m；②吊機(jī)行走軌道面距離拆解洞底板18.107 m；③兩個220t主鉤中心最小間距3 m，單個主鉤中心橫向間距側(cè)墻最小間距1.2 m，單個主鉤中心垂直距離吊機(jī)行走軌道面最小距離1.223 m，單個主鉤中心縱向距離側(cè)墻最小間距5 m。

1.3 盾構(gòu)機(jī)主機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件拆解設(shè)計

盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)件可分解為40余件，重點(diǎn)選取典型大尺寸、大質(zhì)量的部件進(jìn)行拆解設(shè)計方案研究。

(1)盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置確認(rèn)

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置須充分考慮各部位拆解所需空間，最大化利用拆解洞吊機(jī)吊裝范圍，盡量將盾構(gòu)機(jī)主機(jī)向前推進(jìn)。主機(jī)前方空間作為刀盤中心塊臨時存放區(qū)域且確保刀盤與中心錐吊裝不沖突。由于吊機(jī)縱向限位距離墻邊5 m，故停機(jī)位置刀盤吊點(diǎn)距離拆解洞墻面5 m處。刀盤吊點(diǎn)距離刀盤面1.5 m，故盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置刀盤面距離(4 m-1.5 m)+5 m=7.5 m。此時盾尾距離拆解洞墻面6.825 m，由于拼裝機(jī)行走梁超出盾尾，實(shí)際整個盾體距離拆解洞墻面4.39 m。具體位置如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置示意(單位：m)

(2)頂部盾尾吊裝(長12 m，寬5.9 m，高3.23 m，質(zhì)量70 t)

車型：8×2(SPMT)；車輛輪胎數(shù)：64個(按照箱涵荷載可裝載75 t)，車板規(guī)格12.4 m×3 m，施工平臺12.4 m/2+5 m=11.2 m。盾尾頂塊(長12 m，寬5.9 mm)拆解后通過吊機(jī)雙鉤四點(diǎn)起吊，先放在鋼結(jié)構(gòu)平臺上，通過吊機(jī)旋轉(zhuǎn)90°后裝車。吊裝、運(yùn)輸示意如圖3所示。

圖3 盾尾頂塊吊裝示意

(3)刀盤中心塊吊裝(長8.8 m，寬8.7 m，高4 m，質(zhì)量192 t)

車型：12×4(SPMT)；車輛輪胎數(shù)：192個(按照箱涵荷載可裝載225 t)，車板規(guī)格18.6 m×6.4 m，施工平臺18.6 m/2+5 m=14.3 m。刀盤中心塊質(zhì)量192 t。刀盤中心塊拆解前需在拆解洞盾構(gòu)機(jī)前方擺放鋼托架或其他方式，確保刀盤中心塊拆解后可豎直方向平穩(wěn)地放在托架上。刀盤中心塊采用單鉤雙吊點(diǎn)起吊，吊裝需先向前方移動，確保刀盤的中心回轉(zhuǎn)體從中心錐內(nèi)完全脫出后，再下降至托架上垂直放置作臨時存放。刀盤中心塊吊裝、運(yùn)輸示意如圖4所示。

圖4 刀盤中心塊吊裝示意(單位：m)

(4)主驅(qū)動吊裝(主驅(qū)動伸縮環(huán)長9.38 m，寬8 m，高1.85 m，質(zhì)量75t；主驅(qū)動本體長7.61 m，寬7.61 m，高2.3 m，質(zhì)量210t)

車型：12×4(SPMT)；車輛輪胎數(shù)：192個(按照箱涵荷載可裝載225 t)，車板規(guī)格18.6 m×6.4 m，施工平臺18.6 m/2+5 m=14.3 m。

主驅(qū)動吊裝前頂部需安裝吊耳工裝，主驅(qū)動中心與吊耳中心垂直距離4.643 m，主驅(qū)動中心距離吊鉤中心9.249 m，吊鉤中心距離吊耳中心垂直距離為9.249 m-4.643 m=4.606 m。主驅(qū)動向后運(yùn)輸需跨越井子架下半部，提升高度至少4 m，考慮卸扣、鋼絲繩、吊裝角度等因素影響，將主驅(qū)動暫時存放在盾體前側(cè)立。主驅(qū)動立著寬度4.73 m(工裝寬度)+前后支撐安全距離各0.5 m=5.73 m。主軸承吊裝示意如圖5所示。

圖5 主軸承吊裝示意(單位：m)

2 盾構(gòu)機(jī)無損拆解吊運(yùn)施工空間要求

某海底隧道超大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)(外徑近15 m)掘進(jìn)約2 km后在海底與鉆爆法段落對接，由于該盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)里程短、設(shè)備殘值高，為實(shí)現(xiàn)該盾構(gòu)機(jī)的無損拆解，需洞室具備足夠的空間進(jìn)行超大、超重設(shè)備構(gòu)件整體吊裝[11]。

拆解洞室采用直墻拱形結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為19.1 m(寬)×24.21 m(高)，縱向(沿線路方向)長30 m。該洞室底板距離海平面約85 m，地層為弱風(fēng)化花崗巖地層，橫斷面如圖6所示。

圖6 拆解洞室結(jié)構(gòu)橫斷面示意

3 海底大盾構(gòu)無損拆解洞室設(shè)計方案

考慮到海域高水壓環(huán)境及大斷面開挖，須實(shí)現(xiàn)圍巖與支護(hù)的協(xié)同受力及快速支護(hù)需求，開挖過程中采用鋼拱架、25 cm聚丙烯纖維噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨索+預(yù)應(yīng)力錨桿方案，具體參數(shù)[11]如表2所示。

表2 拆解洞室支護(hù)參數(shù)

施工過程中關(guān)鍵參數(shù)及控制工藝[12]包括：①控制爆破+光面爆破相結(jié)合，控制爆破振速在5 cm/s，減少對圍巖擾動，避免形成新的滲水裂隙通道；②圍巖變形過大時進(jìn)行鋼拱架間距加密，變形如仍然難以收斂，設(shè)置臨時仰拱或橫撐；③噴射混凝土強(qiáng)度等級提高至C30且須摻加聚丙烯纖維，摻量2.7 kg/m3，提高穩(wěn)固變形能力；④錨索及錨桿施加預(yù)應(yīng)力，其中，拱部φ32 mm預(yù)應(yīng)力錨索，初始應(yīng)力為120 kN，拱部φ32 mm漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，初始預(yù)應(yīng)力為60 kN，邊墻φ32 mm漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿根據(jù)長度預(yù)應(yīng)力控制在50～80 kN。

4 大跨度海底洞室施工技術(shù)及安全風(fēng)險分析

4.1 開挖施工控制工序[13]

海域超大斷面洞室開挖需考慮圓形隧道斷面和直墻拱形洞室的施工銜接過渡，同時在海域背景下盡量降低開挖擾動、減小開挖跨度。按照“漸變過渡、由上向下、先正后反、先外后內(nèi)再中間”的流程進(jìn)行組織，工序依次為：①由海域礦山段隧道漸變過渡至拆解洞室頂部，當(dāng)?shù)竭_(dá)拆解洞終點(diǎn)里程時，斷面形式變化為拆解洞上臺階斷面；②沿拆解洞拱部進(jìn)行反向擴(kuò)挖；③開挖拆解洞中臺階，并在大里程端預(yù)留盾構(gòu)空推段開挖條件；④開挖拆解洞下臺階和海域礦山段，并在大里程端預(yù)留盾構(gòu)空推段開挖條件；⑤盾構(gòu)機(jī)完成管片拼裝，進(jìn)入拆解洞，完成盾構(gòu)機(jī)拆解工作；⑥采用C20素混凝土回填拆解洞底部，對拆解洞進(jìn)行輕質(zhì)泡沫混凝土分層回填。主要工序示意如圖7所示。

圖7 拆解洞室施工工序平、縱、橫斷面示意

4.2 施工安全分析

采用有限元分析軟件建立三維模型對施工全過程進(jìn)行分析評估，獲取隧道在施工過程中的圍巖巖體位移情況，進(jìn)而對圍巖初支體系的安全性[14-16]進(jìn)行檢算評估。

模型水平方向計算范圍不小于洞室5倍跨度，縱向取200 m，垂直方向向上取至地表、向下取至洞室高度3倍范圍。地層為弱風(fēng)化花崗巖，彈性模量8.37×103MPa/m，泊松比0.25。模型中圍巖及結(jié)構(gòu)單元類型、本構(gòu)模型及所用材料如表3所示。

表3 模型單元參數(shù)

具體模擬施工步序?yàn)椋?/p>

(1)初始地應(yīng)力平衡，位移清零；

(2)海域礦山段全斷面開挖，施工初支；

(3)進(jìn)入拆解洞，變斷面斜向上開挖，施工臨時初支；

(4)拆解洞室上臺階開挖，施工初支，拆除變斷面部分的臨時初支；

(5)拆解洞室中臺階開挖，施工初支；

(6)拆解洞室下臺階開挖，施工初支。

計算模型及主要工序圍巖位移變化云圖如圖8、圖9所示。

圖8 拆解洞室施工安全分析三維模型

圖9 施工過程中圍巖位移變化云圖

根據(jù)計算結(jié)果可知：①過渡開挖過程中，隧道和洞室交界里程拱頂沉降最大；②隨著開挖高度增加，隧道拱頂沉降和底部隆起均小幅增加；③弱風(fēng)化花崗巖直立性較好，洞室水平位移變化較小；④開挖過程及時施作初期支護(hù)可有效控制圍巖變形。

5 無損拆解方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

(1)海底大跨度拆解洞室的設(shè)置可充分發(fā)揮設(shè)備起吊能力，對超大直徑盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行“整體無損”拆解，減小以往“暴力拆機(jī)”對盾構(gòu)殘值的損害。該工程中盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)2 km后采用整體拆解方案將相對“暴力拆機(jī)”方案節(jié)省投資約2億元(按掘進(jìn)壽命10 km考慮，并納入拆解洞及吊裝費(fèi)用)。

(2)施工過程中通過對拆解洞設(shè)置里程的調(diào)整，既可以在盾構(gòu)掘進(jìn)順利時充分發(fā)揮盾構(gòu)工法的優(yōu)勢，又可以在盾構(gòu)頻繁換刀停機(jī)等情況下彌補(bǔ)其進(jìn)度滯后的不足，從而保證隧道按時貫通。

6 結(jié)論

(1)超大直徑盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行“整體無損”拆解，與傳統(tǒng)“脫殼拆解”方式相比，可最大程度保留設(shè)備殘值、降低工程投資，同時通過發(fā)揮拆解洞室位置靈活可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，能有效確保隧道按時貫通。

(2)拆解洞室空間的設(shè)置需基于盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置，最大化利用吊機(jī)吊裝范圍，并結(jié)合不同構(gòu)件尺寸、吊機(jī)走行空間、吊點(diǎn)布設(shè)、吊裝角度、臨時擺放及拖車轉(zhuǎn)運(yùn)空間等影響因素進(jìn)行綜合考量。

(3)針對超大直徑盾構(gòu)機(jī)大尺寸、大質(zhì)量構(gòu)件，首次在海底擴(kuò)大洞室內(nèi)采用特種橋吊設(shè)備，基于不同位置、尺寸、質(zhì)量的構(gòu)件專項(xiàng)拆解工藝，以順利實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)構(gòu)件的無損拆解吊運(yùn)。

(4)海域嚴(yán)苛環(huán)境下采用“漸變過渡、由上向下、先正后反、先外后內(nèi)再中間”的開挖工序，結(jié)合鋼架、噴混、預(yù)應(yīng)力錨索錨桿支護(hù)體系可有效降低洞室變形，確保方案安全落地。