大直徑盾構隧道軌下預制箱涵拼裝工序研究

馮志鵬，龐培彥，任麗娜

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著國內大城市化、特大城市化的快速發(fā)展以及盾構法的日趨成熟，為減少施工次數(shù)，減少因始發(fā)、下穿等給城市帶來的影響，盾構隧道逐漸向單洞多車道的大直徑、超大直徑隧道發(fā)展，以便一次開挖成型多條車道。大直徑隧道建成后，其軌下結構擔負污水排放、隧道通風及存放電纜等功能[1～2]。

目前軌下結構大多采用臺車現(xiàn)澆方案或預制箱涵拼裝方案[3]。經過對比，預制箱涵拼裝方案在施工工效、質量、環(huán)境等方面具有明顯優(yōu)勢。因此，大直徑隧道建設中，采用預制箱涵拼裝方案成為當下趨勢。

預制箱涵拼裝位置可根據(jù)項目本身具體情況進行選擇。目前，國內預制箱涵拼裝位置大多在盾構后配套區(qū)域前部，即預制箱涵跟隨盾構同步拼裝。然而，在國外，部分項目已經開始采用預制箱涵拼裝與盾構施工位置分離的方法，即預制箱涵位于盾構后部區(qū)域并進行獨立拼裝。因此，針對預制箱涵拼裝的工序研究，即隧道中預制箱涵的拼裝工序是選擇同步拼裝還是獨立拼裝，是一個全新的課題。本文首先對上述兩個預制箱涵施工工序進行結構描述，并通過某大直徑土壓項目，進行兩種預制箱涵施工工序方案的對比分析，得到不同工序的優(yōu)缺點，從而對后續(xù)大直徑盾構隧道預制箱涵拼裝工序的選擇提供理論指導。

1 預制箱涵拼裝工序介紹

1.1 同步拼裝

預制箱涵隨同盾構同步拼裝工序：預制箱涵拼裝位于盾構后配套前部連接橋區(qū)域；盾構后配套除配置有管片吊機外，還配置有箱涵吊機，預制箱涵通過管片運輸車輛運輸至盾構既定區(qū)域，通過箱涵吊機完成在連接橋下部的拼裝，如圖1所示。該預制箱涵拼裝工序為目前國內隧道絕大部分采用的拼裝工序，例如：京張高鐵清華園隧道、大連地鐵5 號線、汕頭蘇埃通道、深圳春風隧道[4]等。

圖1 預制箱涵同步拼裝工序

1.2 獨立拼裝

預制箱涵盾構后部獨立拼裝工序：盾構在前正常掘進，完成管片襯砌；隧道內設有獨立的預制箱涵拼裝臺車，其上設有箱涵吊機、自驅輪對、斜坡段、水平段、伸縮平臺；自驅輪對滿足臺車自驅行走，如圖2 所示。該工序可分為管片運輸模式和預制箱涵拼裝模式：當需要進行管片運輸時，伸縮平臺向后伸出并搭接在已拼裝的預制箱涵上，保證管片運輸機車或管片運輸MSV 正常通行；當需要進行預制箱涵拼裝時，伸縮平臺縮回，滿足箱涵吊機在此區(qū)域完成預制箱涵拼裝的功能。該預制箱涵拼裝工序已經在國外得到廣泛應用，例如：新西蘭Water view 公路隧道、埃及Cairo Suez Crossing Tunnel、澳大利亞東北線等。

圖2 預制箱涵獨立拼裝工序

2 預制箱涵拼裝工序對比與分析

在進行隧道施工前期，需要對預制箱涵拼裝工序進行適應性研究，來選擇最契合該隧道施工要求的拼裝工序。本節(jié)基于某大直徑土壓項目（表1），分別從施工風險管控方面、設備始發(fā)方面、管片吊運效率以及經濟性方面對兩種預制箱涵拼裝工序進行分析比較，得到各自工序的優(yōu)劣勢，從而為后續(xù)隧道預制箱涵拼裝工序適應性選擇提供理論指導意義。

表1 項目信息

針對該項目，預制箱涵同步拼裝與獨立拼裝工序方案圖分別見圖3 與圖4。

2.1 施工風險管控方面分析

從圖3 與圖4 施工工序上來看，同步拼裝工序管片吊機和箱涵吊機在同一軌道上行駛，分別完成管片的吊運和箱涵的拼裝。該工序可以在盾構上同時完成管片吊運和預制箱涵拼裝，管片吊運和預制箱涵拼裝有序進行。采用同步拼裝工序優(yōu)勢如下。

圖3 預制箱涵同步拼裝方案

圖4 預制箱涵獨立拼裝方案

1）管片和預制箱涵拼裝可同步完成，易于控制和檢查預制箱涵拼裝精度及質量[5]。

2）管片吊運和預制箱涵拼裝在同一區(qū)域進行，易于設備運行狀態(tài)管理及維保管理[6]。

3）管片吊運和預制箱涵拼裝由相同施工人員完成，易于控制施工人員安全風險[7]。

然而在隧道掘進過程中，可能會因為外界因素的干擾，導致預制箱涵供應不及時。當采用同步拼裝工序時，由于管片運輸車輛需要走在已拼裝完成的預制箱涵上，如果出現(xiàn)預制箱涵供應不及時，導致管片無法正常運送，從而盾構無法繼續(xù)掘進，造成異常停機。此外，當隧道拖車采用斜輪對行駛時，采用同步拼裝工序時，由于預制箱涵的存在，斜輪對位于預制箱涵及管片之間，檢修空間狹小，檢修困難。

綜上所述，從施工風險管控方面來說，同步拼裝工序在拼裝精度、設備管理及人員風險上優(yōu)于獨立拼裝工序，但可能出現(xiàn)斜輪對檢修困難以及異常停機風險。

2.2 設備始發(fā)方面分析

從圖3 與圖4 可以看出，針對同步拼裝工序和獨立拼裝工序，在滿足兩者每一個循環(huán)可以拼裝相同數(shù)量預制箱涵的前提下：同步拼裝方案整機長度為124m；獨立拼裝盾構長度85m。因此，采用同步拼裝工序時，盾構長度較長，相對獨立拼裝工序長約40m。當項目始發(fā)井長度有限制時，采用同步拼裝工序的盾構需要分體始發(fā)[8]，且由于預制箱涵的存在，在始發(fā)井長度極小時，設備甚至需要兩次分體始發(fā)后才能整體掘進。因此，當隧道項目始發(fā)場地有尺寸限制時，獨立拼裝工序在始發(fā)安排上優(yōu)于同步拼裝工序。

2.3 管片吊運效率分析

大直徑盾構采用管片卸載器可以明顯提高大直徑盾構效率[9]。因此，部分隧道項目，尤其是長距離隧道項目均配置管片卸載器來提高管片吊運效率。

針對該大直徑土壓項目，由于預制箱涵寬度尺寸大于管片環(huán)向寬度尺寸，管片吊運與箱涵吊運軌跡有重疊，因此管片吊運中應用到的管片卸載器在結構上會與預制箱涵干涉，同步拼裝工序無法配置管片卸載器，如圖5 所示。而獨立拼裝工序管片吊機與箱涵吊機分別位于盾構與獨立拼裝臺車上，管片吊運和箱涵拼裝互不影響，管片吊運區(qū)域可以設置有管片卸載器，如圖6 所示。因此，針對長距離掘進大直徑隧道，預制箱涵獨立拼裝工序可以采用管片卸載器來提高管片吊運效率。

圖5 預制箱涵同步拼裝截面

圖6 預制箱涵獨立拼裝截面

2.4 經濟性分析

在采用相同系統(tǒng)配置前提下，針對上述土壓項目分別對同步拼裝及后部拼裝工序進行經濟性對比分析。從圖3 及圖4 可以看出，同步拼裝工序和獨立拼裝工序區(qū)別主要在于后配套拖車長度以及獨立拼裝臺車，后配套拖車長度以及獨立拼裝臺車在設備成本上主要體現(xiàn)在重量上，因此，二者的經濟性對比分析主要是二者鋼結構重量的差別，如表2 所示。

表2 設備成本對比分析

從表2 可以看出，在該項目中，同步拼裝工序設備總重與獨立拼裝工序設備總重差別不大，僅比其重56t。因此，在相同項目中，同步拼裝工序和獨立拼裝工序從經濟上比較差別較小，在對二者進行對比選擇時，可以忽略成本因素。

3 結論

本文在對預制箱涵同步拼裝工序及獨立拼裝工序介紹后，以某大直徑土壓項目為例，分別對兩個工序進行對比分析，得到些許有意義結論。

1）從施工風險管控方面來說，同步拼裝工序在拼裝精度、設備管理及人員風險上優(yōu)于獨立拼裝工序，但可能出現(xiàn)斜輪對檢修困難以及異常停機風險。

2）當隧道項目始發(fā)場地有尺寸限制時，獨立拼裝工序在始發(fā)安排上優(yōu)于同步拼裝工序。

3）針對長距離掘進大直徑隧道，獨立拼裝工序可以采用管片卸載器來提高管片吊運效率。

4）同步拼裝工序和獨立拼裝工序從經濟上比較差別較小，在對二者進行對比選擇時，可以忽略成本因素，僅從施工風險管控方面、設備始發(fā)方面、管片吊運效率等方面進行分析，合理選擇適用于本項目的預制箱涵施工工序。