盾构平移过站施工探索.docx
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盾构平移过站施工探索
盾构平移过站施工探索
王铁1漆世虎2
（上海市第一市政工程有限公司，上海，201906）
【摘要】上海市轨道交通7号线12B标（长清路站~耀华路站区间）隧道工程，下行线盾构需要穿越轨道交通13号线的联络通道，该联络通道100米长，因此，下行线盾构在推进过程中，需要在联络线处增加一次进出洞，且盾构平移过站100米。
由于本区间是整个轨道交通7号线最后一个区间隧道，它关系到整个7号线的贯通节点，工期非常紧张，所以，怎样能够提高过站速度、降低施工成本成为本篇论文的研究重点。
以该工程为例，我们探讨一下盾构过站施工工艺。
【关键词】轨道交通盾构过站贝雷片动力系统反力架
引言
发展城市快速轨道交通，建设地铁与轻轨，是国际大城市解决城市交通问题的一个根本出路，这一点已经取得世界共识。
上海作为全国最早一批拥有轨道交通的城市之一，在以往的轨道交通线路建设中，积累了丰富的先进科学施工技术，如穿越既有轨道线路、重要河道、邻近房屋建筑、下穿交通要道等“风险点”工程以及实施明挖法、盖挖法、铺盖法、浅埋暗挖法、盾构法等施工方法，还是有盾构平移过站等特殊的施工工艺。
该工程盾构法隧道施工中，下行线盾构在推进201环后需穿越长100米的轨道交通13号线联络线，需要将盾构平移过站。
我们针对过站难点进行技术攻关，利用“贝雷片”搭设车架平台、自行研制基座走轮、完善反力架与动力系统等多种创新技术手段，该过站施工工艺的应用创造了5天完成盾构平移过站100米的新纪录，更在确保工程安全质量的同时为轨交七号线全线贯通提供了工期保障。
本文结合上海市轨道交通七号线12B标（长清路站至耀华路站）区间隧道工程实践，探讨盾构评议过站的施工技术，希望本文对以后的类似盾构施工有一定借鉴。
1、工程概况
上海轨道交通七号线从宝山区外环路、陈太路起，途径宝山区、静安区、普陀区、徐汇区和浦东新区，线路全长约35km，共设29座车站。
长清路站～耀华路站区间隧道工程是上海轨道交通七号线工程的一个重要组成部分。
此区间共分为上行线和下行线各一条，其中下行线盾构于长清路东端头井出洞，沿耀华路站向东推进201环后穿越轨道交通13号线联络线，于联络线东段头井出洞最后在耀华路站西端头井进洞。
（如下图）
图1：
盾构过站平面示意图
轨道交通7号线与13号线在此区间上下斜穿，其中13号线联络线只是起到2条线的连通作用而并非换乘的车站。
在盾构过站时，联络线主体结构刚建成，其他结构还未施工，因此其底板标高与坡度均未达到最终设计要求：
实际联络线进洞洞圈底距结构底板约1.1米（设计为0.655米）；联络线东端头50米底板不平且坡度为13‰，西端头50米底板为-8‰（设计100米坡度为-8‰）。
此次需要平移过站的盾构为日本三菱Φ6340铰接式土压平衡盾构，其弊病为盾构自身重量大，多达七节车架，故此次平移过站需克服更大的摩阻力，搭设更牢固的车架平台。
此区间为轨道交通7号线最后一个贯通区间，本工程的工期直接影响轨交七号线的最终贯通，同时7号线作为“世博”专线，保证年底全线贯通更是意义非凡。
因此我们要在确保安全和工程质量的前提下，最大限度的加快盾构平移过站的速度。
图2：
盾构过站联络线底板平面示意图
2、现场调研
从工程的实际出发，通过对13号线联络站调查以及对盾构机本身的仔细研究，发现本次过站存在如下难点：
难点一：
空间狭窄，盾构过站的动力设备实施起来较为困难。
13号线联络线进洞洞圈距底板实测高差1100mm，联络线工作井进洞处隧道中心标高-12.118m，实测结构底板标高为-16.871m；出洞处隧道中心标高-13.136m，实测井底标高为-17.112m。
车站内的净空尺寸最小为东侧出洞处宽×高：
8000mm×7640mm。
如此狭小的空间，给盾构过站施工带来了很大的难度。
图3：
盾构过站联络线剖面示意图
难点二：
由于本次盾构过站采用三菱“珠海号”盾构机，该盾构机原先是用在深圳地铁隧道，而深圳地铁隧道直径比上海的小，只有Φ6200mm，所以该盾构用在上海地铁隧道施工中是需要经过改装后才可以使用的。
因此，在原有盾构机外壳的基础上又包了一层外壳，使盾构机直径达到Φ6340，这样使得盾构机自重较大，盾构主机重量约330.5×103Kg,其余部件158.3×103Kg，加上该盾构机有七节车架，而“863”盾构总重量约为250×103Kg，为5节车架。
所以此次过站盾构自重大、车架长，平移需要的动力要求大，因此首先需要解决如何克服平移时的摩擦力问题。
盾构机及车架参数：
盾构主机直径Φ6340；长度8520mm（包括螺旋机总长12610mm），如下表：
表1：
盾构主要部件尺寸重量表
序号
设备名称
外形尺寸（mm）
重量（吨）
数量
1
刀盘
Φ6340*1257
35
1
2
切口环（上）（下）
Φ6340*2880
33+35
2
3
刀盘驱动
4492*3972
82
1
4
支撑环（上）（下）
Φ6340*3630
45+45
2
5
盾尾（上）（下）
Φ6340*2850
8+8
2
6
拼装机
Φ4500*1811
10.5
1
7
拼装平台
7614*4740*1850
9
1
8
螺旋机
Φ1310*12394
20
1
9
过渡走廊
13721*1340*823
2.6
1
10
牵引杆
13721*Φ330*
1
1
11
双梁行走机构
1260*670*595
0.6
2
12
单梁行走机构
1260*670*595
0.6
1
13
单梁
11000*585*200
1.7
1
14
双梁
17150*560*140
1.8
2
15
皮带机支架
14925*2910*750
6.7
1
16
皮带输送机
7350*950*550
1.5*5
5
17
1号车架
17150*560*140
18
1
18
2、3、4、5、6、7号车架
6705*3180*3600
19+21+20+21+20+15
6
难点三：
盾构过站平台搭设难度高。
13号线联络站底板至洞圈底部1100mm，而常规盾构进出洞底板至洞圈底部的距离为655mm，增加的445mm的深度给盾构过站的车架平台搭设增加了难度，同时高度增加，平台的稳定性较差，这不单给过站施工带来困难，也为日后盾构继续推进施工中电机车的运行带来风险。
通过分析，本次盾构过站有如上三个实际的难点，但是，本次过站最根本的难点在于，业主给的工期短，只有20天。
在这20天内，要顺利的完成盾构的进洞、100米过站以及盾构的出洞，这个时间仅仅是以往盾构过站所需要的时间，如何提高盾构平移过站的速度是本次盾构平移过站施工的最大难点。
3、难点控制及解决措施
3.1、对难点进行分析
根据以上盾构过站的难点，项经部人员通过对本次盾构过站的种种因素进行详细的分析，运用了因果分析图，通过对工艺、人员、环境、设备、材料以及工期等方面进行系统地分析，制订了一个总的盾构过站指导思想：
首先，盾构机主体与车架不能分开，必须一起平移，且盾构机保持正常运转状态，这样盾构机的千斤顶，单双梁都可以应用到过站当中；其次，盾构机过站的牵引力必须减小；最后，盾构机过站的车架平台必须搭设简便而且要非常的牢固。
基于这三点考虑，最终确定影响此次平移过站的各种因素。
如下表：
表2：
影响盾构过站施工的因素表
3.2、难点解决措施
在确定影响盾构过站的因素后，根据实际施工情况制定相应的对策，如表下：
表3：
盾构过站难点以及控制对策分析表
序号
难点
对策
措施
1
盾构自重大
将滑动摩擦转化为滚动摩擦
在标准盾构接收基座下安装走轮
2
过站空间狭窄，盾构过站动力设备实施困难
改进过站动力系统
将盾构千斤顶顶力转化为过站动力，减少辅助设备所占空间
3
车架平台搭设不牢固
利用贝类片搭设车架平台
4块“贝雷片”组成一段车架平台，用钢板固定
措施一：
对标准的盾构接收基座进行改装
根据工程实际分析，如需克服盾构自重产生的摩阻力，最有效的方法就是将滑动摩擦力转化为滚动摩擦力。
通过多次探讨决定将原有标准的接收基座进行改装，在基座下安装10组走轮，将盾构过站的滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，减小盾构过站所需要的的动力。
根据13号线联络线东西两个洞圈位置和基座结构形式，在车站内铺设了2条50kg/m的轨道，2条轨道的平面精度差控制在5mm以内，整个基座就安放在轨道上。
2根轨道底部分别垫在3cm厚的钢板上，钢板宽35cm，并用槽钢将钢板连接固定在底板上。
这样本次盾构过站的轨道以及盾构基座安装完毕。
以往盾构过站采用基座下满铺钢板，基座与钢板之间为滑动摩擦，由卷扬机作为盾构的牵引动力，这样盾构过站的摩阻力非常大，而且轴线较为难控制，而此次平移过站后盾构还将满足接下来的出洞条件，采用改装过的盾构基座，只需要将基座轨道的标高和轴线定位准确，那么盾构机过站后就一定满足盾构出洞的条件，同时摩阻力大大减少。
图4：
盾构过站轨道及盾构基座示意图
措施二：
解决平移过站的动力问题
因盾构过站安装了10组滚轮，将滑动摩擦力转化为滚动摩擦力，所以根据经验取综合滚动摩擦系数为μ=0.1，则本次盾构过站需要动力：
F滚=（m1+m2）gμ=488.8×103×9.8×0.1=478（KN），而单根千斤顶的最大顶力为1068KN，所以利用盾构自身的单根千斤顶就能提供盾构过站所需要的动力。
所以，本次盾构过站不采用卷扬机等作为动力设备，而是采用盾构机本身的千斤顶作为动力系统，通过自行设计的“反力架”将千斤顶顶力传至盾构过站轨道上，很好的解决了过站的动力问题。
这样既节约了盾构过站的费用，又提高了盾构过站的速度。
但是该方案是在对整个盾构平移的总思想指引下才能完成的，如果其中任意哪个环节不能满足，则该动力系统的方案就不可能实施。
由于工程中的实际情况不够理想，实际盾构平移过站中，千斤顶最大顶力为920KN，而不是利用经验系数计算出的478KN，但是单根千斤顶的顶力仍然满足盾构过站的动力需求。
图5：
盾构过站反力架系统示意图
措施三：
优化车架平台系统
在以往的盾构平移案例中，都是将车架与盾构拆开后单独平移，并且搭设的车架平台只用于平移车架。
考虑到此次平移后的车架平台还将用于日后推进施工中电机车的运行，因此必须对车架平台进行改进。
通过对工程的实地考察分析，最后决定用“贝雷片”搭设车架平台。
考虑到搭设平台的简易、牢固，用4块“贝雷片”沿平移方向平行搭设一段平台，累计搭设100米。
在搭设该平台之前，将盾构过站的联络线底板标高浇注至与洞圈相差655的标高（因为日后该底板还要浇注垫层，所以本次浇注的混凝土不会增加工程的总造价），该655mm的高差刚好满足用“贝雷片”搭设的盾构过站车架平台，平台搭设材料从下到上依次为：
高1680mm的“贝雷片”、20＃轨枕以及车架轨道，搭设高度为2040mm。
这样的车架平台搭设方案使得盾构车架可以平缓地从隧道平移至过站车架平台上，确保盾构过站施工的顺利进行。
同时也为日后盾构继续推进中，电机车的安全运行奠定了基础。
4、过站效果分析
4.1、过站成果
通过周密部署、严格施工，此次盾构平移过站从2008年9月22日开始，至2008年9月26日结束，共用时5天时间，创造了盾构过站100米的新记录。
盾构最终姿态满足后期出洞条件验收要求，达到了预期目标。
在此次盾构过站中，对标准盾构接收基座进行改进、在基座地步增设走轮后将以往盾构平移的滑动摩擦力转化为滚动摩擦力、自行研发了盾构过站反力撑以及过站连接板、利用盾构自身的千斤顶顶力将盾构平移过站、利用“贝雷片”搭设的车架平台等技术创新，在盾构过站施工中得到了充分的验证，这些创新也为本此次盾构过站施工取得圆满的成功提供了最基本的技术保障。
4.2、经济效益
通过项经部成员的共同努力，各项制定的措施得到了充分的实施，使原计划15天完成的盾构过站的工期缩短至5天，取得了良好的效果，同时也获得了较好的经济效益。
按照正常的盾构平移施工技术，此次过站工期约为20天，且需要的人工费用约为20万，而此次创纪录的盾构过站施工只用时5天，实际过站人工费用约为10万。
（此处费用包括过站的前期准备发生的人工费）
以往的盾构过站需将盾构与车架拆开后单独平移且还需保养调试，其费用为25万，而此次过站将盾构与车架整体平移过站，无需盾构的重新安装调试费用；
用钢管、工字钢、槽钢等搭设100米车架平台和改装接收基座需耗资材料与人工费用高达35万，而本次过站租赁“贝雷片”只耗资15万即能完成车架平台的搭设；
如采用卷扬机等动力设备将盾构平移过站需耗资设备与人工费用20万，合理利用盾构自身千斤顶顶力，需耗资设备与人工费用约为10万。
因此，改进后的过站施工给项目带来的直接经济效益约为43万元。
表3：
盾构过站经济效益分析表
费用费用
项目
以往过站费用（万）
实际过站费用（万）
经济效益
（万）
人工费用
20
10
10
盾构拆除、安装以及盾构调试
25
0
25
搭设车架平台与基座改装
35
35
0
卷扬机等动力设备
10
2
8
总计
90
47
43
4.3、社会效益
本次盾构过站施工，由于关系到整个轨道交通7号线年底全部贯通的大节点，而且作为“世博”专线，更是意义非凡。
所以业主制定的工期非常短，盾构进洞、100米平移过站以及盾构出洞，只有20天的时间，这个时间是以往盾构过站所需要的时间，而本次过站，业主只给20天，还要顺利的完成盾构的进洞、100米过站以及盾构的出洞，按照以往案例，这简直是不可能完成的任务。
但是项经部通过技术创新，就完成了这样的奇迹。
通过对过站难点的技术攻关，此次过站施工只用时5天便顺利完成，而且盾构的进洞、100米过站以及盾构的出洞仅用了14天，比业主制定的20天完成的计划还提前了6天。
项经部不但出色地完成了施工任务，亦创造了上海乃至全国盾构过站上的一项新纪录。
5、结论
项经部对“M7线12B标长清路站~耀华路站区间隧道下行线盾构穿越13号线联络站”施工难点进行了认真的调查、分析、研究和总结，部分技术攻关的研究为本次过站的圆满成功提供了强大的技术支持，本次的过站施工可以为今后类似的盾构施工提供借鉴。
1、盾构过站施工中，盾构机主体与车架不能分开，必须一起平移，且盾构机保持正常运转状态，这样盾构机的千斤顶，单双梁都可以应用到过站当中；
2、盾构机过站的牵引力必须减小，这样才能考虑应用盾构机本身的千斤顶；
3、对于结构复杂、质量较大的盾构机随着盾构基座滑动的滑动摩擦系数如何确定需要进一步研究；
4、盾构机过站的车架平台必须搭设简便而且要非常的牢固，“贝雷片”的搭设方式有待于进一步的提高；
5、反力架系统虽然满足了盾构施工的需要，但是还有进一步的改进和提高潜力；
参考文献：
[1]、上海隧道工程股份有限公司，STEC-C1型ф6340mm土压平衡盾构操作说明书；
[2]、周文波，盾构法隧道施工技术及应用，中国建筑工业出版社；
[3]、程骁、潘国庆，盾构法隧道施工技术，上海科技文献出版社；
[4]、陈兆铭、白森懋，实用起重工手册，上海交通大学出版社；
[5]、杨志明，市政工程施工安全技术操作手册，同济大学出版社；
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