大直径盾构隧道轨下预制箱涵拼装工序研究

2021-09-30冯志鹏庞培彦任丽娜

建筑机械化 2021年9期

冯志鹏，庞培彦，任丽娜

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

随着国内大城市化、特大城市化的快速发展以及盾构法的日趋成熟，为减少施工次数，减少因始发、下穿等给城市带来的影响，盾构隧道逐渐向单洞多车道的大直径、超大直径隧道发展，以便一次开挖成型多条车道。大直径隧道建成后，其轨下结构担负污水排放、隧道通风及存放电缆等功能[1～2]。

目前轨下结构大多采用台车现浇方案或预制箱涵拼装方案[3]。经过对比，预制箱涵拼装方案在施工工效、质量、环境等方面具有明显优势。因此，大直径隧道建设中，采用预制箱涵拼装方案成为当下趋势。

预制箱涵拼装位置可根据项目本身具体情况进行选择。目前，国内预制箱涵拼装位置大多在盾构后配套区域前部，即预制箱涵跟随盾构同步拼装。然而，在国外，部分项目已经开始采用预制箱涵拼装与盾构施工位置分离的方法，即预制箱涵位于盾构后部区域并进行独立拼装。因此，针对预制箱涵拼装的工序研究，即隧道中预制箱涵的拼装工序是选择同步拼装还是独立拼装，是一个全新的课题。本文首先对上述两个预制箱涵施工工序进行结构描述，并通过某大直径土压项目，进行两种预制箱涵施工工序方案的对比分析，得到不同工序的优缺点，从而对后续大直径盾构隧道预制箱涵拼装工序的选择提供理论指导。

1 预制箱涵拼装工序介绍

1.1 同步拼装

预制箱涵随同盾构同步拼装工序：预制箱涵拼装位于盾构后配套前部连接桥区域；盾构后配套除配置有管片吊机外，还配置有箱涵吊机，预制箱涵通过管片运输车辆运输至盾构既定区域，通过箱涵吊机完成在连接桥下部的拼装，如图1所示。该预制箱涵拼装工序为目前国内隧道绝大部分采用的拼装工序，例如：京张高铁清华园隧道、大连地铁5 号线、汕头苏埃通道、深圳春风隧道[4]等。

图1 预制箱涵同步拼装工序

1.2 独立拼装

预制箱涵盾构后部独立拼装工序：盾构在前正常掘进，完成管片衬砌；隧道内设有独立的预制箱涵拼装台车，其上设有箱涵吊机、自驱轮对、斜坡段、水平段、伸缩平台；自驱轮对满足台车自驱行走，如图2 所示。该工序可分为管片运输模式和预制箱涵拼装模式：当需要进行管片运输时，伸缩平台向后伸出并搭接在已拼装的预制箱涵上，保证管片运输机车或管片运输MSV 正常通行；当需要进行预制箱涵拼装时，伸缩平台缩回，满足箱涵吊机在此区域完成预制箱涵拼装的功能。该预制箱涵拼装工序已经在国外得到广泛应用，例如：新西兰Water view 公路隧道、埃及Cairo Suez Crossing Tunnel、澳大利亚东北线等。

图2 预制箱涵独立拼装工序

2 预制箱涵拼装工序对比与分析

在进行隧道施工前期，需要对预制箱涵拼装工序进行适应性研究，来选择最契合该隧道施工要求的拼装工序。本节基于某大直径土压项目（表1），分别从施工风险管控方面、设备始发方面、管片吊运效率以及经济性方面对两种预制箱涵拼装工序进行分析比较，得到各自工序的优劣势，从而为后续隧道预制箱涵拼装工序适应性选择提供理论指导意义。

表1 项目信息

针对该项目，预制箱涵同步拼装与独立拼装工序方案图分别见图3 与图4。

2.1 施工风险管控方面分析

从图3 与图4 施工工序上来看，同步拼装工序管片吊机和箱涵吊机在同一轨道上行驶，分别完成管片的吊运和箱涵的拼装。该工序可以在盾构上同时完成管片吊运和预制箱涵拼装，管片吊运和预制箱涵拼装有序进行。采用同步拼装工序优势如下。

图3 预制箱涵同步拼装方案

图4 预制箱涵独立拼装方案

1）管片和预制箱涵拼装可同步完成，易于控制和检查预制箱涵拼装精度及质量[5]。

2）管片吊运和预制箱涵拼装在同一区域进行，易于设备运行状态管理及维保管理[6]。

3）管片吊运和预制箱涵拼装由相同施工人员完成，易于控制施工人员安全风险[7]。

然而在隧道掘进过程中，可能会因为外界因素的干扰，导致预制箱涵供应不及时。当采用同步拼装工序时，由于管片运输车辆需要走在已拼装完成的预制箱涵上，如果出现预制箱涵供应不及时，导致管片无法正常运送，从而盾构无法继续掘进，造成异常停机。此外，当隧道拖车采用斜轮对行驶时，采用同步拼装工序时，由于预制箱涵的存在，斜轮对位于预制箱涵及管片之间，检修空间狭小，检修困难。

综上所述，从施工风险管控方面来说，同步拼装工序在拼装精度、设备管理及人员风险上优于独立拼装工序，但可能出现斜轮对检修困难以及异常停机风险。

2.2 设备始发方面分析

从图3 与图4 可以看出，针对同步拼装工序和独立拼装工序，在满足两者每一个循环可以拼装相同数量预制箱涵的前提下：同步拼装方案整机长度为124m；独立拼装盾构长度85m。因此，采用同步拼装工序时，盾构长度较长，相对独立拼装工序长约40m。当项目始发井长度有限制时，采用同步拼装工序的盾构需要分体始发[8]，且由于预制箱涵的存在，在始发井长度极小时，设备甚至需要两次分体始发后才能整体掘进。因此，当隧道项目始发场地有尺寸限制时，独立拼装工序在始发安排上优于同步拼装工序。

2.3 管片吊运效率分析

大直径盾构采用管片卸载器可以明显提高大直径盾构效率[9]。因此，部分隧道项目，尤其是长距离隧道项目均配置管片卸载器来提高管片吊运效率。

针对该大直径土压项目，由于预制箱涵宽度尺寸大于管片环向宽度尺寸，管片吊运与箱涵吊运轨迹有重叠，因此管片吊运中应用到的管片卸载器在结构上会与预制箱涵干涉，同步拼装工序无法配置管片卸载器，如图5 所示。而独立拼装工序管片吊机与箱涵吊机分别位于盾构与独立拼装台车上，管片吊运和箱涵拼装互不影响，管片吊运区域可以设置有管片卸载器，如图6 所示。因此，针对长距离掘进大直径隧道，预制箱涵独立拼装工序可以采用管片卸载器来提高管片吊运效率。

图5 预制箱涵同步拼装截面

图6 预制箱涵独立拼装截面

2.4 经济性分析

在采用相同系统配置前提下，针对上述土压项目分别对同步拼装及后部拼装工序进行经济性对比分析。从图3 及图4 可以看出，同步拼装工序和独立拼装工序区别主要在于后配套拖车长度以及独立拼装台车，后配套拖车长度以及独立拼装台车在设备成本上主要体现在重量上，因此，二者的经济性对比分析主要是二者钢结构重量的差别，如表2 所示。