盾构施工缺陷管片拆除作业台车研究

李 宏，齐永前，陈永峰

（1.陕西铁路工程职业技术学院机电工程系，陕西 渭南 714000；2.中国中铁一局集团有限公司，陕西 西安 710054）

1 引言

2018 年底我国已有39 座城市如火如荼地修建地铁，地铁建设为促进经济社会又好又快的发展发挥着越来越大作用。地铁施工采用盾构法修建隧道，通常采用预制管片做衬砌结构[1]。地铁隧道在盾构施工时由于质量问题[2-4]拆除管片时有发生，如成环管片会出现不同程度的横向、竖向偏差，根据已成型隧道轴线偏差情况偏离值超过（±100）mm[5]或衬砌椭圆度超过（±5）‰D（D：隧道的外直径mm）就要进行返工。补救措施有两种，一是需要拆除砌筑管片，对超限段隧道进行改造修复恢复至原设计线，重新进行模板台车式衬砌；二是变更设计，根据偏离误差调整线路整体走向。随着地下空间开发加剧，地下空间各种管线交织，“容不下，碰不得”的问题日趋凸显，改线存在牵一发动全身，影响面大，又受诸多因素限制，实施起来困难较大，因此一旦管片砌筑超差，拆除管片重新砌筑是优先选择。

国内现有拆除管片施工技术主要有：（1）“明挖”拆除法，对管片超限段隧道上方土方进行开挖，并进行相应的加固、围护，凿除管片背后固结体，逐片解体后，用起重机械和其他机械配合吊运出。（2）“暗挖”拆除法，先将管片在隧道内切割为小块，切割后的砼小块采用人工搬运放至运输车上，运输至井口吊出。“明挖”拆除法，适用于地表相对开阔，无永久及高大构筑物的地方，拆除管片时面临开挖管片超限段隧道压埋土方时，需要进行土地征用及维护加固处理，故拆除管片前期准备与后期处理费用高、工作量大的问题，但拆除管片相对直观、安全；“暗挖”拆除法，从现有资料来看，目前没有针对管片拆除用的机械能力较高的设备。

从文献检索得知，国内外盾构法施工有关管片拆除的公开资料很少，相关的文献[6]主要是针对管片拆除前采用何种工法封闭临时支护体系，形成暗挖拆除的空间的方法进行了阐述，而对管片具体如何拆除没有具体的说明；文献[7]主要是针对负环管片拆除，是竖井露天拆除的方法，地面吊车的配合，从上往下依次拆除；文献[8]主要是针对中间竖井管片拆除，是明挖法拆除方式，在管片的拆除上是从上往下依次吊运拆除。

综合以上国内外文献研究成果，未见有地铁隧道缺陷管片拆除专用机械设备应用的相关论述。在直径不到6m 的隧道中进行管片拆除工作，会受到在狭小空间一些动力机械无法展开作业和又要保证单通道物料输送畅通等诸多因素的制约。针对管片砌筑的地铁隧道特点，借鉴了盾构机管片拼装机[9]的原理，构建一种作业机械，为提高作业效率、减轻劳动强度达到安全可行效果，就管片拆除设备的结构原理及特点、主要部件及结构功能等方面进行分析，设计了盾构施工缺陷管片拆除作业台车，以解决“暗挖”条件下管片拆除配套设备比较缺乏问题，做到作业时既满足管片拆除转运的需要又能保证前方掘进出渣作业不停工，达到安全、经济、高效、机械化程度高的效果。

2 总体设计原则

图1 简易支架作业Fig.1 Simple Support Operation

图2 环向切割效果图Fig.2 Ring Cutting Effect Diagram

通过成都地铁1 号线南延线土建1 标广都北站～华阳站区间拆除管片过程的工艺特点和作业机械，如图1 所示。用全液压切割机进行环向切割，如图2 所示。用多功能水钻机纵向切割，把预制管片切成人力能扛动的小块，用人力放置于小型运输车辆，以蚂蚁搬家方式运出隧道，劳动强度大，安全风险大，工作效率低的问题及合肥地铁1 号线贵阳路站～湖南路站盾构区间右线拆除管片总体要求作为研究依据，研究需要解决的关键点是：

（1）作业台车门架净空尺寸满足必须隧道掘进施工物料运输设备的正常通行要求；（2）能对管片进行临时支撑作用；（3）为切割设备作业提供施工平台；（4）为喷锚支护作业提供平台；（5）能实施对管片全方位拆除作业；（6）管片拆除步距适合半环拆除和整环拆除；（7）管片内半径R2700 mm，外径R3000 mm；（8）每环管片分为6 块，单块最重为3.8t；（9）轮轨式行走，实现洞内拆卸、吊装管片至管片车上。

3 管片拆除作业台车结构原理及参数和特点

作业台车要能在直径φ5400mm 圆形隧道内进行作业，结构上必须做到紧凑，按管片布置方式、拆卸安全考虑，功能上要实现从顶部到侧部再到底部的拆卸工作装置，在作业中保持车体横向整体稳定，设有对墙支撑杆，为抵抗吊装作业的抗倾覆能力，台车走行梁四角设置有抱轨夹钳装置。

3.1 结构组成

管片拆除作业台车由行走系统、门架系统以及门架系统上设置的工作平台总成、侧部拆除管片机构、顶部拆除管片机构、底部拆除管片机构以及相邻管片支撑等组成，其结构，如图3、图4所示。部件名称，如表1 所示。主要部件的连接关系为：行走总成（1）螺栓连接于门架总成（3），工作平台总成（2）法兰连接于门架总成（3），相邻管片支撑总成（7）法兰螺栓连接于门架总成（3），侧部拆除管片吊装机构（4）法兰及焊接连接于门架总成（3），顶部拆除管片吊装机构（5）法兰连接于门架总成（3），底部拆除管片吊装机构（6）法兰及焊接连接于门架总成（3）。

表1 部件明细表Tab.1 Parts List

图3 作业台车沿隧道方向视图Fig.3 Trolley is Viewed Along the Tunnel

图4 作业台车横向A-A 与B-B 视图Fig.4 Horizontal A-A and B-B View of the Trolley

3.2 结构原理

拆除管片考虑整块和解体（切割成小块）的方式，在拆除步骤上考虑由顶部到侧部最后拆除底部的顺序。拆除管片作业台车的平台可以作为管片切割机具和喷锚支护的台架，顶部拆除管片装置举升机构在管片切割时可作为切割机具的依托固定支座，跟随切割速度旋转和横移，顶部拆除管片装置主要是对顶部180°范围的管片进行作业，管片在切割分块完成后，利用管片举升托架拖拉顶部的管片，管片与附着的浆体分离后，用扣压件固定在托架上，举升油缸回收后的状态，如图5（a）所示。操纵回转油缸180°后的状态，如图5（b）所示。举升油缸伸出管片落至运管车上，完成正顶部拆除管片；45°方向拆除管片与正上方步骤一样，由于回转装置的偏心，需要回转装置与横移机构配合完成作业，如图6 所示。同时为了给电瓶车和物料输送车辆留出足够净空，提高了顶部管片拆除机构的安装高度，其旋转中心高于隧道中心线一定高度，这样就减少了拆除机构的工作行程，垂直方向工作行程以适于顶部90°内的需要，水平方向工作行程通过增加链传动横移机构予以补偿；侧部和底部管片通过起重滑移环链葫芦小车完成。侧部拆除管片时由油缸推动侧向滑移梁到工作位置后，由悬挂于滑梁下翼缘的手动倒链葫芦与侧部管片固定后，吊至门架中部，落到管片运输车上，如图7 所示。底部管片由作业车后边的悬臂吊吊起，放置于平台车上。

图5 拆除顶部位管片示意图Fig.5 Remove the Top Bit Segment

图6 拆除45°和135°位管片示意图Fig.6 Remove the 45 Degree and 135 Degree Segment

3.3 主要技术参数

表2 主要技术参数Tab.2 Main Technical Parameters List

图7 拆除侧部位管片示意图Fig.7 Remove the Side Segment

3.4 主要特点

（1）集顶部、侧部、底部管片拆除装置一个台架上，顶部管片有托举升降旋转机构，侧部管片有横向起重滑车机构，底部管片有悬臂起吊机构对应作业；

（2）既可以对A、B、K块切割成碎块拆除，也可以以块为单元拆除；

（3）门架净空满足盾构后配套设备的通行需要；

（4）行走方式轮轨式电驱动；

（5）台车走行轨距与盾构机一致，轨距可调；

（6）具备喷锚、支护、管片切割综合作业的平台；

（7）台车平台设置镶嵌滑板式结构，能根据需要调整宽度；

（8）行走梁两头有液压缸控制的抱轨钳；增强台车作业时的稳定性；

（9）作业安全性和效率高。

4 设备的重点结构介绍及创新点

4.1 关键部件结构

图8 台架总成结构示意图Fig.8 Schematic Diagram of Platform Assembly Structure

（1）台架总成，如图8 所示。由左右底纵梁和三榀门架（从图3 所示由左至右依次为1 号2 号3 号门架），以及顶部系梁和纵梁构成稳定的框架式结构，门架及其连接系梁由型钢经切割组焊的杆件再经螺栓联接而成。（2）顶部管片拆除装置，如图9 所示。在2 号和3 号门架间设有顶部拆除管片装置，该装置由管片托盘①、管片顶升油缸②、顶升油缸固定箱体③、驱动链箱体④、滑动驱动链机构⑤、顶升油缸固定箱体滑动轴座⑥、顶升油缸固定箱体旋转转动驱动机构⑦等组成。

图9 顶部管片拆除装置结构示意图Fig.9 Schematic Diagram of Top Tube Piece Removal Device

（2）侧部拆除管片装置，如图10 所示。在1 号和2 号门架间设有侧部拆除管片装置，该装置由滑移梁①、滑移梁导向支反轮②、滑移梁驱动油缸③、起重滑移环链葫芦小车④等组成。

图10 侧部管片拆除装置结构示意图Fig.10 Schematic Diagram of Side Tube Dismantling Device

（3）底部拆除管片吊装机构，如图11 所示。在3 号门架上安装底部拆除管片吊装机构，该装置由悬挑梁①和悬挑梁水平稳定撑杆②、起重滑移环链葫芦小车③组成。

图11 底部管片拆除装置结构示意图Fig.11 Schematic Diagram of the Bottom Tube Piece Removal Device

（4）作业平台，如图12 所示。布置三层，侧向平台固定座①、基本宽度②、限位块③、抽屉式加宽平台④、栏杆铰接座⑤、栏杆⑥组合而成可伸缩和可折叠平台，适合于不同的作业需要。

图12 作业平台结构示意图Fig.12 Working Platform Structure Diagram

（5）走行驱动装置，如图13 所示。采用轮轨式，轨道利用盾构机的走行轨道，驱动方式用三合一减速变频调速电机确保运行的平稳性。

图13 走行驱动装置结构示意图Fig.13 Schematic Diagram of Walking Drive Device Structure

4.2 主要创新点

（1）台架具备喷锚支护、管片切割和管片拆卸的综合功能；（2）与普通台车相比行走机构采用三合一传动装置和变频调速控制技术，达到运行平稳和精准；（3）顶部管片拆卸装置动作由三种运动机构协同完成，油缸升降托举机构，油缸驱动旋转机构，油缸驱动横向距离补偿机构；（4）多缸动作的节流速度回路、顺序动作、分流集流同步回路和换向锁紧回路的组合；（5）夹轨钳与走行机构顺序动作的延时继电控制；（6）构建了一种管片拆卸的综合作业的机械。

5 台车主结构检算

台架是工作装置安装和其他作业的基础，其结构安全是保证工作的前提，对其安全性检算如下：

5.1 基本计算参数

（1）管片单块最大重量为3.8t；（2）管片对应砂浆厚度140mm，重为1.47t；（3）单块重量为5.27t，动载荷系数为1.1，则起吊重量为5.8t；（4）按台架受力最不利情况计算：顶部、侧部和底部管片同时起吊，顶部、侧部管片位于台架同侧。

5.2 有限元计算

采用ANSYS12.1 有限元计算方法对台架的强度、刚度进行检算。台架由规格为100×6、200×8、300×8、400×10 矩形钢管制作杆件经螺栓联接成刚性台架。建模定义材料属性划分网格，加载施加约束，如图14 所示。求解后的位移云图，如图15 所示。应力云图，如图16 所示。台架材质Q235B，屈服强度σs=235 MPa，安全系数1.15，则其许用应力［σ］=235/1.15=205 MPa。位移（变形值）按L/400≤4.5mm（L杆件长度）控制[10]。检算结果符合要求。由于台架在有限空间要求结构的紧凑，结果显示，控制变形是关键。

图14 台架加载施加约束图Fig.14 Rrestraint and Loading on Bench

图15 台架位移云图Fig.15 Displacemen Nephogram of Bench with Material Combination Mode No.1（Unit：mm）

图16 台架应力云图Fig.16 Stress of Bench with Material Combination Mode No.1（Unit：MPa）

6 结论与讨论

（1）管片拆除台车是通过对成都地铁1 号线南延线土建1标广都北站～华阳站区间拆除管片过程中所采用的工艺工法调研基础之上，针对合肥地铁1 号线贵阳路站～湖南路站盾构区间右线拆除管片想法的研究，开发的一种拆除成环缺陷钢筋混凝土管片的机械化程度相对较高的设备。具有较强的针对性和可操作性，能在地铁隧道内进行管片拆除的较为专业的机械设备，自动化程度高，人工劳动量小；以型钢为主体材料，螺栓连接成整体框架结构，稳定性好；管片分块后利用对应工作装置进行拆卸，配以遥控和手动操控；可多次安装周转使用；与人工配合简单施工机具的作业方式相比可以起到安全、省力、快速拆除管片的目的。（2）针对管片拆除作业台车特点，还需进一步研究缺陷管片拆除工艺方法及相关配套设备协同性问题，以适应更为广泛地城市地铁隧道建设需求。（3）鉴于目前资料所限，台车和其它设备经济性对比分析以及应用效果作为后续跟踪研究的课题。（4）为进一步继续做好拆除管片配套设备的研究，要及时跟进地铁建设动态，加强与施工单位沟通联系，共同推进此项技术的不断完善，更好的服务施工的需要，也为日后地铁隧道运营中出现的病害治理，在技术装备上先行一步。