于继光
（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州072750）
摘要：半盖挖法是目前地铁车站基坑施工常用的施工工艺之一，能够有效保证地面交通的正常通行，但同时也导致采用半盖挖法处的车站基坑盾构始发困难。因此，依托山东省济南市地铁4号线燕山立交桥东站的盾构始发施工，针对盾构机等大型机具的吊装下井、盾构机组装和井下平移等环节进行了分析；总结了盾构机吊装、平移的施工步骤，确定了平移轨道的铺设以及平移托架的布置等施工技术要点，验算了平移托架以及顶推油缸的作用力与承载力；同时进行了风险因素分析，提出了盾构机在吊装时出现高空坠落、平移时出现倾覆或机械伤害时的应对措施。该盾构机井下平移方案对于类似大直径盾构始发施工具有参考意义。
随着我国城市化进程的不断推进，地铁建设速度也在逐渐加快，到2023年运营里程已经超过1万km。而在繁华都市建设地铁过程中，地铁车站基坑的开挖往往严重影响周边地面交通。大多数地铁车站基坑施工时都需要阻断地面交通，或设置围挡而影响行车人员的视线，导致交通事故风险增大。半盖挖法是一种地铁车站基坑施工建设过程中常用的手段，即通过开敞部分完成基坑内施工机具的吊装，再通过盖板部分实现地面交通的正常通行。
对于半盖挖法施工而言，盾构机械等大型设备吊装下井之后如何平移至指定位置是大多数盾构施工项目的关键问题之一。有关盖挖法这一类有限空间内的盾构吊装以及始发，国内部分学者已经开展了研究。如：任建喜等［1］、周石喜等［2］提出，可以通过前一区间施工结束后的盾构机直接空推过站作为下一区间的始发端，从而实现盖挖法下盾构始发过程，避免大型机具的再次吊装。而李培龙［3］则针对难以通过快速过站方式完成始发的施工场地，提出了盖挖法场地盾构横向平移施工技术，避免了施工机具等待问题，提升了施工效率。对于盾构机在井下的平移，曹建洋等［4］对平移过程中车站井各部分结构的附加荷载进行了分析，论证了井下平移的可行性。而对于盾构机械的吊装，杜峰［5］则针对吊装方案的设计进行了研究，分析了吊装机具的设计思路。类似地，王建国等［6］也针对盾构吊装过程中的吊点以及绑扎设计进行了分析，进一步完善了半盖挖法盾构吊装平移施工技术体系。除了盾构机具的吊装以及平移，盾构机在井下的拆解组装也是盾构始发的关键环节之一，卜星玮等［7］针对半盖挖法下在有限空间中盾构机组装的技术进行了研究，阐述了盾构机的拆解与拼装关键问题。
半盖挖工况下盾构机等大型机具的下井吊装以及平移施工对于保证施工安全，提高施工效率具有重要意义。目前大量学者也开展了针对性的研究工作，但所提出的理论往往主要是针对下井吊装、盾构机组装、盾构机平移的某一个环节［8-9］。笔者则依托济南市地铁4号线燕山立交桥东站盾构始发施工，针对半盖挖环境下盾构机的下井吊装以及平移等各个环节进行了关键技术分析，并进行了对应的受力计算以及风险分析，可为类似工程提供有价值的参考。
1工程概况
济南市轨道交通4号线一期工程07工区总里程4.82km，包含4站5区间，隧道埋深16.2～41.5m，沿济南市主干道经十路建设。笔者选择山大路站—燕山立交桥东站段为研究区间，该区间采用盾构法施工，左线全长约1 793.672m，右线全长约1 789.006m，设置3处联络通道，左右线间距为13.0～61.3m。该区间从燕山立交桥东站端头井始发至山大路站端头井接收。
1.1车站概况
燕山立交桥东站位于燕山立交桥以东，沿经十路东西向布置。车站采用明挖＋部分盖挖法施工。燕山立交桥东站为地下3层岛式车站，由于右线上方为经十路，为了保证通行设置了路面临时盖板，因此盾构机由左线盾构井吊下后平移至右线始发。车站端头井内部净宽度为24.5m，底板处净空高度为7.97m，废水池处净空为8.97m。端头井平纵断面示意图见图1。
1.2盾构机概况
该区间采用ZTE6650型土压平衡盾构机JZ068进行施工，盾构机主机尺寸见图2，参数见表1。
盾构机安装完成后总质量达到251.68t，主机直径为6.68m，长约10.85m，因此其平移难度较大。
2盾构机井下平移施工技术
2.1盾构机平移总体步骤
盾构机平移施工总体筹划可分为9个步骤，其中最后一步为盾构机定位检查。盾构机平移施工步骤见图3。
2.2盾构机平移施工技术要点
盾构机平移前的准备工作主要包括协调车站工区、施工场地移交、临时施工用水用电、混凝土浇筑、铺设钢板等。盾构机吊装前需完成盾构机平移场地的清理，并在平移场地上浇筑53cm厚混凝土作为平移轨道基础，混凝土浇筑完成后再在其表面上铺设3cm厚钢板（钢板采用Ø16HRB400钢筋焊接牢固，钢筋锚固深度15d，钢筋无需弯折，伸出长度不超过后续铺设钢轨高度即可，钢板接缝焊接需打磨平整）。
燕山立交桥东站西端头2个盾构始发井中间设置1个尺寸为5m×5m×1m的废水池。在两侧混凝土浇筑后，对废水池进行清理并采用350型钢制作钢结构支撑放置于废水池内。钢结构支撑高度与浇筑后混凝土上表面齐平，3cm厚钢板直接铺设在钢支撑上。废水池支撑示意图见图4。
在铺设好的钢板上横向通铺焊接4排6mP43钢轨作为平移导轨，钢结构支撑与底部钢板之间采用连接板与螺栓进行连接。钢轨须直顺无缺陷，钢轨与钢板之间焊接必须牢固。
台车平移采用20号工字钢在管片小车上搭设平台，平台高度结合施工现场情况进行测量放样，搭设的平台需保持水平。左线井口前后两侧各设置1个渣土斗底座，台车下井后采用渣土斗底座借助电动车牵引平移至右线。在焊接好的钢轨上将始发托架从左线预留盾构机吊装孔吊装下井。盾构机吊装前用工字钢临时将始发托架进行加固，以防止其在吊装过程中移动。盾构机的中盾、前盾、管片拼装机、盾尾、刀盘依次吊装下井组装完成后割除加固的工字钢。在前盾、中盾处均焊接2块200mm×300mm×2cm钢板并与托架连接。盾体与托架连接钢板示意图见图5。
平移过程中需在底板焊接好的钢轨上安装夹轨式顶推千斤顶，并在左线井口托架以北的钢轨上涂抹黄油以减小盾构机平移过程中的摩阻力。2台100t千斤顶需同步开始顶推，千斤顶油缸未伸出时尺寸为1256mm，油缸最大伸长量为800mm。顶推800mm行程后，夹轨器与推进油缸前移，开始下一步平移顶推。夹轨式顶推千斤顶行程达到最大后将其拆卸重新安装直至盾构机平移至始发位置。盾构机平移示意图见图6。
在平移过程中，可通过调整盾构机内的配重和支撑位置，来保持盾构机的平衡，避免因重心偏移导致倾覆或侧移。平移时应采用先进的定位系统，如激光导向仪、全站仪等，实时监测盾构机的位置和姿态，确保平移过程中的精确定位；利用计算机控制系统对平移过程进行实时监控和调整，以确保平移路径和速度符合预定的设计要求。
2.3盾构机平移质量控制要点
盾构机主体体积庞大、重心高、前重后轻、三维运动复杂，且盾构机中间部位较为薄弱易变形，在平移过程中易发生转动和偏移，因此需在盾体外壳焊接防止盾体转动的限位钢板（见图7）。同时还需焊接钢轨引导片（见图8），其厚度为2cm，尺寸为30cm×15cm。
1）对盾构机及其相关设备进行全面检查和调试，以确保设备处于良好工作状态。
2）确保轨道铺设平整、稳固，轨道接头处光滑无缝，以避免盾构机在平移过程中出现颠簸或脱轨情况。
3）临时支撑系统必须设计合理，安装牢固，能够有效支撑盾构机及其周边结构，防止塌陷和移位。
4）确保盾构机平稳、均匀地推进，避免突然加速或减速而导致结构受力不均匀。
5）合理控制平移速度，避免过快或过慢而影响施工质量和进度。
6）盾体与托架在钢轨上平移时会因油缸顶推压力不均或油缸顶推点设置不当而产生盾体跑偏现象，因此需要在托架与钢轨接触面的两侧焊接引导片来卡住盾体，防止盾体跑偏。
3盾构机平移受力验算
3.1始发托架受力验算
盾构机平移过程中，始发托架倾斜角度为30°（见图9）。
盾构机两侧均设置托架，共11排，托架最大间距为1m，总长为10m。盾构机主体最大载荷为刀盘＋中盾＋前盾＋盾尾＋管片拼装机＋螺旋输送机＋设备桥，总质量为406.2t，因此始发托架反力为：
盾构机作用在托架梁上的分布载荷q=21.32×11÷10=23.45kN/m。梁的最大弯矩、弯曲应力计算式为：
式（1）～（3）中：G为最大载荷，按406.2t计算；F为作用于始发托架钢轨上的支反力；L为跨距，按托架最大跨距L=1m计算；W为根据标准查得托架所用H250×250×9×14型钢抗弯截面系数等效为1980cm³。
由式（3）得到弯曲应力为1.480MPa。
Q235碳素结构钢的屈服强度极限可以达到235MPa，根据抗弯应力验算，始发托架所受弯曲应力小于235MPa，故始发托架结构强度满足要求。
3.2夹轨式顶推千斤顶受力分析
在盾构机平移过程中，了解和控制盾体的摩擦力和推力是确保施工顺利进行的关键步骤。笔者针对盾构机在平移过程中的相关参数及其计算方法进行分析，以提供理论依据和实际指导。
盾体质量为406.2t，其平移过程中的摩擦力是施工过程中必须克服的重要阻力，摩擦力的计算式为：
F=μ×N （4）
式中：F为摩擦力；μ为摩擦系数；N为法向压力（即盾体的质量）。
托架与钢轨间摩擦系数为0.15～0.30，摩擦力可通过压力与摩擦系数计算求得，其摩擦力范围为：
当μ=0.15时，Fmin=0.15×406.2×9.8=597.1kN；
当μ=0.30时，Fmax=0.30×406.2×9.8=1194.2kN。
为了确保盾构机在平移过程中更加平顺，降低摩擦力则是重要的技术手段。在实际施工中，可以在钢轨上涂抹润滑剂如黄油。在平移过程中，为了保证受力的平衡，避免盾构机倾斜，需要合理选择顶推油缸。笔者选择使用2根100t的油缸进行顶推，并将其设置于平移托架的两端，以此提供足够的推力克服摩擦力。
4应急处置措施
4.1高空坠落预防措施
高空作业人员上岗前应依据有关规定接受安全技术交底，并完成签字手续。特种高空作业人员应持证上岗。采用新工艺、新技术、新材料和新设备的装备应按规定对作业人员进行相关安全技术交底。高空作业人员应体检合格后上岗。项目部应为作业人员提供合格安全帽、安全带等必备的安全防护用具，作业人员应按规定正确佩戴和使用。
在进行吊装时，工人随身携带的工具应置于工具袋中并避免掉落，吊钩挂好后应检查是否有工具遗落，吊装井口禁止摆放工具，避免掉落至始发井下方。
4.2机械伤害事故预防措施
盾构机平移过程中应随时检查施工机具的安全防护措施，保证吊装设备以及平移装置完好无损。此外，需严格遵守施工机具使用安全规范，严禁违规操作。盾构机下井吊装所用起重机应选型合理，道路平坦坚实，不得在斜坡处工作。吊装过程中应避免起吊重物长时间悬挂在空中，并应保证吊点与重物重心在同一垂直线上，吊点应在重心之上。吊装所用吊索使用前索力需经计算，吊索绑扎方法可靠，吊钩、吊环等需定期检查。
4.3触电与火灾预防措施
为避免发生触电与漏电事故，在盾构机吊装平移前应成立临时用电检查小组，并根据吊装与平移场地所在工地的管理规定，不定期地抽查现场线路和相关设施与机具，并保存检查记录。操作人员工作时必须穿戴绝缘胶鞋、手套，必须使用电工专用绝缘工具。临时配电线路需符合JGJ46—2005《施工现场临时用电安全技术规范》的相关规定。盾构施工平移区域所用配电箱需标明电箱名称、责任人、控制的各线路称谓、编号等。配电箱及开关箱周围应预留可容纳两人的空间或通道。
严格执行动火审批制度，电气焊作业等需有专人看护，并设置接渣装置。木工作业工棚内严禁吸烟，锯末等易燃物需及时清理。照明灯具应采用LED灯具或防爆灯具。
4.4应急事件处理措施
盾构机吊装平移场地内若发生物体打击事故，伤员出现创伤性出血，应当迅速止血，使伤员保持头低脚高的卧位。当吊装时发生起重机倾覆事故，若有人员被困，应首先确定被困人员的位置，组织现场急救。挖救被困人员时，切勿用机械，以防伤人；采取必要的抬升、切割、顶升设备将碰撞挤压伤者的吊具、吊物等移开实施救援。当发生盾体侧翻事故时，应首先检查有无其他人员被砸伤或掩埋。挖救被困人员时可调用其他起重设备将侧翻设备缓慢拉起，顶升稳固，再组织抢救被埋人员。
5结语
笔者结合实际工程，将盾构机下井吊装与平移施工分为9个步骤，介绍了盾构机在井下通过导轨平移至指定位置的技术措施，即：
1）针对ZTE6650型总质量达到406.2t的大型盾构机，可设置11道H250×250×9×14型工字钢制作托架，若托架角度为30°，可采用2根100t的液压油缸对称设置实现平移。
2）针对盾构机吊装下井平移进行了风险分析，分别从高空坠落、机械伤害以及触电与火灾等方面提出了对应的预防措施，并对出现事故后的应急处理提出了施工建议。该技术措施可为类似工程的应对处理提供参考。
转载文献来源：中国知网-市政技术
