双层盾壳盾体系统关键点设计及成本分析

郑康泰，刘 豪，陈昆鹏，韩 博

（中铁工程装备集团有限公司设计研究总院，河南 郑州 450000)

随着城市的发展，地下隧道施工工程正在逐年增加，越来越多的盾构投入到城市交通建设使用之中[1]。盾构法施工时一般需要在盾构的始发和接收端设置工作井（竖井)，始发竖井用于盾构的组装、调试、物料运输及人员通道，接收竖井则用于盾构的解体、维修保养，或为盾构的继续推进及折返施工做准备。目前采用盾构法施工多数还是通过接收竖井对盾构进行整体吊装或分体吊装，但是当遇到地面空间有限，盾构到站后无法设置供盾构解体的竖井时，盾构到站后盾体部分可以采取以下两种方式进行拆解：①破坏性拆除，拆除后的盾体不再重复利用，再次掘进需新制盾体，经济成本较高；②通过盾体有序分块在洞内进行拆解，但是盾体拆除过程中，地层将直接裸露，无任何支护，安全性低。目前在海外隧道施工洞内拆机时不允许地层直接裸露，因此以上两种拆机方案在海外的适用性不高。

为了克服现有技术存在的不足，中铁装备生产应用于台北地铁万大线的中铁655 号土压平衡盾构主机部分采用可拆卸的双层盾壳盾体系统，实现盾构到站后在隧道内部进行安全有效的拆除，外壳可以留在隧道内部以作为地层支护，节省了部分管片，内块可以循环利用，节省经济成本，减小对地面环境的影响。

1 依托项目及盾构简介

1.1 项目简介

台北地铁万大线CQ842 标段包含4 条单向盾构掘进隧道，分别为自南海路上LG02 站向LG01 站方向的两条单线428m 隧道和自LG02 站向LG03 站方向的两条单线390m 隧道，盾构需要在同一始发井处完成四次始发，无接收井，隧道内径5·6m，隧道外径6·1m，混凝土管片环宽1m，施工曲线半径220m，主要地质为粉土质黏土、细砂质粉土和粉土质细砂。

1.2 盾体系统简介

中铁655 号为主动铰接土压平衡式盾构，盾体直径6 240mm，采用直筒式设计，盾体采用双层分块设计，可以实现隧道内解体拆机，盾体仅需1 套内块及4 套外壳即可满足4 次始发掘进的需求，节约了成本。前盾、中盾前和中盾后为双层设计，内块分为5 块，盾体内外壳通过固定块连接。每个盾的第一块均设置为楔形块，从而可以进行洞内拆解。盾体外壳与内块通过固定块连接（图2、图3)。

图2 盾体内块分块示意

图3 盾体设计细节展示

2 盾体系统设计关键点分析

2.1 盾体固定块设计

盾体固定块设计如图4 所示，其中拉块与盾体外壳焊接，拉板与盾体内块焊接，拉块与拉板之间通过螺栓连接。

图4 盾体内外壳固定块结构示意

以中盾前为例，当需要洞内解体时，首先需要拆除拉块与拉板之间的连接螺栓，利用特制的拆解工装将顶部楔形块拆下，然后再拆除其他内块（图5、图6)，但是由于拉块的限制，其他内块无法沿着隧道方向直接拉出，只能先向隧道中心旋转然后利用倒链将内块倒运至板车上运出，因此在设计拉块与拉板的尺寸时需要根据组装合拆机时的工况综合考虑。

图5 中盾前内块顶块拆除

图6 中盾前内块边块拆除

组装时，由于拉块提前已经焊接在外壳上，在与内块组装时属于多点同时配合，因此将内块上的孔设置为喇叭形，保证了内外块的顺利组装。但是在拆解时需要通过模拟盾体内块与拉块的位置关系，从而确定出内块上孔的大小，否则将会出现拆解内块时与拉块干涉的情况，这样便会大大增加拆解的难度。

2.2 中盾后内外壳连接螺栓强度分析

由于中盾后铰接环需要在拆机后留在地层中起密封作用，因此中盾后铰接环需要作为外壳的一部分，中盾后内块与外壳的连接主要包含以下四个部分：①固定块；②外周36 颗M36 的环向螺栓；③外周熔深10mm 的断续角焊缝，总长l1=11 800mm；④与尾盾连接的加强筋板，共12 块，加强筋板在尾盾上连接的焊缝总长l2=10 800mm。

如图7、图8 所示，中盾后内块所受的负载主要为拼装机弯矩、推进油缸的推力、铰接油缸的推力，当盾体在地层中遇到卡顿情况需要借助铰接油缸脱困时，铰接油缸的推力会全部作用在中盾后内块上，因此需要分析中盾后内外壳连接螺栓、环焊缝以及加强筋板焊缝是否可以在盾构脱困时提供足够的安全系数。

图7 中盾后内外壳连接方式

图8 盾构脱困时中盾后受力情况

假设铰接油缸的推力和管片机产生的弯矩主要由环向螺栓和环向焊缝承担。铰接油缸产生的最大推力为

管片机产生的弯矩为

其中，G1为管片机的重力，取G1=200kN；L为管片机的重心距米字梁的距离，取L=3·5m。

焊缝可以承受的载荷

环向焊缝可以承受的载荷为

加强筋板焊缝可以承受的载荷

其中，h为焊缝高度，h1=10mm，h2=12mm；l为焊缝长度，l1=11 800mm，l2=10 800mm；σs为焊缝的抗拉强度，σs=1·414[σ]=110·8MPa。

如图9 所示，假设管片机产生的弯矩都由螺栓承担，则由于弯矩螺栓受到的最大拉力

图9 中盾后内外壳连接环向螺栓分布

铰接油缸的推力经过环向焊缝作用到每根环向螺栓上的推力

所采用的螺栓均为GB/T 5783 M36，强度等级为10·9，抗拉强度σb=1 000MPa，屈服强度σ=900MPa，预紧力F预=T/0·2d。各螺栓型号一致其截面直径一样，在受到工作拉力时，一定预紧力的连接螺栓收到的总拉力

其中，Cb为螺栓的刚度；Cm为连接件的刚度。

在环向焊缝和加强筋板连接焊缝均失效的情况下每颗环向螺栓可以承受的强度为

因此，中盾后内外壳连接螺栓强度满足要求，且安全系数为2·23。

3 双层盾体与单层盾体成本综合对比

对于6m 级盾构来说，盾体做五分割属于比较少见的，因为随着盾体分块数量增加的同时也增加了难度和成本[2]，比如焊接、机加工以及其他辅助设备，下面将从加工工艺和经济成本方面对比双层盾体和常规单层盾体的区别。

3.1 加工成本对比

与常规的单层盾体不同的是，双层盾体内块需要进行径向分块从而满足洞内拆解的需要，因此，在加工时需要先将各个分块法兰单独机加工，再通过工艺螺栓连接，并在连接法兰周边焊接工艺块；然后将分块下料后的部件与连接法兰拼成整圆进行施焊，最后再进行机加工，而且需要分别对前中盾内块和中盾外壳整体加工，为了保证外壳加工时的圆度及刚度，还需要特别制作外壳加工工装。

对盾体加工不同过程中加工一套常规单层盾体与一套双层盾体所耗费的工时进行对比，双层盾体与常规单层盾体结构形式一样，均不包含尾盾，工时按单人每天工作8 小时计算。

3.1.1 焊接工时对比统计

焊接一套常规盾体所耗费的总时为：tc1=970（人·天)，焊接一套双层盾体所耗费的总工时为td1=tc1+Δt1=1360（人·天)。

3.1.2 机加工时对比统计

与常规盾体相比，双层盾体机加工工时为：td2=tc2+Δt2=1060（人·天)。

3.1.3 装配工时对比统计

与常规盾体相比，双层盾体装配工时为：td3=tc3+Δt3=384（人·天)。

3.1.4 加工总工时对比统计

在多区间掘进时，采用常规单层盾体需要每次都新制盾体，若使用双层盾体仅需要新制盾体外壳即可，图10 对比了在多次掘进时，采用常规盾体和采用双层盾体的重量和加工工时。

图1 CQ842项目简图

图10 盾体重量和加工工时对比

通过对比发现，从加工制造的角度分析，对于单次掘进，双层盾体相对于常规盾体无优势，但是在多次掘进时，双层盾体的经济性优势较为明显。

3.2 组装成本对比

与常规盾体相比，双层盾体在出厂前会根据外壳的分块采取部分预组装，工地首次组装时只需将预组装好的盾体各块组装成整体即可，但是在拆机之后的每次组装中便需要分别将盾体各块连接，然后再组装成整体。表1 对常规盾体的工地组装工时和双层盾体的组装工时进行对比。

表1 组装工时对比

通过对比发现，双层盾体每次组装相对于常规盾体均无优势。

3.3 拆机成本对比

以新加坡某项目为例，统计了在洞内割除盾体所需要的工时，该项目在拆除盾体时需要先拆除推进缸，然后再割除盾体；双层盾体在拆解时需要将推进缸连同盾体内块一起拆下，由于双层盾体首次拆机时工人的熟练度及吊耳设计等因素制约，因此首次拆机耗费的时间相对较长，表2对比了拆解盾体以及推进缸所耗费的工时。

表2 盾体拆解工时对比

通过对比发现，单次拆解时，双层盾体耗费的时间较长，但是在多次拆解时，由于工人熟练度和经验的提升，拆解时间要优于割除常规盾体的时间。

综上，虽然双层盾体在多次组装方面的时间比常规盾体长，但是在多次使用时的制造工时和钢材重量上的成本要明显优于常规盾体，因此在面对多区间、短距离隧道掘进时，采用双层盾体的经济性优势要明显优于常规单层盾体。

4 结论

本文以台北地铁万大线项目中铁655 号盾构为依托，提出了一种新型的洞内拆机方法以及双层盾壳盾体系统，研究了双层盾体在设计时的关键点，分析了内外壳固定块的设计细节，需要分别考虑拆机和组装时的工况；还分析了受力较为复杂的中盾后在极限工况下内外壳连接的强度，从而作为设计的依据；最后从盾体制造、组装和拆机的角度对比了双层盾体和常规单层盾体耗费的工时，从而验证了双层盾体在短距离、多区间隧道上应用时的经济性和安全性优势，为双层盾体的推广提供了依据。