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盾构刀盘、盾体采用分块设计的技术研究

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：孟利刘佩玉郭建辉那围榕

[导读] 摘要：盾构施工通常受始发场地和接收场地限制，尤其在不具备吊装条件且拆解空间受限的暗挖站内时，盾构接收变得尤为困难。

        中建八局轨道交通建设有限公司北京 100035
        摘要：盾构施工通常受始发场地和接收场地限制，尤其在不具备吊装条件且拆解空间受限的暗挖站内时，盾构接收变得尤为困难。暗挖站内狭小密封空间盾构如何接收、如何解体吊装外运综合暴露出了盾构机接收场地受限这一重复性难题，场地受限的同时，盾构机要解决的重点就是如何进行刀盘及盾体的分块设计，分块的质量及结构尺寸也成为设计过程中的重要研究内容。为此提出盾构机主体（即刀盘、前盾、中盾、盾尾）采用分块式设计制造，分块式设计的优点是将重量大、体积大且不利于运输和吊装的盾构机主体拆分为不破坏其结构、功能且便于运输、吊装的模块。
        关键词：盾构机；分块设计；接收；拆机
        一、盾构解体接收背景
        北京地铁19号线积水潭站至北太平庄站项目，盾构接收位于地铁19号线一期工程北太平庄站，车站有效台中心线里程为K50+481.078，位于北太平庄路与北三环中路交口北侧，南北向设置，与M12北太平庄站（东西向设置）采用北T型节点换乘，两站同期设计与建设。北太平庄站平均覆土厚度约14m，底板平均埋深约37.7m，为地下三层双柱三跨岛式站台车站，采用洞桩法暗挖+降水施工；车站南端围护结构及主体结构为区间盾构机站内接收解体预留条件。线路以2‰的纵坡向下进入北太平庄站接收。
        二、盾构解体方式的选择
        因北太平庄车站采用暗挖法施工，车站南端围护结构及主体结构为区间盾构机站内接收解体预留条件但不具备吊装条件，故采用暗挖车站站内解体的工法。暗挖车站站内解体是指盾构机完成隧道设计施工，接收端以暗挖车站施工形式施工，且由于暗挖车站内无法实现正常的拆机吊装作业，只能通过特殊的工艺在暗挖车站将盾体及刀盘进行逐一分解、运输及吊装作业的工法。
        三、盾构机主体分块原则
        基于接收方式为站内解体后，由电机车沿隧道拉回始发井完成接收工作，分块解体须遵循以下原则：
        1.盾构机主体（即盾体+刀盘）分块解体时尽可能的降低对各结构、设备的破坏，以保证可以继续使用；
        2.分块解体尽可能保证功能上的完整，降低再组装时所需的成本及工作量；
        3.确保分块解体后的所有部位的尺寸适宜，即可以在隧道内安全且宽松的通过；
        4.分块解体前应由专业技术人员对需要切割或拆卸部位进行必要且显眼的标记，对管路接头、线路接头进行必要的防护及标记。
        四、盾构主体分块设计
        以北京地铁19号线03标（积水潭站--北太平庄站）为例，对刀盘和盾体的分块式设计进行说明。
        1.刀盘：
        盾构采用开挖直径6640mm，开口率为76%的辐板式刀盘。
        方案一：进入土舱内，根据现场条件用碳刨法将刀盘分两大部分，分别为中心小圆环和大圆环，大圆环再次分割为四小件编号分别为为1、2、3、4，共5块。具体如下图：

图一：刀盘分解前图二：刀盘分解后
方案二：待刀盘出洞后，对刀盘按刀梁进行切割，具体实施方案为将1号刀梁与4号刀梁从中心鱼尾刀处切除，并在1号与4号刀梁的相邻刀梁的周边贝壳刀处进行切割，即将1号和4号刀梁连同两侧周边贝壳刀进行整体割除。具体如图所示：

        图三：刀盘分解前                    图四：刀盘分解后
        方案一的优点为可以保持刀盘牛腿和法兰的完整性，保证刀盘后期使用的性能，缺点为中心块重量过大且刀梁内部泡沫管路全部被破坏；方案二的优点为完整的保留刀梁内的泡沫管路和部分刀梁的结构不被破坏，缺点为刀盘牛腿和法兰需要切割，会受到一定的破坏。
        由于开挖直径（即刀盘直径）为6640mm，隧道内径为5800mm。分块后最大分块为小圆环，其直径约为4430mm，重量约为25T。
        五、盾体
        a.前盾：前盾（又名切口环或前体）主要用来支撑掌子面及周围地层的稳定，同时为各种设备提供了安装接口。前盾设有隔板，将前盾分为土舱与隔板后部，采用法兰及焊接连接。为保证盾构机再次使用时功能及结构的稳定性，因此进行分块设计时，尽可能的沿法兰连接处进行分块。整体分为上下左右四部分，上部分为人仓连接口与部分管路预留接口，下部为螺旋输送机与土仓的连接口，左右两部分主要有土压传感器和预留接口。
        b.中盾：中盾是承受盾构机推进反力的主要结构。中盾与前盾采用高强度螺栓连接，中盾与盾尾之间采用铰接油缸连接；中盾内配备有盾构机推进油缸。拆除米字梁、人仓、主驱动马达减速机、中心回转接头等部件后，中盾按照推进油缸的分组的方式进行分块。因其各分块之间采用高强螺栓连接，这样的分块拆卸可以不破坏其结构，保证再次装机时功能上的完整性。
        c.盾尾：在中盾和盾尾上焊接顶推支座，用辅助油缸分离中盾与盾尾，由于盾尾结构（同步注浆通道及预留口、盾尾油脂通道等）较为简单但不可或缺，因此尽量保证其结构不被破坏，在拆除铰接密封、紧急气囊等可用部件后，分两块割除盾尾。
        六、结束语
        在轨道交通建设中，盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。因其具有安全、高效、绿色环保的特点，在城市环境中得到了广泛的应用。同时因其机械化程度高，日渐成为高用工成本的现代社会的首选施工方法。根据对国内盾构接收情况的调研结果，我国盾构的接收方式仍处于相对单一的状态，因此盾构机的分块式设计为应运而生。
        盾构机的分块式设计适用于盾构隧道的接收端无预留吊装洞口，不具备盾构机吊出条件的工况，通过将解体下来的各组成部件放置在隧道运输车上，由隧道运输车带着盾构机的各组成部件沿隧道回到盾构始发井（吊装井）处吊出，解决了盾构机在密闭狭小空间内解体施工的技术难题和安全难题，实现了盾构机在同一隧道口进出。
        参考文献：
        [1]张东，崔海涛.盾构机在地铁隧道接收端洞内脱壳解体技术研究[J].市政技术，2017，35（02）：77-80+84.
        [2]唐晓武，朱季，刘维，陈仁朋.盾构施工过程中的土体变形研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（02）：417-422.