盾构在高差突变联络线空推前移关键技术探讨

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  摘要:长沙地铁芙蓉广场站到五一广场站盾构区间左线接收井和联络线底板高差1.6m,无法采用传统方法接收和空推前移,通过盾构滚轮接收和盾构铰接研究,采用CAD模拟后用混凝土把接收井回填成竖曲面与联络线标准段进行过渡到后铺设导轨,巧用盾构铰接装置和在底部拼装管片实现大坡度曲面接收前移。拆除连接桥与后配套连接下部螺栓后拆除临时拼装管片,铺设过渡导轨和在盾尾后部导轨上按设可移动反力装置实现了盾体和后配套在联络线底板上直接铺设导轨就能快速空推前移。
  关键词:盾构;高差突变;联络线;空推前移
  1 工程概况
  长沙地铁五一广场站是2号线与1号线换乘站,其中2号线芙蓉广场站到五一广场站左线区间有92m明挖暗埋隧道兼做联络线,原设计是在盾构隧道端头设计长10m的盾构接收井,联络线底板比盾构接收井底板高1.6m,联络线净空高6.4m。
  由于五一广场站是长沙市中心,1号线方向为繁华的步行商业街,交通繁忙,当联络线底板按设计施工完后,业主为了在年前还建五一立交桥缓减交通压力,决定不在盾构隧道接收端预留盾构吊装口,要求盾构接收后通过联络线前移到五一广场站预留口进行拆解吊出。
  2 施工难点分析
  2.1水平接收后无法前移
  2.1.1接收后无法继续水平前移
  盾构接收井长度只有10m,由于接收井底板和联络线底板不在同一平面上,高差较大(见图1),盾构刀盘接收前移到联络线与接收井交界时就无法接续前移。
  2.1.2 水平接收后无法顶升盾体前移
  由于螺旋输送机是斜插入盾体,总长12.5m[1],盾体接收后螺旋输送机还有2.5m在隧道里。如果水平接收后顶升盾体,需要把盾体顶升1.6m才能继续前移。因为螺旋输送机离隧道顶只有0.8m,盾体顶升0.8m时螺旋输送机已经顶住盾构隧道。所以,水平接收后也无法顶升盾体前移。
  2.2 盾构机破除连续墙后清除虚渣难度大
  软弱地层盾构接收井围护结构采用钢筋连续墙,端头加固增加素混凝土墙,接收前采用人工破除连续墙[2],盾构接收后从接收井吊出。而该盾构接收端围护结构直接采用玻璃纤维筋,直接利用盾构刀具破除围护结构进行接收,刀盘破除玻璃纤维筋围护结构有大块混凝土块需要人工清除,由于该接收井顶板已封闭,清除虚渣难度较大。
  2.3无法采用直斜面接收前移
  2.3.1盾体无法在直斜面上接收
  由于盾构接收井三维空间复杂,如果采用直斜面接收,坡度达到16%,接收洞门与直斜面形成较大折角,刀盘出洞后就要台头,由于刀盘与盾体之间由主轴承连接,前盾与中盾是无铰接,此时前盾还在土体中,盾体根本无法接收到直斜面上。
  2.3.2盾体无法在直斜面上前移
  假设盾构能在直斜面上接收,盾尾离开洞门时螺旋输送机还在隧道内,只有当盾体接收后接续前移2.5m才能使螺旋输送机离开洞门,由于斜面大和螺旋输送机离隧道顶空间小,盾体接收后在直斜面上前移1m时螺旋输送机就顶住盾构隧道,如果继续前移就会造成盾构管片破坏。所以,盾体无法在直斜面上前移。
  2.4无法边接收边解体前移
  2.4.1刀盘拆除风险大
  在空间封闭接收井拆除刀盘时需要提前吊住刀盘,由于净空高度有限和刀盘重量较大,拆除支撑吊点很难找,拆除风险大。
  2.4.2无法拆除螺旋机
  刀盘在接收架上解体后,接下来需要先拆除螺旋输送机后才能解体盾体,即使把盾体前移到联络线边界后,螺旋输送机还在隧道内,由于隧道空间有限,无法斜向抽拔拆除螺旋输送机。
  2.4.3盾体无法前移解体
  在传统盾构始发中可以采用盾构机小转接施工技术,即采用盾构分体始发,该技术施工用电是不断电[3]。与盾构分节解体相反,盾构接收中刀盘解体前需要断掉盾构机施工用电,此时盾构机推进系统已经无法工作。所以,盾体无法前移解体。
  2.5联络线狭小空间前移难度大
  2.5.1无法采用小车或滚筒前移
  联络线高6.4m,盾构机直径为6.28m,如果采用常规小车接收前移,小车高度已经超过0.2 m,空间无法满足前移,而且无法找到足够大的牵引力。如果采用小车下增加滚筒,滚筒和盾构主机高度总和已经超过联络线净空。因此,无法采用滚筒进行盾体前移。因此,无法采用小车或滚筒使盾体前移。
  2.4.2 导台前移面临无法通过风险
  由于刀盘与联络线顶只有0.12m空间,如果采用导台前移,至少要在底板铺设后0.1 m素混凝土与浇筑两侧弧面组成导台,盾体离联络线顶板只有2cm,这样前移空间较小,难度较大,操作要求高。一旦联络线顶板误差大,将面临盾构无法通过。
  2.4.3整机前移辅助工序繁多
  由于接收井与联络线高差大,根据盾构主机与后配套连接方式,如果需要整机前移,首先要在盾构接收井铺设过渡导轨,然后在联络线段加工衍架制作轨排,后配套才能前移,工序转换繁多。
  3 盾构接收前移工艺探讨与方案实施
  3.1盾构曲面接收工艺探讨
  3.1.1盾构接收过程中铰接装置的利用
  由于中盾和后盾设有铰接装置,盾构接收过程中,当中盾离开洞门后,可以通过铰接装置上下油缸行程差实现前盾和中盾斜向上逐渐台升,因此,可以采用曲面接收。
  3.1.2接收方式
  根据长沙地铁芙蓉广场站盾构采用导轨滚轮进行整机过站情况来看,前盾和盾尾上各自焊接滚轮后,在车站底板铺设导轨,即使导轨存在曲面也能实现小推力快速前移[4],所以,只要在合理曲面上铺设导轨进行盾构接收,前盾滚轮焊接后,当中盾离开洞门时利用铰接油缸就能使中盾和盾尾之间能灵活地形成折线继续前移[5]。   3.1.3二维接收前移曲面设计
  (1)竖向变坡点的设置位置
  中盾离开洞门时刀盘离洞门4.9m远,而前盾滚轮离洞门只有3.5m,为了消除施工误差,在离洞门4m位置设置变坡点形成竖曲面。
  (2)轨道之间弧面设置
  由于刀盘前方竖曲面坡度大于28%,刀盘底部离前盾滚轮超过1m,刀盘最低点会被斜面阻挡无法前移动。为了解决刀盘底部碰撞曲面的难题,可以在接收轨道之间设计一个与刀盘弧度一样大凹面。
  3.2盾构在联络线上前移工艺探讨
  3.2.1前移方式
  (1)盾体前移
  由于采用滚轮导轨接收,导轨高不足0.1m。盾体最下部比导轨低,所以盾体采用在联络线上直接铺设导轨前移。
  (2)后配套前移
  由于连接桥与后配套连接处下部螺栓可以拆除,连接桥和后配套之间只由一个螺栓连接使之形成铰接,能实现盾体与后配前移时能上下转动。能实现在联络线上直接铺设导轨和盾体整机前移,但需要在接收井进行过渡导轨设计。
  3.2.2后配套过渡轨道设计
  (1)制约因素
  盾体移到联络线上时,后配套已开始出洞,当第一节后配套移到联络线时,还有5节后配套在隧道内。由于联络线与隧道高差大,后配套轨道按常规方法铺设要比盾体导轨抬高0.9m,盾体刚移到联络线时后配套将顶上洞门处隧道管片。因此,接收段需要过渡轨道,否则,后配套无法前移到联络线上。
  (2)解决方法
  当后配到洞门时,拆除接收段盾体前移时底部管片,利用安设过渡导轨,使后配套轨道通过缓坡过渡到联络线底板上。
  3.3整机前移关键技术
  3.3.1曲面接收前移技术
  (1)制约因素
  在接收过程中,盾体能前移到曲面上需要盾构连接桥和后配套能上下转动。另外,盾体前移到曲面上需要有足够大的推力才能前移到联络线上,采用传统反力支撑是无法实现的。
  (2)解决方法
  在中盾离开洞门前拆除连接桥与后配套连接处下部螺栓使后配套与连接桥能上下摆动。盾尾出洞后,在底部拼装临时管片,利用盾体下部油缸顶在管片上提供较大的推力[6]。
  3.3.2联络线整机空推前移技术
  (1)制约因素
  联络线为上坡,拆除连接桥下部螺栓后使后配套与盾构主机始终形成一个夹角,前移推力较大,传统盾构穿越矿山法隧道是采用拼装管片前移[7]。
  (2)解决方法
  由于盾体已采用导轨滚轮前移。因此,可在盾尾后部导轨上安设反力装置利用盾构自身油缸顶推即可[8]。
  3.4方案实施
  3.4.1接收曲面施工
  ⑴曲面平均坡度模拟
  根据盾体滚轮焊接位置、铰接油缸功能和接收井与联络线高差,通过CAD模拟,在离洞门4m设曲面过渡点,过渡点到洞门之间按照盾构隧道平均3%的坡度施工成过渡曲面,过渡点到联络线之间按平均20%的坡度施工成过渡曲面(见图2)。
  ⑵曲面施工
  由于曲面坡度大,采用塌落度较小,标号与设计接收井回填混凝土标号一样混凝土进行回填,施工时采用在底板焊接钢筋和在浇筑混凝土曲面加外模控制曲面精度。
  3.4.2导轨铺设
  ⑴导轨选择
  考虑到盾体较重和反力较大,采用50#轨作为导轨。
  ⑵导轨间距控制
  由于受空间高度的限制,根据滚轮和导轨高度确定导轨宽为3.3m。
  ⑶临时导轨铺设
  在洞门底部并排2根临时钢轨支撑盾体[9],保证盾构破除连续墙前移时不磕头和方便焊接滚轮。
  3.4.2曲面盾体接收与前移
  ⑴曲面接收滚轮焊接
  当前盾离开洞门3m时把滚轮放在导轨上与盾体焊接后接续前移,利用铰接油缸行程差使中盾与尾盾形成向上折角,当盾尾离开洞门1m时焊接接收后滚轮(见图3),同时拆除后配套与连接桥连接处下部螺栓,从而实现盾体在曲面上接收。
  ⑵盾体曲面前移
  盾尾脱离洞门后,采用在底部拼装临时管片,然后启动盾构掘进油缸使盾体前移到标准段。
  3.4.3过渡导轨铺设
  ⑴用管片吊机拆除临时管片
  盾尾前移到联络线上时用管片吊机拆除临时管片放在电瓶车上运输到洞外。
  ⑵铺设过渡导轨
  首先在大坡度曲面上安设提前加工好的过渡轨排,然后在过渡轨排上铺设导轨。
  3.5联络线整机空推前移
  3.5.1轨道铺设
  首先在联络线底板铺设带有插销孔导轨,然后在联络线上铺设导轨与过渡相连。
  3.5.2反力装置安设
  首先在盾尾后部导轨上安设反力装置,然后用插销固定反力装置,最后在油缸和反力装置之间安设2m长钢管。
  3.5.3整机前移
  启动油缸使盾构整机前移,当油缸伸长到最大时收缩油缸,把2m钢管更换成4m继续前移。当油缸伸长到最大时缩缩油缸,前移反力装置继续前移,边前移边铺设导轨,直到盾构主机前移到五一广场站吊装口。
  3.6拆机转场
  3.6.1主机解体吊出
  盾体前移到五一广场站吊装口,开始在盾体上焊接吊耳,然后才导轨上焊接辅助油缸反力装置解体盾体,同时拆除后配之间连接管路。最后用吊车吊出转场。
  3.6.2后配套吊出
  在管片车上焊接支撑后配套,盾体吊完后用依次电瓶运输后配套到吊装口吊出。
  4 实施效果评价
  4.1曲线接收方法新颖
  通过曲面模拟,采用混凝土回填曲面后采用滚轮导轨接收技术和利用盾构机自身铰接功能使盾构机顺利完成接收。解决了复杂空间盾构接收方法的难题,方法新颖。
  4.2过渡段前移技术先进
  用管片拼装机在底部拼装临时管片和利用盾构机自身油缸使盾体在曲面上快速前移。拆除连接桥下部螺栓和在接收井铺设过渡轨道实现了后配套顺利过渡到联络线。采用安设在盾尾后面导轨上可移动式反力装置和利用盾构机油缸解决了传统牵引力不足难题,施工技术先进。
  4.3联络线整机空推前移工艺简单
  铺设过渡轨和巧妙拆除连接桥下部螺栓,在联络线底板上铺设导轨,实现了不需要轨排就能是后配套和盾体在同一平面导轨上前移(见图4),取得了一天能前移90m的好成绩,工效高,工艺简单,值得推广。
  参考文献:
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  [2] 王荔平.富水软弱地层盾构接收技术[J].铁道建筑技术.2012(10):83-87.
  [3]郭元生.站内盾构机小转接施工技术[J].铁道建筑技术.2012(10):52-55.
  [4]王宗勇.盾构整机导轨滚轮过站施工工法[Z].太原 山西省城乡和住房建设厅,2011年.
  [5]王宗勇.特殊环境条件下盾构进洞施工工法[Z],太原 山西省城乡和住房建设厅,2011年.
  [6]王宗勇,毋海军,一种盾构整机滚轮导轨过站施工方法.中国,201110417725 [P].2012-04-18.
  [7]王春河.盾构机空推过矿山法隧道段地铁隧道施工技术[J].铁道标准设计.2010(03):44-49.
  [8]陈计明.浅谈隧道盾构施工离进站的技术措施[J].铁道标准设计.2002(09):58-59.
  [9]辛振省,郑保才.盾构前移推进装置.中国,201120347699[P].2012-05-30.
  作者简介:
  王宗勇(1973—),男,2001年毕业于西安科技大学水文地质与地质工程专业,工程师,项目总工程师,主要从事盾构技术研究。
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