土压平衡盾构出渣操作平台改造升级探讨

土压平衡盾构出渣操作平台改造升级探讨

赖集怡

粤水电轨道交通建设有限公司

摘要：介绍了珠三角城际广佛环线金融城站～智慧城站区间盾构出渣施工操作平台的改造升级案例。根据本工程土压盾构施工需求，结合施工场地条件、社会环境等因素，对盾构出渣施工操作平台进行合理的改造升级，以此来达到优化出渣工序，提升渣土装车及外运效率，匹配盾构掘进进度，提高施工效率的目的。

关键词：盾构；出渣操作平台；改造升级

1 工程背景

珠三角城际广佛环线金融城站～智慧城站区间（下称“金～智区间”）采用土压平衡盾构法施工，区间长度4313m，隧道管片外径8800mm，环宽1800mm，区间共配置两台φ9100mm土压平衡盾构机。盾构渣土洞内运输采用水平连续皮带机输送，至工作井口后采用斜皮带将渣土输送至渣土池内临时存储。提前在渣土池内制作安装出渣操作平台，供挖掘机站位掏挖渣土装车和土方运输车辆行驶。

2 场地条件及周边环境情况

2.1 场地条件

本工程位于广州市天河区科韵北路附近，盾构工作井及明挖配线段平面位于（交通导改前）原科韵路旧路上，盾构井扩大端及明挖段总长度118m，其中扩大端侧70米为盾构工作井及材料堆放场地，另一端48米在顶板上方设置盾构渣土池，用于临时存储盾构渣土。整个施工场地呈狭长形，仅有西侧单边施工便道，考虑到盾构施工需要，将明挖区间两个箱型结构的坑槽进行回填、表面作硬化处理，作为盾构管片等材料堆放场地及车辆行走通道，场地平面示意图见图1所示。

图1 施工场地平面布置示意图

2.2 周边环境情况

本工程位于广州市天河区，地处中心城区范围内，根据属地环保政策、道路交通管理等政策的要求，白天不允许渣土运输车辆上路行驶，一般情况下仅夜间20:00～4:00（次日）才允许渣土运输车辆，即每天仅有4小时时间可进行渣土外运。因此，在出渣作业时间有限、场内存渣池容量有限的情况下，必须保证较高的渣土外运效率，才能与盾构掘进施工进度相匹配，实现盾构连续推进。

3 原渣池出渣操作平台方案

3.1 原方案介绍

原渣池出渣操作平台沿渣池长边方向（南北方向）布置，出渣操作平台为高架钢桥结构，平台宽度4米，平台面高度高出渣池挡墙顶部约0.3m。在平台两端各布置一台反铲挖掘机（左侧为短臂型，右侧为加长臂型）负责池内渣土掏挖，并在两端分别设置一个渣土装车点，渣土运输车辆装渣完毕后，左侧渣土装车点①的运输车辆由左右线间便道行驶出场外，右侧渣土装车点②的运输车辆经场地西侧唯一便道行驶出场外。渣池平台布置详见图2所示。

图2 原渣池平台平面布置图

3.2 原出渣操作平台的使用情况及缺点

原出渣操作平台投入使用后，经过一段时间的渣土外运作业，外运效率不及预期，在白天无法外运仅夜间允许外运的条件下，无法完全满足两条隧道的掘进出渣需求。其存在的问题主要有以下几方面：

1、渣土装车点数量不足，整个渣土装车外运工序中，在渣土车辆接力不间断的情况下，装车点数量及装车效率将直接影响外运效率；

2、两个装车点的渣土车辆均为双向行驶（往返方向），由于施工便道较窄，车辆相向行驶时不可避免地出现减速错车的情况，整体效率降低。

3、由于出渣操作平台单向居中，而皮带卸渣口位于渣池紧贴渣池上下两侧边布置，挖掘机臂的旋转半径有限而无法覆盖整个渣土池，当渣土流动性较低时容易堆积较难进入挖掘机臂作业范围内，降低了渣池的有效使用容量，同时增加了渣池清掏工作难度。

4、由于渣土装车点直接设置在平台通道上，渣土遗撒明显，导致平台的文明施工状况较差。

3.3 出渣操作平台改造升级需求

为提高盾构渣土外运效率，更好地服务于现场盾构施工，决定对原出渣操作平台进行改造升级。结合前阶段的使用情况分析，确定本次改造的主要功能需求：

1、增加渣土装车点数量，减少渣土车辆等待的时间，提高装渣及外运效率；

2、优化现场的交通线路组织，参考城市道路复杂路口的“环岛”设计理念，使场内渣土运输车辆按单方向行驶，减少或避免错车情形。

3、增大出渣操作平台挖掘机的作业覆盖范围，减小掏挖作业盲区。

4、改善出渣操作平台的文明施工状况。

4 出渣操作平台改造升级方案

4.1 改造升级方案

以原出渣操作平台作为主通道，沿垂直于主通道的方向（东西方向）设置3个延伸平台，与主通道相连接，其中主通道西侧设置2个延伸平台，主通道东侧设置1个延伸平台，所有延伸平台均与渣池挡墙相接；同时将原渣土装车点②处的连接平台扩大。改造后，渣池共有3个渣土装车点，共设置3台挖掘机负责渣土掏挖装车作业，其中装车点①为短臂反铲挖掘机，装车点②、③为长臂反铲挖掘机。利用各挖掘机在延伸平台上的移动，可实现覆盖渣池大部分区域，最大程度较小掏挖作业盲区。

车辆交通组织方面，场地西侧施工便道、渣池主通道和左右线间便道共同组成了环形线路，渣土车辆可按“工地大门→西侧施工便道→渣池主通道→渣土装车点→左右线间便道→工地大门”的路径单向行驶，如图2所示。

图3 改造升级后的渣池平台平面布置图

4.2 改造后出渣操作平台的使用优势

本次渣池平台改造升级，在充分利用场地条件及资源的基础上，对盾构施工使用需求做了相对全面的响应，取得了较好的使用效果，主要体现在以下几个方面：

1、渣土装车点数量由原来的2个增加至3个，减少了渣土车辆在现场的等待时间；

2、渣池平台主通道的设置，使3个渣土装车点之间可以独立工作，互不影响，各装车点的车辆装渣完成即可驶离平台，大大提高了渣土装车及运输效率。

3、改造后，利用各挖掘机在延伸平台上的可移动性，可实现覆盖渣池大部分区域，最大程度较小掏挖作业盲区，提高渣池实际可利用容积。

4、渣池平台改造后，场地西侧施工便道、渣池主通道和左右线间便道共同组成了环形线路，渣土车辆在施工场地内实现单向形式，避免了会车错车的情况，场内交通状况得以优化。

5、渣池平台的渣土装车点与主通道的分离，避免渣土装车时直接遗撒至主通道上，现场文明施工情况得到较大改善。

4.3 出渣操作平台结构设计

1、设计概况

以渣池平台主通道为对象，介绍平台的结构设计情况，渣池延伸平台的结构设计与主通道基本一致。本渣池平台总体为高架钢桥结构，桥梁结构自下至上由立柱结构、柱间横向支撑、柱间纵向支撑、柱顶平台横梁结构、平台纵梁、平台面板、平台侧挡梁、栏杆等钢结构构件组成，桥梁结构纵剖面图见图4所示，横剖面图见图5所示。

图4 渣池作业平台主通道纵剖面图

图5 渣池作业平台主通道横剖面图

2、结构验算

1）纵梁计算：

己知挖掘机工作时总荷重32吨，运土汽车工作时总荷重45吨

为偏向安全纵梁按不考虑上平台面板参与工作进行结构验算，纵梁取12米单元自重不计按均布活荷载连续梁计算。

纵梁计算图如下：

①纵梁受力计算

取冲击系数1.8

单边最大均布荷载q=32000*1.8/2/450=64kg/cm

最大弯矩Mx=0.101ql2=0.101*64*4502=1308960 kg.cm

最大支座剪力QB左=-0.55ql=-0.55*64*450=15840 kg

②纵梁截面力学特性计算：

纵梁用H200*200*8*12型钢，查表   Ix=7420cm4  Wx=742cm3

双纵梁共同工作， I= 2 Ix=2*7420=14840cm4

W=2Wx=2*742=1484cm3

③双纵梁最大弯曲应力及挠度计算

σmax =Mx/W=1308960/1484=882kg/cm²＜[σ]= 1600kg/cm²

跨中挠度f=K*ql4/（100EI）=0.99*64*4504/（100*2.1*106*14840）=0.834cm

f=0.585cm＜[f]= 400/250=1.6cm

④双纵梁最大剪应力计算

A1=20*1.2=24cm2，A2=8.8*0.8=7,04cm2

S1=A1*9.4+A2*4.4=24*9.4+7,04*4.4=256.6cm3

双纵梁面积矩S=2*S1=2*256.6=513.2cm3

τ=QB左S/Iδ=15840*513.2/（14840*2*0.8）=342.4kg/cm2＜f=1250kg/cm²

2）钢桥横梁验算

①横梁受力计算：

横梁用H300*300*10*15型钢，查表   Ix=20010cm4  Wx=1334cm3

横梁受力按简梁均布荷载计算如下图

单条横梁承受一台挖活荷载P1=32000kg。

单条横梁承受结构自重G=5089kg

单条横梁计算均布荷载q1=(32000*1.8+5089*1.3)/288=223kg/cm

跨中最大弯矩Mmax=q1l2/8=223*2882/8=2312064kg.cm

最大支座反力R=q1l/2=223*288/2=32112kg

②横梁最大弯曲应力及挠度计算

最大应力σmax =Mmax/wx=2312064/1334=1733kg/cm2＜f=2100kg/cm2

最大挠度fmax=5q1l4/（384EI）=5*223*2884/（384*2.1*106*20010）=0.48cm＜[f]=288/400=0.72cm。

③横梁最大剪应力计算

A1=30*1.5=45cm2，A2=13.5*1.0=13.5cm2

横梁面积矩S=A1*14.25+A2*6.75=45*14.25+13.5*6.75=732cm3

τ=RS/Iδ=28800*732/（20010*1.0）=1053kg/cm2＜f=1250kg/cm²

3）钢桥立柱验算

①立柱受力计算：

立柱用Ⅰ40a双拼工字钢，查表   I0y=660cm4  A1=86.1cm2

双拼工字钢对y轴计算截面Iy，Iy= I0y+A1*a2=660+86.1*7.12=5000cm4

最小回转半径    计算得ι=7.62

立柱高度L=489.4cm. 计算长度L0=2*489.4=978.8cm

双拼工字钢压杆长细比λ= L0/ι=978.8/7.62=128.5

 双拼工字钢为b类压杆查稳定系数Ψ=0.397

单柱承受平台重及自重G=3206 kg；承受挖土机活动荷载P=32000/2=16000 kg

单柱承受设计荷载F=G*1.3+P*1.8=3206*1.3+16000*1.8=32968 kg

②立柱压应力计算：

双拼工字钢压应力σ=F/（A总*Ψ）=32968/（2*86.1*0.397）=482 kg/cm2

结论：本钢桥结构符合安全要求。

5 结论

渣土外运是土压盾构施工中的关键工序之一，也是影响盾构施工工效的主要因素之一，如今在城市隧道工程中采用盾构法施工往往面临场地狭小、工程车辆限时上路等条件限制，因此必须确保渣土外运具备较高的效率，以满足盾构施工需要。本工程中以出渣操作平台的改造升级为例，解决了常规出渣操作平台设计易出现的弊病和问题，提高了渣土外运效率及盾构施工整体工效，可为今后类似工程提供一定的借鉴和参考。

参考文献：

[1]张小熊，游志诚.土压平衡盾构机渣土运输系统设计[J].山西建筑,2016.

[2]梁龙.土压平衡盾构机渣土开挖运输系统[J].中国金属通报，2021.

[3]韩玉刚，李建宁，陈永宏.钢桥设计方法及应用的研究[J]. 城市建设理论研究（电子版）,2014.