盾構洞內拆解技術與吊耳結構優化設計

高元吉/ GAO Yuanji

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000）

盾構法作為隧道工程及地下空間常用的施工技術，廣泛用于鐵路、水利水電工程和城市軌道交通等工程建設[1-2]。隨著我國基礎設備建設的快速發展，越來越多的盾構投入到了國家基礎建設中，而在盾構施工過程中，盾構的拆解是整個施工過程中必要且極為重要的一個施工環節[3-5]。

盾構施工多應用于城市地鐵項目，盾構掘進完成后一般采用地鐵車站吊裝井拆除，即在接收洞室內使用行吊起重機完成盾構接收拆解[6]。但是在一些特殊情況下，無法立即實施吊裝拆除，這會使得盾構在洞內長時間停機[7-8]。

針對上述工況，為了避免盾構長期在洞內停機，減少停機風險和各項經濟損失，經綜合考慮多種因素，本文提出一種盾構洞內拆解技術。在盾構拆機位置使用HW400 型鋼作為吊裝梁代替原行吊起重機拆解方案，盾構盾體進入該區域后，采用型鋼橫梁和手拉葫蘆等配合對盾構進行拆解，然后使用平板車將拆解的各部件逐一運出隧道。

1 工程概況

盾構段長13 796m（含支洞段1 376m+主洞段12 420m），盾構區間開挖直徑為5.5m，采用鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑5.2m，內徑4.5m，管片厚0.35m，環寬1.2m。施工完成后采用接收洞拆機的方式對盾構進行拆解。

盾構拆機位置隧道埋深為129m，地層主要為下石炭統凝灰質砂巖，局部夾石英閃長巖脈。根據開挖后揭露地質情況顯示，該地層圍巖較完整，為Ⅲ類圍巖，洞壁潮濕，無明顯的地下水干擾。本文結合本臺盾構自身特點和到達位置的空間條件，通過制定合理的盾構洞內拆機方法，以有效提高洞內拆機效率，減小洞內拆機風險，減小盾構后期恢復成本。

如表1 所示，盾構刀盤整體重量52t，主驅動重45t，后配套拖車最重為1#拖車45t、2#拖車40t。因刀盤與主驅動重量較重，主驅動密封等關鍵部件易損壞，因此刀盤和主驅動是本次拆除過程中的重難點施工。本文主要圍繞刀盤、主驅動、螺旋機和拼裝機的拆解進行說明。

表1 盾構零部件尺寸重量表

2 盾構拆解技術

施工總流程依據現場實際情況結合盾構拆除經驗總結改進。流程如圖1 所示。

圖1 拆解流程示意圖

2.1 拆解洞吊裝橫梁布置

整機最大吊裝重物為1#臺車，重45t，采用整體吊裝方式。考慮足夠的安全系數和安全余量，吊裝橫梁使用2 道HW400 的型鋼和1 道HW200的型鋼橫跨拆解洞室兩側，吊裝橫梁滿焊焊接至兩側臺階處的預埋件上。在洞壁兩側預埋鋼板，焊接斜支撐，減少吊裝橫梁形變。盾構拆卸洞斷面尺寸高13.649m，寬9.4m，安裝型鋼處內寬12.4m。型鋼安裝基礎0.5m，寬1.5m。在基礎部分做預埋件，預埋件尺寸1.5m×1m，預埋件焊接60cm?12mm 錨筋，頭部彎50mm 的彎鉤，與混凝土梁鋼筋相接，預埋件使用30mm 厚鋼板制作，焊接錨筋規格為?12mm 螺紋鋼。預埋件用于焊接400 工字鋼支撐，共安裝3 道型剛。盾構出口處布置接收拖架。

2.2 主機拆除

2.2.1 刀盤拆除

由于本工程屬于接收洞拆解盾構，且刀盤裝機時即為3 分塊，考慮現場吊裝施工安全和12.9%大坡度運輸安全，刀盤拆解時分3 分塊進行吊裝拉運，因此本方案提出以下拆除方法：斷電前將刀盤旋轉至上、中、下3 分塊正面位置；使用20t 手拉葫蘆將上分塊預拉緊；使用型鋼，將刀盤中、下分塊焊接到前盾土倉隔板上，防止轉動；使用氣刨將上分塊進行刨除；使用氣焊將上分塊刀盤螺栓連接鋼筋割除；拆除刀盤上分塊螺栓，預先對上分塊刀盤用手拉葫蘆進行前后方向的固定。預留2 顆螺栓暫不拆除，觀察各處手拉葫蘆狀態，使其拉緊，然后再拆除螺栓；刀盤螺栓拆除完成之后，松開固定的手拉葫蘆，使用型梁將刀盤上分塊吊出，將刀盤上分塊翻身裝車運出；使用同樣的拆解方式拆解刀盤中下分塊。

刀盤的具體吊裝吊點布置情況如圖2 所示。刀盤翻身時使用4 個吊點，翻身型梁處布置2 個20t 的手拉葫蘆，對刀盤每分塊底部吊耳起吊，配合進行翻身。在翻身過程中，最少仍有2 個20t手拉葫蘆進行作業，每個手拉葫蘆承重10t，受力滿足要求。

圖2 刀盤吊裝吊點布置圖

2.2.2 螺旋機拆除

螺旋機總重約28t，總長約13 000mm。其中前部筒體約7t，長度約5 000mm，后部筒體約21t，長度約8 000mm。在中盾盾殼兩側焊接頂推支座，頂推支座的位置在左右兩側和接收架的頂推支座對應。通過螺旋機伸縮油缸將螺旋軸縮回，縮回行程要求不小于600mm；關閉防涌門；拆除螺旋機尾部上下閘門；在中盾H 架上布置吊耳，并通過手拉葫蘆連接固定在螺旋機中部吊耳上；人倉下方吊耳處固定一個10t 的手拉葫蘆連接至螺旋機頭部吊耳；拼裝機行走梁固定2 個10t 的葫蘆連接螺旋機兩側的吊耳；拆卸固定裝置上的連接螺栓及銷軸，并將連接板與下固定支座進行分離，拆卸后的緊固件、銷軸等需妥善保存；軌道延伸至管片安裝機位置，提前備用兩臺管片小車，在小車上擺好事先準備好的拆除工裝，推至前部并固定（管片小車總高度至少和管片安裝機旋轉軌道下部內邊沿的高度相同)，待輸送機抽出后存放。拆卸螺旋輸送機與前盾的聯接螺栓，拆解螺旋輸送機與中盾的連接拉桿，放長吊鏈，同時葫蘆緩慢提升，使螺旋輸送機沿傾斜方向緩慢上移。2 個10t 的倒鏈掛在管片安裝機梁上用來倒換鋼絲繩，在人員倉下面的吊耳處掛一個10t 倒鏈。倒鏈依次更換傾斜后移至螺旋輸送機能夠抽出盾體。

2.2.3 拼裝機與行走梁

檢查管片安裝機油管拆卸及封堵情況，準備管片安裝機固定支架，拆除前后移動油缸銷軸將油缸固定，用型梁將管片安裝機掛好并將葫蘆微微起吊，用2 個倒鏈向后移動，導向輪退出后起吊，利用型梁配合翻身后裝車運出，型梁掛好軌道梁并預拉緊，用液壓扭力扳手及氣動扳手拆卸軌道梁與H架的連接螺栓，最后起吊軌道梁裝車。

2.2.4 主驅動拆除

主驅動是由6 個250kW 的變頻電機驅動，屬于中間支撐。拆除主驅動液壓管路，管路及接口用堵頭進行密封后再進行包裹；拆除主驅動減速機和電機利用型梁吊至地面并裝車運至洞外；為了方便吊運，先拆除1#和6#驅動電機，再拆除2#、5#和3#、4#驅動電機。拆除和吊運過程中，注意保護減速機齒輪；用蓋板密封主驅動孔；拆掉主驅動與盾體中心圓環連接螺柱；拆除螺柱需先割除螺柱保護罩，上下左右每個分區需預留2 顆螺柱不動，使用20t 葫蘆將主驅動預拉緊后，再拆除預留螺柱。邊拆除邊拉緊，直至主驅動脫離前盾。在地面放置300mm×300mm方木，用于主驅動翻身。使用型梁將主驅動吊運至地面方木上，之后更換吊耳配合翻身門架將主驅動翻身。

主驅動翻身時翻身型梁使用2 個20t 的手拉葫蘆，配合型梁吊鉤進行翻身作業，共計4 個對稱吊點。在翻身過程中，有2 個20t 手拉葫蘆進行作業，每個手拉葫蘆承重15t；2 個吊鉤進行作業，每個吊鉤承重15t，受力滿足要求。

3 拆除過程中吊耳結構的強度校核

盾構拆機過程中需要使用吊耳進行吊運，主機部分最大重量為刀盤52t，其余較大部件重量都在20t以上，因此在拆機過程中上述部件的起吊、搬運對于吊耳的要求及其嚴格，是拆機成敗的關鍵。因此特對拆機時使用的吊耳進行單獨力學分析，使得吊耳設計更加合理，使用更加安全。本工程使用吊耳預計單個吊點承載力為200kN（20t），其結構如圖3 所示。

圖3 吊耳設計圖

吊耳焊接使用111 焊條電弧焊或者135（MAG）熔化電極非惰性氣體保護焊，吊耳呈K 形坡口角度45°，鈍邊為2～3mm，焊縫寬度30mm 堆焊，焊縫長度182mm。

3.1 拉應力計算

拉應力強度計算公式為

其中，P為吊耳承受的外力；S為最薄弱截面面積，S=5160mm2；[σb]為耳孔壁許用正應力，鋼材采用Q345B低合金高強度鋼，[σb]=223.3MPa。

計算得到拉應力強度σb=38.76MPa，安全系數為6.01。根據GB/T3811-2008《起重機設計規范》，起重類構件安全系數取1.48，本案例安全系數充足。

3.2 剪切應力計算

剪切應力強度計算公式為

其中，R為吊耳的外圓半徑；r為吊耳孔的半徑；δ為吊耳板母材板厚；[τ]為許用剪切應力，[τ]=134.7MPa。

求解得到剪切應力強度為τ=77.5MPa，安全系數為1.73，滿足使用要求。

3.3 局部擠壓應力計算

局部擠壓應力強度計算公式為

其中，[σc]為許用擠壓應力，[σc]=312.6MPa。

求解得到局部擠壓應力強度為σc=95.24MPa，安全系數為3.28，滿足使用要求。

3.4 焊接強度應力計算

焊接強度計算公式為

其中，K為動載系數，K=1.1；L為焊縫長度；[σh]為對接焊縫的縱向抗壓、抗拉許用應力，[σh]=0.8[σb]=178.6MPa。

求解得到焊接強度為σh=40.3MPa，安全系數為4.43，滿足使用要求。

由于現場實際情況較為復雜，為保證人員安全與設備安全，本方案通過以上計算選擇的吊耳板厚至少40mm 及以上。其中吊裝主驅動吊耳為50mm，刀盤及盾體分塊為50mm。

4 結論

本文結合實際項目隧道特點，對使用的土壓平衡盾構主體部分拆解方案進行了詳細分析，對施工過程中吊耳進行了承載能力校核，結果表明各部件強度能夠滿足施工需求，并基于盾構分塊設計，通過設計專用拆機工裝、采取合適的地層及刀盤加固措施，在擴大洞室內使用型鋼進行盾構拆解作業，最大程度的保留盾構相關部件的完整性，縮短工期，減少經濟損失。大大減少了拆機過程中的設備投入成本、提高了施工效益，安全高效地完成了拆解任務，施工方案能夠為今后類似工程施工提供參考依據。