北京地下直径线隧道加固设备及施工技术研究 北京地下直径线隧道加固设备及施工技术研究
万 鹏， 杨建福， 李 刚
(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)
摘 要：针对北京地下直径线上穿、下穿地铁线路的特殊工况，借鉴盾构管片安装的原理，研究设计出了一种采用中心回转、伸缩可调方式、永磁吸盘钢板快速安装法、柔性基准精确对位法等先进技术的钢衬板加固安装成套设备，满足了在上穿和下穿的地下区间内采用整环钢板加固的施工需求。现场施工实践表明：采用这种技术，可成功解决大直径隧道内的重型或大尺寸构件的快速抓取、提升以及精确对位问题。该技术的成功实施，为城市轨道交通的地下隧道在上穿、下穿区间或者地表建筑物变化引起的负载变化对地铁产生影响时的隧道加固提供了方案选择和技术支持，具有良好的社会效益和推广价值。
关键词：隧道加固设备；钢衬板；安装
随着我国城市轨道交通的发展，城市地下空间将进一步开发，隧道、涵洞等地下结构物势必会有上穿或者下穿的情况；在城市建设快速发展的时期地表构筑物更迭迅速，并向着高层空间发展，对地下的土压力也会带来一定的影响，城市隧道将会出现更多的加固现象[1]。目前，国内外有类似的隧道加固施工经验，但没有相关的加固设备可以借鉴。传统的思路是采用搭设简易脚手架的方式，需要大量的人工进行安装，并且需要将整环钢板分成更多重量轻、尺寸小的构件，安装质量和效率都较低，尤其是在高空作业下容易造成人身危险。所以，为满足隧道加固的施工需求，中铁第五勘察设计院研究设计出一种用于北京地下直径线隧道加固的设备，并对其施工技术进行研究。
1 工程概况
北京站至北京西站地下直径线(见图1)全长9.2 km。直径线与地铁2号线最小间距仅1.75 m，下穿地铁4号线宣武门车站，再上穿5号线崇文门站，如图2所示；明城墙、箭楼、正阳门老火车站等国家级文物都紧邻隧道，施工难度大；建设后期地铁8号线需要上穿地下直径线[2]。为了保证隧道的安全，在上穿及下穿的区间内隧道准备采用整环钢板加固的方案。隧道直径10.5 m，盾构开挖而成，加固用内衬钢板由6块组成1环，每块长4.8 m，宽0.6 m，厚度16 mm，重量达到500 kg。由于隧道直径较大，施工高度过高，如果没有特有的安装方法和设备，很难用传统人工方法进行举升安装。
图1 北京地下直径线隧道加固
图2 地下直径线概况
2 加固安装设备介绍
结合现场施工环境和加固要求，研究设计出一种用于隧道重型构件全断面对位安装施工设备——衬板机。该加固设备主要包括回转主体、工作平台、行走机构、伸缩臂、爬梯、控制面板、主控柜等7个主要部件，如图3所示。其主要部分的功能是：
(1)回转主体是衬板机的主要动作完成部件，用于钢板的回转运输、定位和安装。当隧道内需要通过车辆时，可将其回转至水平位置。
图3 隧道重型构件全断面对位安装设备(衬板机)结构
(2)工作平台是用于工作人员行走的装置，有效地保障了高空作业人员的人身安全。
(3)行走机构是一种无轨行走系统，用于整个衬板机的前后运动，使衬板机运动到准确的工位。
(4)伸缩臂用于钢衬板的对位安装，伸缩臂的长度可调节，可用于不同高度衬板安装，同时设置成伸缩方式可以将回转中心上移，减小了提升钢板结构所用的空间，增大了施工现场下部的过车空间。
方案比选时充分考虑了设备部件在竖井中运输问题和地下安装问题。北京地下直径线隧道断面大，直径为10.5 m，这就使得设备整体尺寸大。由于在线路设计时只有天宁寺桥和崇文门两个竖井口[3]，崇文门竖井主要用于辅料进出隧道，尺寸相对较小，因此在衬板设备进洞之前需要考虑进洞的顺序及方法。设备采用模块化设计，单独构件不超过3 t，但是如果构件拆装太散，对于洞内安装将有很大困难，如何处理构件尺寸及进洞方便性的问题是很关键的。设备进洞采取了三维模拟进洞法，有效避开危险构筑物，最大限度的利用洞口空间，而且将构件尺寸保存的尽量完整，使得设备进洞后的安装工作量大大减小。
3 施工技术研究
衬板机的动作全部由电脑控制精确对位，并全程监控。首先，将预制好的钢衬板推至安装工位，进行初步定位，中心回转装置将安装头旋转并伸长至钢衬板安装工位，采用永磁吸盘将钢板快速安装，伸缩装置将工件收回，中心回转装置将钢衬板旋转至合适的角度，并再次伸出机械臂将钢衬板顶至与隧道管片很小的距离停止，采用柔性基准将钢衬板的螺栓孔与预埋螺栓精确对位，对位后将钢衬板进行安装。其施工工艺流程见图4。
3.1 顶部钢衬板安装
图4 施工工艺流程
施工准备→清理管片内壁→打孔→安装化学锚栓→钢衬板加工修整→衬板设备就位→调整安装设备位置→钢衬板就位→旋转安装臂→同时伸出上安装臂→安装臂就位→安装钢衬板→安装辅助保护装置→上安装臂收回→伸出下安装臂→旋转180°→安装钢衬板→将钢衬板旋转→调整上安装臂的位置→调整柔性对位装置→安装定位孔螺栓→调整钢板位置→安装所有螺栓→调整钢衬板与管片间隙(2 mm)→完成顶部衬板安装→格构板焊接→灌注刚性树脂浆液→弹性环氧胶泥封边。
3.2 侧部钢衬板安装
前期基本工作一致，只是在调整配重时有所区别。
衬板设备就位→调整安装设备位置→钢衬板就位→旋转安装臂→同时伸出上安装臂→安装臂就位→安装钢衬板→安装辅助保护装置→上安装臂收回→伸出下安装臂→旋转180°→安装钢衬板→将钢衬板旋转合适角度→伸出上安装臂→延长下安装臂→安装定位孔螺栓→调整钢板位置→安装所有螺栓→调整钢衬板与管片间隙(2 mm)→完成侧衬板安装。
衬板机采用磁力吸盘配合辅助定位器形成重型构件的快速抓取方式，取代了以往采用吊钩或者托架等笨重的大空间结构。由于所抓取构件为弧形构件，磁力吸盘进行了特殊的处理，使其在抓取弧形构件旋转过程中不会脱落。重型、大尺寸钢衬板在高空需要与预埋的安装螺栓进行精确对位，构件安装螺栓孔多，安装螺栓孔间隙小，构件如果采用机械对位很容易造成损伤，并且间隙不易调整；采用柔性基准对位法，能够一次将多孔的联系法兰轻松安装好，提高了精确安装的效率。
现场施工流程如图5所示。
图5 现场安装钢衬板
4 施工效率对比
与传统人工安装，衬板机在安装方式、操作方式、安装时间、安装构件重量能力以及能耗方面具有很大优势，如表1所示。
表1 人工安装与衬板机安装施工效率对比
项目传统人工安装衬板机安装安装手动葫芦及人工抬机械抓取及自动安装操作喊口号，人工触摸屏一键，自动调整实时监控安装时间小断面可以安装，费时费力，大断面无法完成40～50块/d构件重量小于100kg500kg动力人力外接电力10kW
表1和现场施工实践表明，衬板机的技术经济效益要优于人工安装。采用衬板机机械化施工取代了简易安装架施工，不仅大大降低了人工成本，还提前完成了施工，减少人工费用30万元、设备租赁费用25万元，采用电力作为动力、节能环保。采用双向抓板互为配重的方式，降低设备功率17 kW，节约电量2万余kW。
5 结束语
本文主要介绍了北京地下直径线加固设备——衬板机及其相关的施工流程。该技术在北京地下直径线成功应用，为此类隧道内的钢结构抓取和定位安装提供了很好的思路，并且解决了大直径隧道内的重型或大尺寸构件的快速抓取问题、提升问题以及精确对位问题和因增加加固衬板工程带来的与其他施工作业交叉问题，有利于解决城市地下隧道的病害问题，提高隧道的安全性，为施工方带来了极大的便利，具有良好的社会效益。
参考文献：
[1]陈庆怀.北京铁路地下直径线工程方案选择及实施[D].北京：清华大学，
[2]张厚贵.北京地下直径线工程简介[J].铁路技术创新，(04)：6-7
[3]王 凯,邵启昌.北京地下直径线隧道上跨地铁5号线崇文门站专项施工技术[J].铁路技术创新，(04)：53-55
A Study of the Strengthening Equipment and Construction Techniques for the Underground Diameter-Line Tunnel in Beijing
WAN Peng， YANG Jianfu， LI Gang
(The 5th Reconnaissance and Design Institution Group Co. Ltd. of the Railway Building Corporation of China，Beijing 102600,China)
Abstract：With the special engineering conditions of the tunnel over-crossing and under-crossing the subway taken into account,and referring to the principle of the installation of the pipe segments for a shield, studied and designed in the paper are a quick installation method for the centrally rotary,telescopically adjustable,permanently magnetic sucker steel slabs,aflexiblefiducialaccuracypolyphonymethod,andsomeotheradvancedtechniquesandawholesetofsteel-lining-slab-reinforcingandinstallingequipment,whichmaymeettheconstructionrequirementsofwholeringsofsteelslabsforthereinforcementoftunnelprojectseitherover-crossingorunder-crossingthesubways.Theconstructionpracticeshowsthatthistechniquecansuccessfullysolvetheproblemsoffastgrabbing,liftingandpreciselyaligningheavyorlarge-sizedcomponentsinlarge-diametertunnels.Thesuccessfulimplementationofthistechniqueprovidesthealternativeschemesandtechnicalsupportfortheconstructionofundergroundtunnelsintheunder-crossingorunder-crossingsectionsandforthegroundbuildingswhosechangeinloadshaseffectonthesubwayandinwhichcasethetunnelhastobereinforced.Asaresult,thetechniqueisofgreatimportanceinbothsocialbenefitandpopularization.
Key words：tunnel-reinforcing equipment;steel lining slab;installation
收稿日期：-11-25
基金项目：中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研发课题(T5Y-D06)
第一作者简介：万 鹏(1982—)，男，高级工程师，主要从事隧道施工机械研究。yangjianfu2705@
DOI：10.13219/j.gjgyat..02.001
中图分类号：U457.3
文献标识码：B
文章编号：1672-3953()02-0001-04
