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浅谈大断面矩形顶管井下调头施工工艺

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：潘维肖

[导读] 摘要：大断面顶管机在不具备常规吊运条件下进行井下调头和平移施工具有相当难度，如何快速、经济、有效的实施是保证工期、保证设备安全的一个值得探讨的问题。

        上海隧道工程有限公司上海 200032
        摘要：大断面顶管机在不具备常规吊运条件下进行井下调头和平移施工具有相当难度，如何快速、经济、有效的实施是保证工期、保证设备安全的一个值得探讨的问题。结合上海轨交14号线静安寺站的一台9.93×8.73m顶管机井下调头平移的施工实例，介绍了一种简单、安全、高效的盾构机平移过站技术，对今后大断面顶管的井下调头和平移施工具有一定的指导作用。
        关键词：大断面矩形顶管调头平移
        1、引言
        近年来，由于城市轨道交通项目的高速发展，越来越多的轨交项目向人口密集区域、城市中心区域延伸。为了减少对既有构建筑的影响，研发出了类矩形盾构法隧道施工、管幕暗挖法车站施工以及顶管暗挖法车站施工等新工艺，在提高地下空间的利用率的同时，大大降低了对地面交通及周边环境的影响。在建的上海轨道交通14号线静安寺站是采用顶管法施工建设的地铁车站，所采用的1台大断面矩形顶管在完成第一条隧道掘进后需在井下进行调头转场工作。由于大断面矩形顶管外形尺寸大、重量重，在井下调头平移过程中需采用特殊的工艺和技术措施。
        2、工程概况
        2.1 项目简介
        上海轨交14号线静安寺站位于华山路与延安中路交叉路口的华山路下方，沿华山路南北向布置，为地下三层岛式站台车站，与已建成通车的2 号线、7 号线静安寺站形成三线换乘枢纽。静安寺站主体结构过延安路段采用顶管暗挖施工。其中站台层采用两条长度为80m、断面尺寸为8700×9900mm 的顶管隧道连接延安路南北两侧站台，本工程采用一台9.93×8.73m大刀盘+偏心多轴组合式矩形隧道顶进机进行顶进，顶管吊装下井后从C区始发开始东线隧道的顶进，到达于A区工作井后进行调头转场，然后进行西线隧道的顶进，最后在C区工作井接收。

                   图2.1-1 隧道区间示意图
        2.2 调头工作井情况
        A区调头工作井调头区域长度16.88m（最小长度13.5m），调头区域13.89m，总宽度26.64m，井深24.56m。

                   图3.1-2 调头工作井结构图
        2.3 矩形顶管的主要结构形式
        此次顶管机涉及调头的部件有大刀盘、前壳体、主驱动、后壳体、纠偏中继间和螺旋机等，总重量约732吨。接收基座分为前、中、后三部分，总重量约120吨。
        表2.3-1 大断面矩形顶管机头主要部件外形尺寸和重量表

        3、井下调头施工技术措施
        3.1施工准备阶段
        1）依据矩形顶管主机外形尺寸对工作井的结构尺寸进行复核；
        2）确定工作井顶板、横梁距离底板最小高度应大于顶管机壳体外径、平移基座高度之和；
        3）工作井内无杂物和积水，提供足够数量和排量的抽水泵，以确保顶管井下调头环境条件；
        4）接收工作井施工完毕，对工作井底板利用黄沙进行找平处理后，底板上满铺20mm厚钢板，作为顶管主机调头平移的滑动摩擦面。
        3.2 井下调头施工流程

        图3.2-1 大断面顶管机头井下调头流程图
        3.3 井下调头施工方法
        1) 顶管整体顶进至接收井的发射架上。

                图3.3-1 顶管接收示意图
        2) 断掉顶管机电源，拆除机头与车架间的的连接电缆，油管，泥水管。
        3) 拆除后段螺旋机，缩短顶管机头长度，满足调头所需的尺寸要求。

                     图3.3-2拆除螺旋机
        4) 机头调头准备
        (1) 用20mm的钢板将顶管机与发射架临时连接住，每块连接钢板间距1500mm。
        (2) 在机头外壳上焊接8只顶升牛腿，分别布置在第1排2只顶升牛腿焊接在土仓筋板处，第2排2只顶升牛腿焊接在前壳体的环板处，第3排2只顶升牛腿焊接在后壳体的铰接油缸支座前部环板处，第4排2只顶升牛腿焊接在后壳体的铰接油缸支座后部环板处。为了防止顶升过程中的顶管壳体变形，焊接位置均选择在有筋板的位置。顶升牛腿焊接完毕后固定顶升油缸，在铺设的钢板与顶升油缸之间放置8只700mm高的搁凳1

                    图3.3-3 顶升油缸布置示意图
        5) 安装8只200吨顶升油缸，将顶管机本体连同发射架一同顶升，并抽出发射架下的垫块，让平移滑块直接接触钢板。

                 图3.3-4 平移滑块安装示意图
        6) 本体调头
        采用4只顶推力为100吨的双作用油缸作为主要的本体调头、平移工具。
        在发射架的4个端点布置4台100吨的油缸，将本体旋转180°。

                图3.3-5 机头调头示意图
        7) 本体平移
        （1）利用2台100吨行程为1000mm的油缸将顶管机横移，油缸布置在发射架的结构筋板处。
        （2）顶管机本体横移11.95米，至始发位置。

              图3.3-6 机头平移示意图
        8) 本体姿态调整
        利用8只顶升油缸调整顶管机的姿态至始发位置。
        4.关键技术措施
        4.1 钢板铺设技术措施
        (1) 钢板铺设前要保证滑移工作井砼底板顶面高差不大于2cm，平整度不大于5mm/m2；可以抹砂浆找平层进行找平处理；
        (2) 主要钢板尺寸：8000×2000×20（mm），其余边角依现场实际情况裁割；
        (3) 各块钢板之间采用坡口焊，并保证接缝平整牢固。平移前进方向钢板铺设不能出现错台，特别注意平移方向前端钢板不能高出后端钢板，如出现错台必须进行打磨处理；
        (4) 焊缝长度要求：钢板焊缝须通长满焊。
        (5) 为防止顶管机整体平移、旋转过程中造成的钢板错位，钢板铺设完毕后，利用钻机对钢板钻孔，然后在砼底板上相对位置钻孔，孔径不小于32mm，并植入Φ22的钢筋伸入砼底板对钢板进行固定，植筋深度不小于400mm，用砂浆填满砼孔，植筋完毕后钢板孔与钢筋间进行塞焊，并对焊接处进行打磨找平处理。植筋锚固点根据旋转要求布置成圆形，每点植2根Φ22钢筋，2筋间距250mm。
        4.2滑移装置的设计
        根据荷载状况和转向的要求沿接收基座两条主轴上布置16组滑移装置。滑移装置由安装板和高分子材料滑块（聚四氟乙烯板）组合而成。单块滑移装置的尺寸为500 X 560mm，额定承载力为100T，根据荷载的需求滑移装置可以通过螺栓连接组合使用，从而提供较大的承载力。
        聚四氟乙烯板是一种化工产品，具有耐高压、滑动摩擦阻力系数小等特点，是固体材料中摩擦系数最低者。本方案中使用的是20mm的聚四氟乙烯板，安装在滑移装置中，在顶管机机头水平滑移、旋转的时候使用，滑移时摩擦系数范围在0.02～0.05之间。
                  表4.2-1 滑移装置成品力学性能表

        4.3 整体顶升技术措施
        1) 前期准备工作
        (1) 顶升系统可靠性检验
        元件的可靠性检验：元件的质量是系统质量的基础。在正式实施顶升前，将以70%-90%的顶升力在现场保压5小时，再次确认密封的可靠性。
        液压油的清洁度：液压油的清洁度是系统可靠的保证，本系统的设计和装配工艺，除严格按照污染控制的设计准则和工艺要求进行外，连接软管在工厂进行严格冲洗，封口后移至现场，现场安装完毕进行10次空载运行，以排除现场装配过程中，可能意外混入的污垢。
        2) 顶升油缸调试
        a、油缸安装牢固正确；
        b、泵站与油缸之间的油管连接必须正确、可靠；
        c、油箱液面，应达到规定高度；
        d、备用液压油，加油必须经过滤油机；
        e、液压系统运行是否正常，油路有无堵塞或泄漏；
        f、液压油是否需要通过空载运行过滤清洁；
        g、系统安装就位并已调试完毕；
        h、各路电源，其接线、容量和安全性都应符合规定：
        i、控制装置接线、安装必须正确无误；
        j、系统能否升降自如；
        k、各种阀的工作状况是否正常，是否需要更换；
        3) 顶升作业的技术措施
        试顶升后，观察若无问题，便进行正式顶升。下降调坡时先进行向上顶升1cm左右，然后拆除支撑垫块，方可进行下降。
        正式顶升，须按下列程序进行，并作好记录：
        （1）操作：按预设荷载进行加载和顶升；
        （2）观察：各个观察点应及时反映测量情况。
        （3）测量：各个测量点应认真做好测量工作，及时反映测量数据；
        （4）校核：数据汇交现场领导组，比较实测数据与理论数据的差异；
        （5）分析：若有数据偏差，有关各方应认真分析并及时进行调整。
        （6）决策：认可当前工作状态，并决策下一步操作。
        4.4 整体调头、平移技术措施
        1）旋转、平移用千斤顶的选用
        （1）顶推力受力分析：
        其中安全系数k=1.35，摩擦系数 =0.2，顶管机头和接收基座总重量m=852t，则顶管机头旋转、平移时需要230吨的推力。
        （2），考虑到千斤顶行程和工期的需求等因素，千斤顶选用原则如下：
        A、旋转时布置4台顶力100吨、行程1000mm的千斤顶。
        B、平移时布置4台顶力100吨、行程1200mm的千斤顶。
        2）千斤顶后靠的布置
        1）平移用千斤顶后靠可以利用盾尾后方的侧墙（初始位置）以及在井底钢板上焊接顶推支座；
        2）旋转用千斤顶后背采用在井底钢板上焊接顶推支座。
        5.结语
        通过制定合理的调头平移施工流程，此次大断面矩形顶管的井下调头平移工作在28d内完成；确保了施工工期和安全，收获了较好的经济效益。
        该项技术措施包含了多次顶升、调头转向、横向平移等三维空间动作。此外在前期准备过程中结合了三维模拟软件，取得了较好的效果，为今后类似的大断面矩形顶管井下调头施工积累了一定的施工经验。