市域線大直徑軌道交通隧道中隔墻拼裝技術(shù)研究

楊成龍

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司,上海 200438)

0 引言

近年來，地上可用空間隨著城市化發(fā)展在不斷減少，而迫于人口密度不斷增加的巨大壓力，地下空間開發(fā)力度也隨之增大。在此背景下，盾構(gòu)法因具有環(huán)保、掘進(jìn)速度快、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，故而大直徑、長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧道在城市快速路、軌道交通隧道建設(shè)中得到了大量應(yīng)用。另外，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道內(nèi)部多采取單層或雙層車道結(jié)構(gòu)形式，以全現(xiàn)澆或部分現(xiàn)澆施工為主[1]?，F(xiàn)澆施工工藝效率低、能耗髙、對(duì)環(huán)境污染大，同時(shí)受限于盾構(gòu)隧道有限的施工空間及現(xiàn)場(chǎng)工人素質(zhì)等因素影響，現(xiàn)澆施工質(zhì)量沒有工廠預(yù)制化精度高、質(zhì)量好。為解決這一系列問題，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始走向預(yù)制化、工業(yè)化的道路。

早在2011年，上海市軌道交通16號(hào)線工程就使用預(yù)制中隔墻實(shí)現(xiàn)圓隧道單洞雙線功能，這是該工藝首次應(yīng)用于大直徑軌道交通中[2]。其隧道內(nèi)部采用預(yù)制與現(xiàn)澆相結(jié)合的形式，中間口字型構(gòu)件為預(yù)制構(gòu)件(局部泵房段采用全現(xiàn)澆形式)、口字型構(gòu)件兩側(cè)承軌板為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、中隔墻采用現(xiàn)澆與預(yù)制相結(jié)合施工。其中隔墻最大重量為6 t，使用特制中隔墻拼裝機(jī)進(jìn)行拼裝，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，中隔墻拼裝一開始機(jī)器的定位非常重要，直接影響拼裝的精度和速度。在每塊中隔墻拼裝前確保拼裝機(jī)停在每一環(huán)管片的中心位置。但此種拼裝設(shè)備采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，占用空間較大，其液壓系統(tǒng)拼裝偏差較大，精調(diào)較困難且設(shè)備動(dòng)作繁多，較難操作。另外此設(shè)備最大起重量較小，無法實(shí)現(xiàn)超大噸位預(yù)制結(jié)構(gòu)件的拼裝。

在上海市域鐵路機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)階段，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)首次采用了全預(yù)制一體化拼裝的理念。但是此方法最大的困難就是中隔墻的重量較大，拼裝比較困難。文中就上海市域鐵路機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線JCXSG-7標(biāo)預(yù)制中隔墻拼裝的施工方法進(jìn)行闡述，研究市域線大直徑軌道交通隧道中隔墻拼裝技術(shù)，希望能為后續(xù)類似項(xiàng)目提供一定參考。

1 項(xiàng)目概況

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線為我國(guó)上海市計(jì)劃建設(shè)的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)軌道系統(tǒng)，是軌道交通線網(wǎng)中的東西向市域線。線路由閔行區(qū)虹橋綜合交通樞紐的虹橋火車站站至浦東新區(qū)上海東交通樞紐的上海東站站。途經(jīng)閔行區(qū)、徐匯區(qū)、浦東新區(qū)3個(gè)行政區(qū)，自西向東經(jīng)過的主要區(qū)域有虹橋商務(wù)區(qū)、七寶、梅隴、華涇、三林、張江科學(xué)城、國(guó)際旅游度假區(qū)、浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、鐵路上海東站等，與軌道交通線網(wǎng)中多條線路換乘。線路全長(zhǎng)68.6 km，設(shè)站9座，動(dòng)車所一處、存車場(chǎng)一處。隧道采用單洞雙線斷面布置形式。管片外徑13.6 m，內(nèi)徑12.5 m，管片厚度550 mm，環(huán)寬2 m。管片采用通用楔形環(huán)，分為9塊，錯(cuò)縫拼裝。

本標(biāo)段線路長(zhǎng)度約9.2 km，其中三林南站—4號(hào)風(fēng)井區(qū)間長(zhǎng)度約4.668 km，4號(hào)風(fēng)井—5號(hào)風(fēng)井區(qū)間長(zhǎng)度約4.547 km。采用兩臺(tái)新制的直徑14.02 m泥水氣平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)自4號(hào)風(fēng)井西端頭井下井始發(fā)，推進(jìn)至三林南站接收；另一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)自4號(hào)風(fēng)井東端頭井下井始發(fā)，推進(jìn)至5號(hào)風(fēng)井接收。

由于市域線路設(shè)計(jì)的理念是內(nèi)部結(jié)構(gòu)全預(yù)制一體化拼裝技術(shù)，故隧道內(nèi)的各部件均采用預(yù)制構(gòu)件。共分為5塊，分別為隧道管片、下部拱形件結(jié)構(gòu)、中隔墻、頂部橫向牛腿、兩側(cè)電纜槽。底部弓形塊與盾構(gòu)掘進(jìn)管片拼裝同時(shí)進(jìn)行，最后一節(jié)臺(tái)車上進(jìn)行橫向牛腿拼裝；中隔墻等其他預(yù)制構(gòu)件在臺(tái)車后2 000 m同步進(jìn)行拼裝。隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

2 中隔墻拼裝關(guān)鍵技術(shù)路線

由于中隔墻為超重預(yù)制構(gòu)件，質(zhì)量為21 t，高達(dá)9.26 m，拼裝過程中的危險(xiǎn)系數(shù)較大；隧道內(nèi)翻身尺寸非常小且要在指定位置，操作精度要求非常高。文中針對(duì)中隔墻拼裝施工工藝進(jìn)行了詳細(xì)的探索與研究，需要重點(diǎn)解決兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn):設(shè)計(jì)加工超重預(yù)制中隔墻專用拼裝工裝;探究超重預(yù)制中隔墻在有限空間內(nèi)的拼裝步驟與方法。

1)超重預(yù)制中隔墻拼裝工裝設(shè)計(jì)，確定可行的拼裝工裝設(shè)備。包括：中隔墻拼裝設(shè)備模型設(shè)計(jì)及三維仿真模擬；中隔墻拼裝設(shè)備選型對(duì)比分析；中隔墻拼裝設(shè)備整體設(shè)計(jì)與改良優(yōu)化；中隔墻精細(xì)化拼裝部件設(shè)計(jì)與研究；中隔墻設(shè)備試拼裝等。

2)有限空間內(nèi)超重預(yù)制中隔墻精準(zhǔn)定位拼裝技術(shù)研究及應(yīng)用。包括：中隔墻有限空間內(nèi)拼裝BIM模擬分析；中隔墻拼裝施工工藝研究，井下的運(yùn)輸、定位、旋轉(zhuǎn)翻身及固定等；中隔墻拼裝質(zhì)量控制研究，三維空間中6個(gè)自由度的精確調(diào)整，達(dá)到規(guī)范要求的施工精度。

3 中隔墻拼裝準(zhǔn)備工作

3.1 中隔墻拼裝旋轉(zhuǎn)模擬

經(jīng)過多種方案比選，中隔墻的運(yùn)輸采用水平方式運(yùn)輸。然后在隧道軸線位置，通過專用設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。由于中隔墻與上部結(jié)構(gòu)(管片)僅有35 cm的間隙，且尺寸重量大，首先需要探討旋轉(zhuǎn)的可行性。在CAD軟件里面進(jìn)行三維模擬，隧道凈尺寸可以滿足中隔墻順?biāo)淼婪较蛐D(zhuǎn)的要求。旋轉(zhuǎn)最大空間余量滿足：9 506 mm-9 350 mm=156 mm；旋轉(zhuǎn)中心高度：4 065 mm+50 mm=4 115 mm；就位重心高度：3 942 mm(底部以上)；下落就位高度：4 115 mm-3 942 mm=173 mm。施工精度要求非常高。

3.2 中隔墻重心計(jì)算

為了減少中隔墻旋轉(zhuǎn)過程中多次對(duì)高度的調(diào)整，需要找到中隔墻的重心位置。通過形心計(jì)算，確定中隔墻的重心位置。并跟設(shè)計(jì)單位進(jìn)行協(xié)商，變更部分圖紙，在中隔墻重心的位置預(yù)設(shè)10 cm的圓孔，作為中隔墻拼裝設(shè)備的抓取孔。同時(shí)對(duì)運(yùn)輸車輛進(jìn)行改裝，增加液壓調(diào)整系統(tǒng)，提升運(yùn)輸車輛的高度，滿足井上吊裝一次到位，減少運(yùn)輸車輛多次調(diào)整標(biāo)高。

3.3 中隔墻拼裝設(shè)備的選型

由于隧道寬度有限(有效寬度9.5 m)，必須對(duì)設(shè)備的尺寸進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，以滿足拼裝和運(yùn)輸?shù)囊蟆Ｖ懈魤ぱb內(nèi)空3 m，滿足2.6 m寬度運(yùn)輸車進(jìn)入；中隔墻工裝外寬3.65 m，兩側(cè)各余2.9 m，滿足行車要求；3.9 m高處最大外寬4.185 m，兩側(cè)滿足行車要求；長(zhǎng)度15.3 m，滿足一次4段拼裝。前門架頂部2.8 m設(shè)限寬標(biāo)志牌(見圖2)。最終設(shè)備的外形約15.4 m×4.2 m×5.6 m，總質(zhì)量約16.5 t(暫未考慮平臺(tái)、爬梯、墻頂牛腿拼裝支架)。在立柱根部設(shè)置2根螺紋鋼或鋼絞線，以減小滑移軌道中部撓度及結(jié)構(gòu)變形。

3.4 弓形夾持器

由于中隔墻重量較大，必須對(duì)旋轉(zhuǎn)處弓形夾的受力進(jìn)行設(shè)計(jì)。此裝置分左右對(duì)稱兩部分，由液壓千斤頂控制行程。千斤頂將中隔墻(平移、旋轉(zhuǎn))在弓形夾持器中部，千斤頂：2臺(tái)，10 t級(jí)頂(26 MPa，30 cm行程)，滿足21 t中隔墻橫向調(diào)整要求:10/(21×0.2)=2.4；支架根據(jù)運(yùn)輸車實(shí)際結(jié)構(gòu)調(diào)整尺寸及高度；車架與中隔墻接觸部分設(shè)置滑塊(自動(dòng)復(fù)位)。車寬2.6 m，中隔墻底寬1.9 m，橫向調(diào)節(jié)距離±15 cm。弓形夾見圖3。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)采用液壓卷揚(yáng)減速機(jī)，可穩(wěn)驅(qū)動(dòng)、止動(dòng)。最大輸出轉(zhuǎn)矩3.5 t·m，滿足偏心距10 cm旋轉(zhuǎn)要求。

3.5 拼裝工裝的行走機(jī)構(gòu)

中隔墻工裝的行走支腿采用20 t～40 t級(jí)小坦克，共4個(gè)，設(shè)置在架立柱下方。最前端門柱下2個(gè)可轉(zhuǎn)向微調(diào)。

4 中隔墻拼裝施工工藝

本工程中隔墻高9.26 m,寬2 m,厚0.4 m，整體質(zhì)量為21 t，與上部管片僅有35 cm的間隙，且單側(cè)設(shè)置有質(zhì)量約2 t的橫向牛腿，截面較小，隧道內(nèi)起重與翻轉(zhuǎn)拼裝難度非常大。

區(qū)間隧道最長(zhǎng)達(dá)到4.6 km，屬長(zhǎng)距離隧道，盾構(gòu)施工周期長(zhǎng)。故中隔墻拼裝須在盾構(gòu)機(jī)后方約500 m處與盾構(gòu)掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行。在中隔墻拼裝施工中亦不能影響盾構(gòu)施工。這樣，中隔墻拼裝設(shè)備應(yīng)具有占用空間小、施工速度快、起重量大、拼裝精度高等優(yōu)點(diǎn)。

為了解決在受限空間內(nèi)對(duì)超重預(yù)制中隔墻進(jìn)行批量化運(yùn)輸、定位及拼裝，并做到同步施工，以提高施工效率，研究了一種大直徑隧道內(nèi)超重預(yù)制中隔墻拼裝方法[3-5]。

采用特制中隔墻拼裝設(shè)備，拼裝設(shè)備包括雙頭運(yùn)輸車及車載調(diào)整支架、門式行車支架、弓形夾持器及液壓裝置，雙頭運(yùn)輸車上的車載調(diào)整托架能從多個(gè)維度調(diào)整中隔墻的姿態(tài)，弓形夾持器及液壓裝置拼裝在門式行車支架上部，并能沿門式行車支架前后移動(dòng)，門式行車支架底部裝有寬板搬運(yùn)小坦克裝置，裝置在隧道中央，不影響兩側(cè)運(yùn)輸通道，見圖4。

該拼裝技術(shù)施工方法如下：

1)利用雙頭運(yùn)輸車行進(jìn)/倒車，把中隔墻進(jìn)位至拼裝裝置中心待加持位置。

2)車載調(diào)整支架將中隔墻旋轉(zhuǎn)、平移至弓形夾持器中部，見圖5。

3)弓形夾持器行進(jìn)到中隔墻預(yù)留中心孔進(jìn)行對(duì)位固定。

4)利用弓形夾持器兩端液壓裝置頂升中隔墻卸車，雙頭運(yùn)輸車輛退出，見圖6。

5)弓形夾持器將中隔墻旋轉(zhuǎn)豎直后，初步行進(jìn)至待拼裝位置。

6)將中隔墻左右及橫縱向旋轉(zhuǎn)對(duì)位，見圖7。

7)將中隔墻頂落就位。

8)拆除門式行車支架扶桿，將門式行車支架前行定位下一單元，見圖8。

9)弓形夾持器退回至初始位置，重復(fù)以上工序。

在工裝設(shè)計(jì)初期，我們進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)受力分析，其門架結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)弓梁、承載結(jié)構(gòu)、車架平移對(duì)位機(jī)構(gòu)等的容許應(yīng)力、形變均可滿足施工要求。其門架跨中撓度最大僅為2‰，弓形結(jié)構(gòu)鋼棒變形僅為4.6 mm，如圖9所示。

5 結(jié)語

所述超重中隔墻拼裝方法和一套特制的工裝，在上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線7標(biāo)項(xiàng)目中隔墻拼裝過程中成功地得到了應(yīng)用；有效解決了隧道內(nèi)超重預(yù)制中隔墻的運(yùn)輸、定位及拼裝的一系列難題， 確保成型隧道中隔墻的施工精度達(dá)到設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。施工方法及工藝可為后續(xù)類似工程提供參考。