無后置出渣口的盾構分體始發技術研究

（廈門廈工中鐵重型機械有限公司,福建 廈門 361023）

1 工程概況

廈門地鐵2 號線“濕地公園-五緣灣公園”區間的盾構始發井（濕地公園站）縱向長度僅33m,不具備后置出渣口,而CTE6450 土壓平衡盾構整機長86m,無法滿足盾構整機下井組裝的始發要求,同時該站需要一站多發,因此分體始發必須充分計算。

CTE6450 土壓平衡盾構從刀盤到1 號拖車末端為32m,分體始發施工圍繞盾構法施工的5 個關鍵工序：掘進、管片拼裝、渣土吊運、管片吊運、同步注漿,制定最優始發方案,確保盾構分體始發順利完成。兩種方案：①從盾構主機斷開的分體始發；②從盾構1 號拖車斷開的分體始發。

2 盾構分體始發施工方案

2.1 方案一：從主機分體始發

此方案主要包括2 個掘進階段：分體始發階段和正常掘進階段。

2.1.1 分體始發掘進階段

主機完全下井,設備橋及拖車在地面組裝,主機與拖車之間利用延長管線連接信號,動力及耗材傳輸,如圖1 所示。設備始發需要對如下功能進行改造。

1）需要在主機后面加裝一個結構架,將原先設備橋上的二次注漿設備布置在結構架上,利用二次注漿系統進行注漿作業。

2）利用平板車運至結構架,進行管片吊卸,實現管片轉運（圖2）。

3）利用特制矮平板,協助5m3的小渣斗進行螺機對接出渣（圖3）。

圖1 分體始發階段整機布置圖

圖2 注漿和管片吊裝模擬

圖3 電瓶小車接渣示意圖

該始發方案,存在注漿、管片吊運以及出渣的難題,會影響整體施工進度。

2.1.2 正常掘進階段

分體始發階段掘進60m 之后,將主機與1 號拖車之間利用延伸管線拆掉,整機下井組裝,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

此方案主要包括3 個掘進階段：始發階段、分體始發階段和正常掘進階段。

2.2.1 始發階段

主機、設備橋和1 號拖車在始發井內完全組裝,2 號至6 號拖車于地面組裝,1 號拖車與2 號拖車間使用延伸管線進行連接信號,動力及耗材傳輸（圖5）。

設備始發需要對如下功能進行改造：①利用電瓶車直接將渣斗運至螺機出渣口接渣；②設備橋改造,割除設備橋頂部斜撐用于渣土吊裝（圖6）；③利用設備橋改造口進行管片吊運,管片吊機協助管片運輸（圖7）。

該始發方案,存在注漿的難題,會影響整體施工進度。

2.2.2 二次改造始發階段

掘進12.5m 之后,可以對1 號拖車進行改造,將5 號拖車上的皮帶機出渣口改裝到1 號拖車尾部,并復原先設備橋的皮帶機及管片小車；此時可用18m3的渣斗正常出渣（圖8）。

二次改造始發,保障同步注漿、管片吊運、渣土的正常吊運：利用龍門起重機和盾構本身的設備進行。

2.2.3 正常掘進階段

分體始發掘進60m 之后,將2 號拖車與3號拖車之間利用延伸管線拆掉,整機下井正常組裝、掘進,如圖9 所示。進入正常掘進階段,利用盾構本身設備進行管片拼裝、同步注漿、管片吊運、渣土吊運。

圖5 始發階段整機布置圖

圖6 始發階段臨時吊裝口

圖7 管片吊機吊運管片

圖8 1#拖車尾部加裝出渣斗

圖9 整機下井示意圖

2.3 方案比選

2.3.1 經濟性及設備的穩定性分析

最大限度利用盾構原有設備,減少對原有設備的改造,取消不必要的設備添加,兩個方案對比如表1 所示。

表1 兩方案經濟性對比

由表1 可得出結論：方案二延長管線長度為方案一的2/3,成本減少將近1/3,具有明細經濟性優勢。

2.3.2 施工強度分析

方案二只需掘進12.5m 之后,所有工序即可利用盾構本身設備完成,無須借用其它設備,施工強度更低。

2.3.3 施工效率分析

兩方案掘進60m 之后,盾構均可整機下井組裝,正常施工。故只討論前面60m 掘進過程中的施工時間。依據施工經驗做一下假設：①盾構每拼裝1 環,盾構前進量為管片長度L=1.2m,掘進直徑D=6.48m,土體松方系數ξ=1.5,故每環出土量≈60m3；②按施工經驗每環管片拼裝與下井,并進行電線、油管拖拉耗時,需耗時T1=2h；③盾構每環掘進耗時,按照推進速度ν=80mm/min 計算,每環掘進時間T2=0.25h；④渣斗出土速度,1/6h/斗；⑤設備每環維保時間1h。兩方案施工效率對比見表2。

由表2 可以得出結論：從1#拖車始發施工耗時更短,通過對比可知采用方案二可有效提高盾構的掘進效率,并降低成本。

表2 兩方案施工效率對比

3 分體始發臺車布置及延長管線設計計算

3.1 始發方案臺車布置原則

盾構后備套布置及龍門起重機布置,如圖10所示。

圖10 后備套布置及龍門起重機布置

1）臺車布置盡量靠近始發洞門 為了減少延長管線的長度,結合場地需求將方案2#～6#臺車的擺放位置進行了布局設計,2 號臺車應盡量靠近始發洞門,可有效減少延長管線長度。

2)滿足設備一站多發 減少不同始發口臺車與地面之間連接管線長度。

3）出渣效率的綜合分析 充分結合龍門起重機的走向,縮短出碴時間,發揮設備的有效工作時間,保證龍門起重機車橫跨4 個井口,可減少行車行走距離,有效提高吊裝效率。

3.2 始發延長管線計算

圖11 延長管線示意圖

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

3.3 分體臺車間管路壓降計算

3.3.1 液壓管路延長后壓力損失計算

對于高壓管路,局部壓力損失太小不計算,只作延程壓力損失計算

ΔP1=λ(L/d)(ρV2/2)

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

Re為油液雷諾數：Re=Vd/v，其中v為油液運動粘度,mm/s。

液壓油管主要有3 種規格,1 寸、1.5 寸、2 寸,按上述公式,分別代入計算如表3 所示。

表3 3種液壓油管規格

結論：液壓管路由正常情況下加長后的壓力損失不超過3MPa。

3.3.2 液壓管路壓力損失對分體始發階段的影響

結合盾構的液壓管路的壓力浮動值±5MPa,通過與壓降計算3MPa 的對比,本次管路的延長滿足盾構的正常掘進,因此延長盾構的性能和操作性是沒有影響的。

4 結語

綜上分析,受城市始發場地的限制,城市地鐵施工中往往具備整機始發的條件,本文通過對始發方案對比,始發的臺車布置以及管路與壓降計算分析,提高了盾構分體始發的效率。因此,本次研究可為今后一站多發的工程提供借鑒。