無(wú)后置出渣口的盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)研究

（廈門廈工中鐵重型機(jī)械有限公司,福建 廈門 361023）

1 工程概況

廈門地鐵2 號(hào)線“濕地公園-五緣灣公園”區(qū)間的盾構(gòu)始發(fā)井（濕地公園站）縱向長(zhǎng)度僅33m,不具備后置出渣口,而CTE6450 土壓平衡盾構(gòu)整機(jī)長(zhǎng)86m,無(wú)法滿足盾構(gòu)整機(jī)下井組裝的始發(fā)要求,同時(shí)該站需要一站多發(fā),因此分體始發(fā)必須充分計(jì)算。

CTE6450 土壓平衡盾構(gòu)從刀盤(pán)到1 號(hào)拖車末端為32m,分體始發(fā)施工圍繞盾構(gòu)法施工的5 個(gè)關(guān)鍵工序：掘進(jìn)、管片拼裝、渣土吊運(yùn)、管片吊運(yùn)、同步注漿,制定最優(yōu)始發(fā)方案,確保盾構(gòu)分體始發(fā)順利完成。兩種方案：①?gòu)亩軜?gòu)主機(jī)斷開(kāi)的分體始發(fā)；②從盾構(gòu)1 號(hào)拖車斷開(kāi)的分體始發(fā)。

2 盾構(gòu)分體始發(fā)施工方案

2.1 方案一：從主機(jī)分體始發(fā)

此方案主要包括2 個(gè)掘進(jìn)階段：分體始發(fā)階段和正常掘進(jìn)階段。

2.1.1 分體始發(fā)掘進(jìn)階段

主機(jī)完全下井,設(shè)備橋及拖車在地面組裝,主機(jī)與拖車之間利用延長(zhǎng)管線連接信號(hào),動(dòng)力及耗材傳輸,如圖1 所示。設(shè)備始發(fā)需要對(duì)如下功能進(jìn)行改造。

1）需要在主機(jī)后面加裝一個(gè)結(jié)構(gòu)架,將原先設(shè)備橋上的二次注漿設(shè)備布置在結(jié)構(gòu)架上,利用二次注漿系統(tǒng)進(jìn)行注漿作業(yè)。

2）利用平板車運(yùn)至結(jié)構(gòu)架,進(jìn)行管片吊卸,實(shí)現(xiàn)管片轉(zhuǎn)運(yùn)（圖2）。

3）利用特制矮平板,協(xié)助5m3的小渣斗進(jìn)行螺機(jī)對(duì)接出渣（圖3）。

圖1 分體始發(fā)階段整機(jī)布置圖

圖2 注漿和管片吊裝模擬

圖3 電瓶小車接渣示意圖

該始發(fā)方案,存在注漿、管片吊運(yùn)以及出渣的難題,會(huì)影響整體施工進(jìn)度。

2.1.2 正常掘進(jìn)階段

分體始發(fā)階段掘進(jìn)60m 之后,將主機(jī)與1 號(hào)拖車之間利用延伸管線拆掉,整機(jī)下井組裝,后置8m 出渣空間,如圖4 所示。

圖4 拖車由地面下井組裝示意圖

2.2 方案二：從1#拖車分體始發(fā)

此方案主要包括3 個(gè)掘進(jìn)階段：始發(fā)階段、分體始發(fā)階段和正常掘進(jìn)階段。

2.2.1 始發(fā)階段

主機(jī)、設(shè)備橋和1 號(hào)拖車在始發(fā)井內(nèi)完全組裝,2 號(hào)至6 號(hào)拖車于地面組裝,1 號(hào)拖車與2 號(hào)拖車間使用延伸管線進(jìn)行連接信號(hào),動(dòng)力及耗材傳輸（圖5）。

設(shè)備始發(fā)需要對(duì)如下功能進(jìn)行改造：①利用電瓶車直接將渣斗運(yùn)至螺機(jī)出渣口接渣；②設(shè)備橋改造,割除設(shè)備橋頂部斜撐用于渣土吊裝（圖6）；③利用設(shè)備橋改造口進(jìn)行管片吊運(yùn),管片吊機(jī)協(xié)助管片運(yùn)輸（圖7）。

該始發(fā)方案,存在注漿的難題,會(huì)影響整體施工進(jìn)度。

2.2.2 二次改造始發(fā)階段

掘進(jìn)12.5m 之后,可以對(duì)1 號(hào)拖車進(jìn)行改造,將5 號(hào)拖車上的皮帶機(jī)出渣口改裝到1 號(hào)拖車尾部,并復(fù)原先設(shè)備橋的皮帶機(jī)及管片小車；此時(shí)可用18m3的渣斗正常出渣（圖8）。

二次改造始發(fā),保障同步注漿、管片吊運(yùn)、渣土的正常吊運(yùn)：利用龍門起重機(jī)和盾構(gòu)本身的設(shè)備進(jìn)行。

2.2.3 正常掘進(jìn)階段

分體始發(fā)掘進(jìn)60m 之后,將2 號(hào)拖車與3號(hào)拖車之間利用延伸管線拆掉,整機(jī)下井正常組裝、掘進(jìn),如圖9 所示。進(jìn)入正常掘進(jìn)階段,利用盾構(gòu)本身設(shè)備進(jìn)行管片拼裝、同步注漿、管片吊運(yùn)、渣土吊運(yùn)。

圖5 始發(fā)階段整機(jī)布置圖

圖6 始發(fā)階段臨時(shí)吊裝口

圖7 管片吊機(jī)吊運(yùn)管片

圖8 1#拖車尾部加裝出渣斗

圖9 整機(jī)下井示意圖

2.3 方案比選

2.3.1 經(jīng)濟(jì)性及設(shè)備的穩(wěn)定性分析

最大限度利用盾構(gòu)原有設(shè)備,減少對(duì)原有設(shè)備的改造,取消不必要的設(shè)備添加,兩個(gè)方案對(duì)比如表1 所示。

表1 兩方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表1 可得出結(jié)論：方案二延長(zhǎng)管線長(zhǎng)度為方案一的2/3,成本減少將近1/3,具有明細(xì)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 施工強(qiáng)度分析

方案二只需掘進(jìn)12.5m 之后,所有工序即可利用盾構(gòu)本身設(shè)備完成,無(wú)須借用其它設(shè)備,施工強(qiáng)度更低。

2.3.3 施工效率分析

兩方案掘進(jìn)60m 之后,盾構(gòu)均可整機(jī)下井組裝,正常施工。故只討論前面60m 掘進(jìn)過(guò)程中的施工時(shí)間。依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)做一下假設(shè)：①盾構(gòu)每拼裝1 環(huán),盾構(gòu)前進(jìn)量為管片長(zhǎng)度L=1.2m,掘進(jìn)直徑D=6.48m,土體松方系數(shù)ξ=1.5,故每環(huán)出土量≈60m3；②按施工經(jīng)驗(yàn)每環(huán)管片拼裝與下井,并進(jìn)行電線、油管拖拉耗時(shí),需耗時(shí)T1=2h；③盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)耗時(shí),按照推進(jìn)速度ν=80mm/min 計(jì)算,每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間T2=0.25h；④渣斗出土速度,1/6h/斗；⑤設(shè)備每環(huán)維保時(shí)間1h。兩方案施工效率對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2 可以得出結(jié)論：從1#拖車始發(fā)施工耗時(shí)更短,通過(guò)對(duì)比可知采用方案二可有效提高盾構(gòu)的掘進(jìn)效率,并降低成本。

表2 兩方案施工效率對(duì)比

3 分體始發(fā)臺(tái)車布置及延長(zhǎng)管線設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 始發(fā)方案臺(tái)車布置原則

盾構(gòu)后備套布置及龍門起重機(jī)布置,如圖10所示。

圖10 后備套布置及龍門起重機(jī)布置

1）臺(tái)車布置盡量靠近始發(fā)洞門 為了減少延長(zhǎng)管線的長(zhǎng)度,結(jié)合場(chǎng)地需求將方案2#～6#臺(tái)車的擺放位置進(jìn)行了布局設(shè)計(jì),2 號(hào)臺(tái)車應(yīng)盡量靠近始發(fā)洞門,可有效減少延長(zhǎng)管線長(zhǎng)度。

2)滿足設(shè)備一站多發(fā) 減少不同始發(fā)口臺(tái)車與地面之間連接管線長(zhǎng)度。

3）出渣效率的綜合分析 充分結(jié)合龍門起重機(jī)的走向,縮短出碴時(shí)間,發(fā)揮設(shè)備的有效工作時(shí)間,保證龍門起重機(jī)車橫跨4 個(gè)井口,可減少行車行走距離,有效提高吊裝效率。

3.2 始發(fā)延長(zhǎng)管線計(jì)算

圖11 延長(zhǎng)管線示意圖

如圖11 所示,延長(zhǎng)管線長(zhǎng)度計(jì)算：臺(tái)車離豎井邊緣4m,始發(fā)井深度22m,始發(fā)井寬度20m,且需要滿足2 臺(tái)盾構(gòu)同時(shí)始發(fā),并且盡量不移動(dòng)地面的后備套拖車,避免不必要的工作量。滿足上述條件,按1.2 倍的彎曲余量計(jì)算,延長(zhǎng)管長(zhǎng)度為（28.6+4+22+20)×1.2=89.5≈90m。

3.3 分體臺(tái)車間管路壓降計(jì)算

3.3.1 液壓管路延長(zhǎng)后壓力損失計(jì)算

對(duì)于高壓管路,局部壓力損失太小不計(jì)算,只作延程壓力損失計(jì)算

ΔP1=λ(L/d)(ρV2/2)

其中,d為管路內(nèi)徑,mm；V為液壓油流速,m/s；ρ為油液密度,kg/m3；L為管路長(zhǎng)度,m；λ為延程阻力系數(shù),液流層流λ=64/Re,液流紊流λ=0.316×Re-0.25。

Re為油液雷諾數(shù)：Re=Vd/v，其中v為油液運(yùn)動(dòng)粘度,mm/s。

液壓油管主要有3 種規(guī)格,1 寸、1.5 寸、2 寸,按上述公式,分別代入計(jì)算如表3 所示。

表3 3種液壓油管規(guī)格

結(jié)論：液壓管路由正常情況下加長(zhǎng)后的壓力損失不超過(guò)3MPa。

3.3.2 液壓管路壓力損失對(duì)分體始發(fā)階段的影響

結(jié)合盾構(gòu)的液壓管路的壓力浮動(dòng)值±5MPa,通過(guò)與壓降計(jì)算3MPa 的對(duì)比,本次管路的延長(zhǎng)滿足盾構(gòu)的正常掘進(jìn),因此延長(zhǎng)盾構(gòu)的性能和操作性是沒(méi)有影響的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上分析,受城市始發(fā)場(chǎng)地的限制,城市地鐵施工中往往具備整機(jī)始發(fā)的條件,本文通過(guò)對(duì)始發(fā)方案對(duì)比,始發(fā)的臺(tái)車布置以及管路與壓降計(jì)算分析,提高了盾構(gòu)分體始發(fā)的效率。因此,本次研究可為今后一站多發(fā)的工程提供借鑒。