在控制上下重疊盾構隧道施工變形中鋼拱頂滾輪臺車技術運用研究

代竟，李林，李能棟，楊先彬，蔣忠全，洪濤

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518000）

1 工程概況

天津地鐵5號、6號線文化中心部分1標位于南開區與河西區交界處，盾構區間概況見圖1所示。區間重疊隧道結構形式見圖2所示。

圖1 盾構區間概況示意圖

在盾構施工過程中，隨著盾構機的掘進，周圍土體產生變化，使地面、建筑物隨之變形。

本標段4個區間疊線段隧道總長約為3488m，將近占區間總長度7734m的一半。

圖2 重疊隧道關系圖

2 區間重疊隧道受力分析

在重疊上面隧道施工期間的下面隧道工況分析，所受載荷最大載荷為盾構機掘進時，盾構機中部工況。本標段重疊隧道之間的距離都小于掘進機的二倍的距離，按全土壓進行計算：巖土容重：γ=20．2kN/m3，盾構機自重390T。經過計算重疊隧道下隧道均布載荷壓應力為281kPa。

3 鋼拱頂滾輪臺車設計

根據下方隧道受力計算，標準普通管片無法滿足受力要求。對于全鋼結構支撐情況下，下方隧道需要停止施工，嚴重影響工期，鋼結構支撐洞內裝拆難度極大

鋼拱頂滾輪臺車支撐方案：通過行走油缸推進，使鋼拱頂滾輪臺車隨盾構機掘進而同行，并保持一定的同步性，在盾構機前、后端盾構機主機長度同具有支撐故鋼拱頂滾輪臺車為3倍盾構機主機長度。同時，不影響下方隧道施工，臺車加工成門架型（圖4），方便管片運輸、出碴。

（1）在隧道斷面上半部設計有5個液壓支撐滾輪油缸，均勻分布。

（2）左、右兩邊水平支撐滾輪油缸在隧道的水平線上，有效地避開了隧道通風管、水、污、電、照明、走道系統。

（3）鋼拱頂滾輪臺車每組門架支撐的間距與管片寬度相同。鋼拱頂滾輪臺車單節長度6米。

（4）單節鋼拱頂滾輪臺車的下縱梁處之間，在用左、右2組4根交接推力油缸連接。

（5）立柱之間用×字穩定鋼結構連接。拱頂門架上部，用兩根橫梁連接組成一個作業平臺。

（6）支撐油缸與兩組4個滾輪采用活動鉸接，以適應隧道轉彎與起伏。

（7）兩組4個滾輪必須跨越管片縫，避開螺栓的手孔位置。

（8）剛性滾輪外層為聚酯橡膠，防止在受力滾動中撞擊而損壞管片。

（9）每節鋼拱頂滾輪臺車一個獨立的液壓站，同一方向油缸一個控制閥，便于隨時根據外力變化進行調整。每組操作閥上安裝液壓表，及時發現壓力的變化。

（10）末節鋼拱頂滾輪臺車的主推油缸，支撐在鋼軌上，采用卡規鎖死的方式。

圖3 鋼拱頂滾輪臺車

特點是對已完成的隧道進行保護，防止因其他外力作用下，隧道變形、發生崩裂或坍塌。同時，根據外力的變化，可以進行預先調整其被受力支撐滾輪的力量大小，支撐隧道壁，保持受力平衡，并根據外力移動速度大小，平穩地沿隧道縱向移動滾輪支撐臺車。

根據鋼拱頂滾輪臺車的使用情況，鋼拱頂滾輪臺車在下洞支撐時，所頂支架臺車頂部受力最大。鋼拱頂滾輪臺車上頂油缸、側向油缸、支撐門架及管片隧道面形成一個支撐的空間，其間的水泥管片是固體剛性結構狀態。

4 滾輪受力分析

4.1 拱頂門架

當拱頂門架臺車為支撐狀態時，側向構件油缸只受水平方向上的受力，且左右平衡分解相等，主要的壓力為上部的正壓力（如4圖）。

圖4 鋼拱頂滾輪臺車門架受力圖

當支撐水泥管片時，拱頂門架要承受頂部管片的重力，而側部不受水泥管片重力，這時候，管片的重力計算如下：

G=pvg

=2．45×103×9．8×(3．1-2．75)×3．14×120° ×2/360°×6

=2932kN

盾構機前部盾頭為最重，前盾總重量為230T，計2300kN。

故：鋼拱頂滾輪臺車總承受力為

2932+2300=5232kN

4.2 重要部件與零件受力計算

拱頂支架臺車每6米為4榀弓骨架，8件立柱。且均為雙腹板焊接：

N=F/n=5232/8=654kN

δ=[N/S]=654×103/0．32 =7266666N ≈ 7．3MPa

而[δs]=235MPa材料為Q235-B碳素結構鋼

δ＜[δS]，故滿足強度條件。

4.3 零件截面積為500×300雙腹板

F=150kN

δ=F/S

=150×103/3×0．012+(0．012×0．476×2)

=3．2×106Pa

=3．2MPa

而[δs]=235MPa材料為Q235-B碳素結構鋼

δ＜[δS]，故滿足強度條件。

5 鋼拱頂滾輪臺車安裝

5.1 鋼軌鋪設

（1）軌枕。軌枕高度為200mm，采用工字鋼或H鋼制做弧形。一端定隧道運輸系統內弧形軌枕，并用螺栓連接形成一個整體，鋪設后固定軌枕防止側滑。

（2）鋼軌。鋼軌型號50kg/m（高度152mm），要求側彎≤10mm/12．5m，如果側彎過大，臺車行走時輪緣會卡住鋼軌并向側向擠壓移位，引起鋼軌中心偏差增大，并可能造成脫軌。對應與底板標高施工誤差，鋼軌鋪設后要求軌面標高誤差≤±10mm，且臺車行走輪處（四點）軌面平面度不得超過10mm，否則，可能造成行走困難。

（3）鋼軌連接。每兩條鋼軌連接處下方必須設置軌枕，連接頭間隙不得大于5mm，連接頭錯臺不得大于2mm，否則，可能造成臺車行走輪無法逾越接頭。每兩條鋼軌連接處下方必須設置軌枕，連接頭間隙不得大于5mm，連接頭錯臺不得大于2mm，否則，可能造成臺車行走輪無法逾越接頭。

5.2 鋼拱頂滾輪臺車安裝

鋼拱頂滾輪臺車在空曠地面的進口進行單節拼裝。

（1）在地面上放2條鋼軌，先將行走輪與下縱梁連接，并放至在軌道上，用三角支撐進行固定，防止倒塌。

（2）立柱與∩梁連接成拱形門架，并吊裝上在下縱梁上。

（3）用縱向橫梁、×字架連接拱形門架。

（4）支撐油缸與滾輪連接成滾輪組，安裝在拱形門架上。注意油缸行程為零，采用加裝臨時支撐固定塊，防止滾輪組在吊裝過程中晃動。

（5）單組鋼拱頂滾輪臺車從井口調入車站內，由電瓶車牽引至洞內。

（6）安裝每節之間的推力油缸，以及主推油缸。并調試液壓系統。

（7）操作手動換向閥手柄，調整左右水平支撐油缸調整支撐臺車的位置，使鋼拱頂滾輪臺車的中心線與隧道中心線對齊。

（8）操作手動換向閥手柄，使推力油缸平移。調整滾輪支撐臺車使管片縫在單組滾輪的中間。嚴禁滾輪壓住管片連接縫。

（9）操作手動換向閥手柄，使側向油缸撐出，同時，調節節流閥，滾輪至預定位置。注意觀察每組支撐油缸的壓力表。

（10）夾緊卡軌器，將基礎千斤頂撐于鋼軌上并旋緊頂。啟動電機，操作所有動作檢查是否順暢。

6 監測重點和內容

據本工程線路的特點及施工過程中相互影響程度，在實驗段選取10個典型斷面進行監測，每個斷面連續監測兩環管片，監測范圍取典型斷面前后50m。先行隧道施工至典型斷面時首先取得初始值，后行隧道通過典型斷面時，對管片的受力、位移及地表變形情況進行監測，特別對重疊隧道的受力及變形情況進行加密監測。

（1）地面監測點布置均需要進行開孔處理，即在地面用水鉆開取直徑120mm的孔，將地面硬殼破除，再將鋼筋植入原土層中，其頂部低于地面5cm。

（2）管線測點布置在線路中線10m范圍內的地下管線（然氣、給水、污水、雨水）上每隔15～30m左右布設一個沉降監測點（根據管線與隧道位置關系定布點間距），管線與隧道平行距離較近時，將管線與地表沉降監測點共用。

（3）建筑物沉降傾斜監測：根據隧道掘進對周邊建筑物的影響范圍，沉降、傾斜觀測點的布設應能全面反映建筑物地基變形特征，結合我區間建筑結構特點，點位宜選設在下列位置，建筑物的四角、核心筒四角、大轉角處及沿外墻直線邊位于主要影響區時10～15m，或每隔2根承重柱布設1個監測點；位于次要影響區時，監測點沿外墻間距15～30m，或每隔2～3根承重柱布設1個監測點。

（4）管片應力監測：測點布置管片混凝土澆筑前，在管片上安裝8個鋼筋應力計，共四個位置，每個位置安裝2個鋼筋應力，與隧道鉛垂線相交成45°。

（5）管片環縫應變監測：測點布置管片拼裝完成后，并保證后配套全部脫離管片后，在管片內側安裝4片光纖光柵傳感器，傳感器安裝時，避開封頂安裝。

（6）鋼拱頂滾輪臺車支撐軸力監測：鋼拱頂滾輪臺車撐腿上安裝光纖光柵傳感器，鋼拱頂滾輪臺車共計10拼，每隔一品布設一組傳感器，一組傳感器為5個測點，傳感器布設如下圖所示。光纖光柵傳感器安裝采用焊接方式，在撐腿的伸縮油缸處焊接光纖光柵傳感器。采用光纖光柵解調儀進行數據采集。

盾構施工過程中，隨著盾構的掘進，周圍土體產生變化，使地面、建筑物隨之變形以及隧道的變形。如發現地面及建筑物沉降加速或差異沉降（傾斜）顯著時，應及時向施工方及監理方報警，采取相應措施，如加固、調整施工參數或控制施工進度，做到以監測信息指導施工，確保施工安全。

7 鋼拱頂滾輪臺車支撐

鋼拱頂滾輪臺車進入受力區之前，要對隧道進行一次全面的檢查。對隧道的管片已形成的錯臺，裂紋進行修補。防止鋼拱頂滾輪臺車受力通過時，裂紋加大，使之管片破碎，照成隧道風險。

根據上隧道掘進情況決定是否需要加力。當上隧道即將進入受力區，提前啟動電機，對隧道壁進行預先加力盾構掘進參數必須保持一個恒定值，嚴防推力過大。

盾構機掘進時，時刻觀察鋼拱頂滾輪臺車每組液壓系統壓力表、每組支撐油缸壓力表的數字變化，以及光纖光柵解調儀的數據變化。當出現變化時，及時調整壓力，保持支撐力。如出現突然波動較大，馬上查找原因及時解決。

8 鋼拱頂滾輪臺車行走

盾構機操作室與鋼拱頂滾輪臺車移動操作者一定保持聯絡暢通，統一由監控室進行指揮，確保盾構與隧道安全的情況下進行。

（1）鋼拱頂滾輪臺車移動必須是盾構機非掘進狀態下，例如，管片拼裝時。

（2）首先，松開基礎千斤，查看每組支撐滾輪油缸的壓力表，是否有變化。如果發現壓力值有波動，必須進行壓力補償，保證支撐力，馬上查找原因及時解決

（3）每節鋼拱頂滾輪臺車從最前端開始移動，分步進行。每次移動的距離小于每節鋼拱頂滾輪臺車之間推力油缸最大行程。

（4）在隧道曲線上，注意控制左、右油缸的力度大小。防止轉彎過大，使單邊滾輪受力過大，鋼拱頂滾輪臺車被卡和損壞管片。

（5）鋼拱頂滾輪臺車移動完成的距離為管片寬度的整數倍，滾輪支撐點選擇避開管片連接縫、手孔螺栓位置。

（6）鋼拱頂滾輪臺車推力前行時，滾輪上支撐力不能卸力前行。

（7）鋼拱頂滾輪臺車行走前，一定要松開卡軌器，鋼拱頂滾輪臺車即可行走。

（8）鋼拱頂滾輪臺車行走完成，一定要旋緊卡軌器，放下基礎千斤并旋緊。

（9）盾構機進入重疊段時一定要平穩、連續，嚴格控制其姿態。如果需要調整盾構機姿態，避免糾偏過大。

（10）每班交接必須將盾構機的參數，鋼拱頂滾輪臺車的液壓表參數、光纖光柵解調儀數據進行登記交接，并進行比較分析、總結。

9 結語

通過在重疊隧道中的下隧道架設鋼拱頂滾輪臺車，能使下隧道收斂變化值相對較小，基本控制在2mm之內，完全達到保護下隧道的安全，值得推廣運用。