山嶺城際鐵路TBM空推穿越既有高架橋段技術(shù)研究

龍華東

(中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 前言

全斷面巖石山嶺隧道城際鐵路線路，為縮減項(xiàng)目工期，節(jié)約TBM拆裝機(jī)成本，一般采用TBM空推過路基段和高架橋段的技術(shù)方案。目前，TBM在山嶺隧道過站時，主要存在[1－3]:(1)山嶺之間過站距離較長，弧形導(dǎo)臺施工難度大，工期延長、成本增加，若遇過站路線呈曲線情況，過站難度會更大，所以常規(guī)的過站方法無法適用于山嶺隧道間。(2)山嶺地區(qū)環(huán)境特殊，過站平臺的搭設(shè)具有一定的局限性，需同時考慮盾體和臺車過站，平臺搭設(shè)要求更高。(3)山嶺隧道間一般存在高架橋，過站平臺施工時，土方開挖回填以及平臺搭設(shè)過程中可能會對橋墩基礎(chǔ)造成破壞，而影響高架橋的穩(wěn)定性。

國內(nèi)很多學(xué)者針對TBM平移、空推等技術(shù)進(jìn)行了研究探討，朱朋金等[4]研發(fā)了一種新型液動移位裝置，但該裝置造價(jià)較高，對于平移地面平整度、強(qiáng)度要求較高，且隧道曲線適應(yīng)性較低，存在優(yōu)化空間；高鑫等[5]基于青島地區(qū)雙護(hù)盾TBM施工常用的設(shè)備型號及過站方式，深入研究、分析了不同機(jī)械過站方式；洪開榮等[6]全面分析了高黎貢山隧道采用TBM法施工過程中可能遇到的重難點(diǎn)問題；宋天田等[7]為解決始發(fā)場地狹小、空間受限問題，提出了一種分體始發(fā)技術(shù)。對于已有研究，由于現(xiàn)場情況差異很大，現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)不能夠直接運(yùn)用。本文依托福州濱?？炀€項(xiàng)目，對全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)TBM整機(jī)空推過高架橋段技術(shù)進(jìn)行研究，解決本項(xiàng)目實(shí)際問題。

2 工程概況

濱?？炀€2標(biāo)段2工區(qū)大象山隧道、枕峰山隧道采用TBM施工，大象山隧道與枕峰山隧道之間有435 m高架及樁板段，過站段以“樁板結(jié)構(gòu)－橋梁”形式連接枕峰山與大象山之間的低洼地段，小里程側(cè)縱坡為28‰，大里程側(cè)縱坡為4‰。其中橋跨結(jié)構(gòu)為樁板結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁及搭板，墩間設(shè)地下過水箱涵一座，下部結(jié)構(gòu)主要為樁接托梁、墩臺及承臺結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。因空推段距離長、坡度大、地基承載力不足等問題，給現(xiàn)場施工增加了極大的難度。

3 TBM過高架橋技術(shù)方案比選

3.1 TBM拆機(jī)分體過站

TBM山嶺隧洞貫通后，對接收的TBM進(jìn)行拆機(jī)，分體[8]運(yùn)輸?shù)绞及l(fā)山嶺隧洞位置，進(jìn)行裝機(jī)、調(diào)試，準(zhǔn)備TBM始發(fā)工作。該方案工效低，拆裝機(jī)成本高。

3.2 TBM在區(qū)間高架橋上過站

利用城際鐵路高架橋，在高架橋上鋪設(shè)TBM滑軌和滑動過站托架等裝置[9]，在區(qū)間高架橋上進(jìn)行TBM整機(jī)過站。該方案需要對高架橋的橋垮結(jié)構(gòu)、橋臺、橋墩等承載力和穩(wěn)定性重新進(jìn)行計(jì)算，安全風(fēng)險(xiǎn)大，過站成本高。

3.3 高架橋區(qū)間修筑路基過站

在城際鐵路左右線高架橋中間，設(shè)計(jì)合理的擋土路基，在回填路基上鋪設(shè)軌道和滑行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)TBM的盾體和后配套臺車分別過站。

針對該高架區(qū)間原狀地形，該技術(shù)方案安全、工期、成本均可控，為最優(yōu)的TBM過站技術(shù)方案。具體過站施工流程:高架橋橋墩防護(hù)擋墻施工、地基沉降監(jiān)測、過站平臺搭設(shè)、盾體空推平移、后配套臺車整體過站等。

4 高架橋橋墩防護(hù)擋墻施工技術(shù)

4.1 防護(hù)擋墻

TBM過站路基填土擋墻沿枕峰山高架承臺邊線外擴(kuò)1 m設(shè)置，擋墻基礎(chǔ)寬1.5 m，高0.5 m，頂面與承臺頂面平齊，墻身厚度0.3 m，高度根據(jù)具體施工段路情況設(shè)定，一般為2.9～6 m，施工完成后擋墻外側(cè)采用回填土反壓，可減少TBM盾構(gòu)過站時對擋墻結(jié)構(gòu)的剪切力[10]。

4.2 回填硬化

(1)邊坡防護(hù)

為保證TBM過站便道路基的穩(wěn)定性，對TBM過站便道路基邊坡采用掛網(wǎng)及噴射混凝土進(jìn)行防護(hù)。鋼筋網(wǎng)片采用HPB φ8圓鋼橫縱互焊成型，網(wǎng)格間距200 mm×200 mm，網(wǎng)片搭接長度不少于1個網(wǎng)格的寬度，并與砂漿錨桿進(jìn)行焊接牢固。鋼筋網(wǎng)片在噴射混凝土第一層終凝后開始鋪設(shè)，鋼筋網(wǎng)與壁面間隙為30 mm。

噴射混凝土為C25，噴射厚度10 cm，分二次噴射，初噴厚度為4 cm。噴射作業(yè)應(yīng)分段分片進(jìn)行，噴射順序由上而下；分層噴射時，后層噴射在前層混凝土終凝后進(jìn)行[11]。

(2)過站便道澆筑

盾構(gòu)過站便道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土為C30，厚度25 cm。防護(hù)擋墻示意圖和實(shí)物圖分別見圖1和圖2所示。

圖1 防護(hù)擋墻

圖2 擋墻施工實(shí)物

4.3 鋼板及軌道鋪設(shè)

TBM空推過站采用滾輪式托架，滾輪下方鋪設(shè)43＃鋼軌，軌道下方鋪設(shè)鋼板，減小軌道正在方的集中應(yīng)力。鋼板6 m×1.5 m×20 mm，軌道與鋼板通過回形彈簧條連接，為節(jié)約鋼板的使用量，采用分段鋪設(shè)分段空推的方式，每次鋼板及軌道鋪設(shè)的長度為80 m，循環(huán)推進(jìn)。為保證盾體空推時，軌道鋼板及軌道順利周轉(zhuǎn)，在盾體前后各布置一個25 t吊車，分別進(jìn)行鋼板及軌道的拆除及安裝，并通過電瓶車實(shí)現(xiàn)鋼板及軌道由盾體后方轉(zhuǎn)移至盾體前方進(jìn)行鋪設(shè)。

5 地基連續(xù)沉降監(jiān)測

5.1 路基檢測

便道路基回填完成后，對地基壓實(shí)度進(jìn)行檢測，檢測頻率為每1 000 m2不少于2處，且不足1 000 m2時應(yīng)檢測2處，必要時可根據(jù)需要增加檢測點(diǎn)，檢測壓實(shí)度≥85%方為合格。

5.2 預(yù)載模擬

(1)預(yù)壓區(qū)

TBM空推前進(jìn)行模擬試壓，對承臺及擋墻進(jìn)行監(jiān)測，判斷對承臺及擋墻的真實(shí)變化。選擇擋墻高度最高、回填高度最高區(qū)域作為預(yù)壓區(qū)，即左線12號承臺和右線12號承臺之間，直接反映承臺位移變化。

(2)預(yù)壓試驗(yàn)

盾體總重量為900 t，托架尺寸為12 m×6 m，選擇900 t混凝土塊進(jìn)行加載，每塊重量為2.5 t，共需要360塊，堆放區(qū)域?yàn)?2 m×6 m，每層可堆放60塊，共6層，高度為4.8 m。

試驗(yàn)前，對左右線12號承臺和擋墻布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，每個承臺分別布設(shè)3個位移和沉降監(jiān)測點(diǎn)，靠近預(yù)壓區(qū)的一側(cè)擋墻各布設(shè)2個位移監(jiān)測點(diǎn)。加載過程采用分級加載分次監(jiān)測，第一次加載300 t，第二次加載600 t，第三次加載900 t，每次加載完成1 h進(jìn)行觀測各測量點(diǎn)的位移，并做好相應(yīng)的記錄；間隔6 h監(jiān)測記錄各監(jiān)測點(diǎn)的位移量，當(dāng)相鄰兩次監(jiān)測沉降位移平均之差不大于1 mm時，方可進(jìn)行后續(xù)加載。預(yù)加載試驗(yàn)如圖3所示。

圖3 預(yù)加載試驗(yàn)

(3)連續(xù)監(jiān)測

為保證TBM過站施工的安全，承臺位移控制值為5 mm，報(bào)警值為3 mm；擋墻位移控制值為10 mm，報(bào)警值為8 mm。盾體過站期間布置連續(xù)監(jiān)測，實(shí)施監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，以便采取相應(yīng)措施施加。

6 TBM過站關(guān)鍵技術(shù)

6.1 盾體過站托架

過站托架采用滾輪式過站托架，其包括方形鋼托架和對稱設(shè)置在鋼托架長邊兩側(cè)的行走機(jī)構(gòu)，在鋼托架上沿著長軸方向設(shè)TBM支撐架；行走機(jī)構(gòu)設(shè)4個，2個1組對稱設(shè)置在鋼托架長邊兩側(cè)。軌道支撐梁由4塊鋼板焊接而成，材質(zhì)為AISI 1015鋼，上部斜板與底板之間夾角為18°；輪組由連接板、固定架、輪子及插銷組成，輪子材料為AISI 1045鋼，輪子通過插銷裝配在固定架下端，固定架與連接板用銷軸連接固定裝配在一起。除行動輪外，增加了彈性平衡裝置，可在混凝土基礎(chǔ)上進(jìn)行滑動，減少設(shè)備在平移過程中的晃動。托架如圖4所示。

圖4 托架

6.2 臺車貝雷架

貝雷架高1.5 m，貝雷架基礎(chǔ)3排一組，貝雷梁6排一組，貝雷梁每跨內(nèi)間隔0.5 m布置一道 20b工字鋼，組中貝雷架橫向間距均為90 cm，以提高貝雷梁的橫向穩(wěn)定性(見圖5)。墩身處，先在墩頂處安裝三拼 30b工字鋼，再繼續(xù)安裝后續(xù)貝雷梁及20b工字鋼?；A(chǔ)采用6 m×1 m×0.34 m條形基礎(chǔ)，其中每個條形基礎(chǔ)頂部預(yù)埋2塊0.8 m×0.8 m×0.02 m鋼板，并安裝609型號鋼支撐，分配梁采用3拼 56b工字鋼，并于頂部沿橫橋向按50 cm間距布置300H型鋼，型鋼架設(shè)于兩端分配梁上。

圖5 高架橋段臺車過站平臺貝雷架實(shí)物

6.3 臺車及電瓶車軌道鋪設(shè)

臺車及電瓶車軌道鋪設(shè)在樁板段主體結(jié)構(gòu)上及高架橋上，臺車及電瓶車軌道用 14槽鋼將軌道固定，槽鋼間距為1 m，電瓶車軌道間距900 mm，臺車軌道間距2 910 mm，為盾構(gòu)組裝調(diào)試及二次始發(fā)做好準(zhǔn)備。

6.4 盾體/臺車過站

6.4.1 盾體過站

利用2個頂推長度為1.2 m的200 t夾軌式千斤頂將頂推滾輪式托架行走，每完成一次頂推，尾部夾軌器向前轉(zhuǎn)移(見圖6)，不斷進(jìn)行頂伸作業(yè)[12]。為防止空推過程中滾輪式托架溜車，千斤頂與襯靴采用鉸接連接且與托架進(jìn)行焊接，使千斤頂既提供推力，又提供拉力。同時，在托架前方根據(jù)單次空推距離放置鐵鞋，可提高安全性。

圖6 夾軌頂推

盾體空推到枕峰山出口位置需進(jìn)行橫向平移到洞口位置，平移方式即:在托架下方滿鋪鋼板，先用千斤頂將盾體提升10 cm，將滾輪下方的鋼軌拆除，并將托架兩側(cè)的防傾斜縱梁拆除，將托架輪子轉(zhuǎn)向90°，再用4臺200 t液壓千斤頂進(jìn)行頂推。

6.4.2 臺車過站

臺車過站采用1號～8號臺車整體過站的方式，連接橋放到電瓶車平板上，兩臺電瓶車同時托運(yùn)8列臺車，并且皮帶機(jī)跟著臺車一起過站。電瓶車和TBM臺車通過在樁板段和高架橋上鋪設(shè)的軌道上行駛，兩臺電瓶車提供牽引力，緩慢地將臺車牽引過站，行進(jìn)過程中皮帶不斷伸長，用皮帶架也應(yīng)隨著臺車不斷安裝加長。

6.5 組裝調(diào)試及二次始發(fā)

盾體及后配套臺車等結(jié)構(gòu)完成過站且平移就位后，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)裝機(jī)調(diào)試[13]，同時完成關(guān)鍵部件/系統(tǒng)維修，為掘進(jìn)下一區(qū)間提前做好儲備。同時，基于后配套臺車平移期間的臺車軌道及電機(jī)車軌道基礎(chǔ)上，按照施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)，滿足長距離施工要求。

7 結(jié)束語

利用該技術(shù)，可在降低施工成本的前提下，保證TBM順利轉(zhuǎn)場，且已建高架橋樁基不發(fā)生塑性破壞，保證樁基安全性和穩(wěn)定性。

(1)通過在山嶺隧道之間搭設(shè)盾體過站平臺和臺車過站平臺，分別在平臺上鋪設(shè)對應(yīng)的軌道，盾體過站配合滾輪式過站托架完成，托架沿著軌道移動，大大提高了TBM過站效率，降低了過站難度。

(2)盾體過站平臺通過回填碎石，承載力好；臺車過站平臺采用混凝土墩臺上方搭設(shè)貝雷架方式，在有高架橋的區(qū)段，直接利用高架橋橋墩作為混凝土墩臺搭設(shè)貝雷架，可降低臺車過站平臺施工難度，減少平臺搭設(shè)成本，提高施工效率。

(3)盾體空推過站托架采用厚鋼板和型鋼連接，可保證其支撐效果，在托架兩側(cè)對稱安裝轉(zhuǎn)向輪組，每個滾輪組可方便安裝千斤頂，通過千斤頂將托架頂升，然后對滾輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)整個托架的轉(zhuǎn)向工作，滿足TBM盾體的長距離過站要求，且能夠適應(yīng)曲線過站。

(4)高架橋區(qū)段的平臺搭設(shè)過程中對已施工的高架橋橋墩進(jìn)行防護(hù)，避免在過站平臺施工過程中對架設(shè)好的高架橋橋墩造成破壞，影響其穩(wěn)定性。