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摘 要：据国内盾构施工现状调查，按照同条件下正常施工进度，Ф8 780盾构机下井组装调试至始发至少需60 d时间，进度缓慢，工期安排不紧凑，且过程中发生了诸多质量问题，导致耗费大量人力与物资，并承担极大的风险。此外，盾构机造价昂贵，若在组装过程中出现质量问题，不仅会影响后续掘进施工，还会减少机械的使用寿命。本文章针对广东省水电集团与广船国际合作研发的Ф8 780土压平衡盾构机组装施工展开深入研究，从盾构机吊装、组装施工顺序、盾体焊接施工工艺等难题进行创新，形成了一套非常有效的施工方案并取得了良好的施工效果，为日后大盾构施工提供了宝贵的技术参考。
关键词：Ф8 780盾构机；盾构吊装；主驱动；变形；焊缝；残余应力
中图分类号：U455.39 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）21-0057-02
近三十年来，由于土压平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发及接收等一系列技术难题的解决，使得盾构技术有了较快的发展。由于地面交通的日益拥挤和地下设施的密集化，工程用地不易确保，地下结构物的存在使得盾构施工直径加大的同时长度也有加大的趋势。
我们不断创新盾构施工技术，唯有以高标准控制盾构机组装质量，才能应对大直径盾构施工的风险，从而确保盾构机性能，以便在长距离掘进过程中正常运行。因此，为保证盾构机组装质量及使用性能，力争在最短的时间内创造最大的效益，本课题对盾构机组装技术进行探讨，研究出一套高效优质的盾体组装施工技术。
1 Ф8 780土压平衡盾构机简介
本项目所使用的设备为直径8 780 mm土压平衡盾构机，是广东省水电集团与广船国际合作研发的首台大直径盾构机。该盾构机最大开挖直径8 820 mm，整机全长81 175 mm；无极调速0.1～4.0 rpm；传动方式为电动机-减速机-小齿轮-带齿圈的大口径轴承-刀盘滚筒-中间梁-刀头。
盾构机共分为五部分：①刀盘，厚度800 mm，分两块。刀具分布情况为：中心滚刀4把、双刃滚刀5把、单刃滚刀40把、切削刀120把、边刮刀36把、外周保护切削刀12把、刀座保护切削刀30把、注入孔保护切削刀8把、磨损检测刀2把、仿形刀1把、超挖刀1把。②A环厚度为3 030 mm，分成1、2、3、4共四个片体。③B环厚度3 200 mm，分成1、2、3、4共四个片体。④CD环厚度1 515 mm，分为1、2、3、4四个片体。⑤EF环厚度4 715 mm，分为1、2、3共三个片体。
铰接系统总推力为56 000 kN；水平、垂直角度为1.5？觷，行程300 mm；使用压力35 MPa；数量16根（分四组）；开挖面单位推力：925 kN/m。
盾构机总推力为72 000 kN，行程2 450 mm；装备数量24个（6个分区）；伸出速度6.5 cm/min（全数动作）；100 cm/min（7根动作）；开挖面单位推力1 189 kN/m。
2 盾构机组装流程
盾构机吊装顺序与盾体组装顺序应环环相扣，因此吊装顺序严格按照盾构机组装次序进行。由于1#始发井场地极为狭小，并无多余空间存放盾构机各部件。因此，必须制定周全的运输、吊装及组装方案，否则将会造成诸多不必要的麻烦。期间，通过与设计、制造方反复沟通，多次召开专家研讨会，确定以何种顺序进行组装以达到既省时又经济安全的施工效果。
3 盾构机吊装施工
根据1#始发井场地情况及盾构机各部件重量，确定吊机组合及站位情况。盾体最重部件为主驱动，重达153 T。因此，以此为最不利条件确定吊装施工方案。通过对吊机参数及各施工资料进行分析，确定两种配合方案，方案比选如表1所示。
由表中对比可知，两种方案各有优势。方案1安全系数高，但费用较高；方案2安全系数略小，但费用减少一半。因此采用方案2，节约成本的前提是确保吊装安全系数。通过研究，若能使两台吊机在吊装过程中受力均匀，便能保证吊装安全系数。此处，利用滑轮组原理，排除人为操作造成的风险，确保两台吊机承受荷载一致。盾构机内部复杂结构为吊装带来了一定的困难。
3.1 主驱动吊装
主驱动吊装施工时，因重量大，且吊装力臂长，在吊装翻身过程中极易因为超载而导致倾覆。因此，特巧妙利用翻身工桩，避免了主驱动在翻身时造成单个吊机超负荷的风险。
吊装过程中，用两台吊机分别吊住主驱动上部两个吊耳。并在主驱动底部安装专用翻身工装，如图所示。当主驱动吊离地面时时，拆除翻身工具。250 t履带吊与300 t汽车吊同时摆臂直至到达井口上方吊装位置，慢慢将主驱动放于A环下部的主驱动位置上并用定位螺丝连接定位。
在吊装过程中，对吊机站位区域及始发井结构布设多个监控点，及时控制地面沉降。一旦发现沉降，立即停止吊装施工。
3.2 CD环吊装
CD环结构特殊，内置24个推进千斤顶，总重约130 t。CD环长度1 515 mm，而千斤顶长度为3 860 mm。由此可见，吊装重心不在CD环片体上，而在油缸长度范围内。但因油缸结构限制不能作为受力点，因此导致CD环吊装重心难以掌控。按照技术支持单位三菱公司提供CD环组装方案，CD环连带油缸成片体组装下井，垂直水平梁单独安装。通过多次研究讨论，充分考虑工期及吊装安全，此种方案有多个弊端：①重心无法掌控，吊装中极易发生变形；②垂直水平梁拆卸后定位困难，安装难度大；③操作复杂，工期时间长，不满足盾构机组装工期要求。
为解决以上困难，结合场地实际情况研究决定采取如下方案：将CD环油缸全部拆除，垂直水平梁与C-D环片体连带整体下井的方式，比三菱公司提供的组装方案节省了6 d时间。
具体实施方案为：
①油缸全部拆除，片体2、4分别连带垂直水平梁整体吊装，避免了拆装垂直水平梁定位的困难。②油缸安装。CD环片体1、2、3、4及垂直水平梁定位安装好后，依次安装24个油缸。③整体安装完毕，所需工期为4 d，且吊装、安装过程中未发生任何变形，定位偏差控制在±2 mm。 4 盾体焊接施工
盾体焊接工作量大（共198 m）、焊缝种类多、焊接形式复杂，且变形量不易于控制。焊缝工程量统计如表4所示。对于脆性材料的焊接，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力不断增加。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，最后导致构件整体破坏。因此焊接过程中，采取了一系列措施重点减小焊接残余应力。
采用合理的装配、焊接顺序及方向：①钢板拼接焊缝的焊接；②同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时，先焊收缩量大的焊缝；③工作时受力较大的焊缝应先焊；④平面交叉焊缝的焊接。先焊对接立焊缝，然后焊角焊缝；先焊纵向焊缝，再焊横向焊缝。
缩小焊接区与结构整体之间的温差（预热法、冷焊法），对于组装过程中的纵缝及环缝的焊接采取如图1所示焊接顺序。
4.1 纵缝焊接施工质量控制措施
①为避免母材焊缝出现缺陷，每条开端焊缝，根据母材板厚装配同材质的引弧板和熄弧板，引弧板要保持与坡口形状一致，尺寸一般采用50×50 mm，在引弧板上预先调整好电流和电压。②片体之间纵缝应对称焊接（四条纵缝），外部填充之后焊接内部，内部焊完再进行外部焊接。焊接之前要进行加热处理，所需预热温度取决于板厚（预热温度一定要在距焊缝剖面50 mm距离处测量）。③纵缝在长度方向应分段焊接，500～600 mm一段，由中间向两端焊接，以减小焊接造成的变形。④EF环不同于其他环，分为三个片体。因此，焊接过程保证3条焊缝同时进行，且以同样的方式分段，焊接速度保持一致（电流、电压保持一致）。
4.2 环缝焊接施工质量控制措施
①EF环与CD环焊接时，采取段焊方式，同向循环焊接，且保证两个焊点在对角线上。②A环、B环焊接时，第一层焊缝从下往上焊接，第二层采取段焊方式，同向循环焊接，且保证两个焊点在对角线上。
4.3 焊缝质量检验措施
①外观检测。焊缝不得存在未满焊、根部收缩、咬边和接头不良的等缺陷；不得存在表面气孔、夹渣、裂纹和电弧擦伤等缺陷。②超声波探伤、磁粉探伤。③焊角尺寸≤8 mm的水密焊缝要进行着色探伤（PT），其它水密焊缝要严格进行外观检查。
5 结 语
随着地下空间的开发利用和城市市政综合管线的建设，全世界盾构隧道也逐渐呈现出“大、长、深”的发展趋势。伴随着我国经济发展和基础设施建设的迫切需要，越来越多的大直径盾构隧道工程即将或正处于施工阶段。近年来，局盾构施工停留在直径Ф6 250 mm领域。此次Ф8 780大盾构施工，是首次自主生产盾构机，首次参与大铁建设项目，首次进行大盾构施工。因此，对大盾构施工技术的研究任重道远。
本课题针对地下隧道盾构施工领域大盾构组装施工的特点难点，有重点有方向的以技术创新为核心，以缩短工期、节约成本为目标，对盾构机焊接、组装施工技术进行了技术攻关，在相关领域创造了全新的记录，为日后的大盾构组装施工技术提供了非常宝贵的参考经验。
参考文献：
[1] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] JGJ 81-2002，建筑钢结构焊接技术规程[S].
关键词：Ф8 780盾构机；盾构吊装；主驱动；变形；焊缝；残余应力
中图分类号：U455.39 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）21-0057-02
近三十年来，由于土压平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾构始发及接收等一系列技术难题的解决，使得盾构技术有了较快的发展。由于地面交通的日益拥挤和地下设施的密集化，工程用地不易确保，地下结构物的存在使得盾构施工直径加大的同时长度也有加大的趋势。
我们不断创新盾构施工技术，唯有以高标准控制盾构机组装质量，才能应对大直径盾构施工的风险，从而确保盾构机性能，以便在长距离掘进过程中正常运行。因此，为保证盾构机组装质量及使用性能，力争在最短的时间内创造最大的效益，本课题对盾构机组装技术进行探讨，研究出一套高效优质的盾体组装施工技术。
1 Ф8 780土压平衡盾构机简介
本项目所使用的设备为直径8 780 mm土压平衡盾构机，是广东省水电集团与广船国际合作研发的首台大直径盾构机。该盾构机最大开挖直径8 820 mm，整机全长81 175 mm；无极调速0.1～4.0 rpm；传动方式为电动机-减速机-小齿轮-带齿圈的大口径轴承-刀盘滚筒-中间梁-刀头。
盾构机共分为五部分：①刀盘，厚度800 mm，分两块。刀具分布情况为：中心滚刀4把、双刃滚刀5把、单刃滚刀40把、切削刀120把、边刮刀36把、外周保护切削刀12把、刀座保护切削刀30把、注入孔保护切削刀8把、磨损检测刀2把、仿形刀1把、超挖刀1把。②A环厚度为3 030 mm，分成1、2、3、4共四个片体。③B环厚度3 200 mm，分成1、2、3、4共四个片体。④CD环厚度1 515 mm，分为1、2、3、4四个片体。⑤EF环厚度4 715 mm，分为1、2、3共三个片体。
铰接系统总推力为56 000 kN；水平、垂直角度为1.5？觷，行程300 mm；使用压力35 MPa；数量16根（分四组）；开挖面单位推力：925 kN/m。
盾构机总推力为72 000 kN，行程2 450 mm；装备数量24个（6个分区）；伸出速度6.5 cm/min（全数动作）；100 cm/min（7根动作）；开挖面单位推力1 189 kN/m。
2 盾构机组装流程
盾构机吊装顺序与盾体组装顺序应环环相扣，因此吊装顺序严格按照盾构机组装次序进行。由于1#始发井场地极为狭小，并无多余空间存放盾构机各部件。因此，必须制定周全的运输、吊装及组装方案，否则将会造成诸多不必要的麻烦。期间，通过与设计、制造方反复沟通，多次召开专家研讨会，确定以何种顺序进行组装以达到既省时又经济安全的施工效果。
3 盾构机吊装施工
根据1#始发井场地情况及盾构机各部件重量，确定吊机组合及站位情况。盾体最重部件为主驱动，重达153 T。因此，以此为最不利条件确定吊装施工方案。通过对吊机参数及各施工资料进行分析，确定两种配合方案，方案比选如表1所示。
由表中对比可知，两种方案各有优势。方案1安全系数高，但费用较高；方案2安全系数略小，但费用减少一半。因此采用方案2，节约成本的前提是确保吊装安全系数。通过研究，若能使两台吊机在吊装过程中受力均匀，便能保证吊装安全系数。此处，利用滑轮组原理，排除人为操作造成的风险，确保两台吊机承受荷载一致。盾构机内部复杂结构为吊装带来了一定的困难。
3.1 主驱动吊装
主驱动吊装施工时，因重量大，且吊装力臂长，在吊装翻身过程中极易因为超载而导致倾覆。因此，特巧妙利用翻身工桩，避免了主驱动在翻身时造成单个吊机超负荷的风险。
吊装过程中，用两台吊机分别吊住主驱动上部两个吊耳。并在主驱动底部安装专用翻身工装，如图所示。当主驱动吊离地面时时，拆除翻身工具。250 t履带吊与300 t汽车吊同时摆臂直至到达井口上方吊装位置，慢慢将主驱动放于A环下部的主驱动位置上并用定位螺丝连接定位。
在吊装过程中，对吊机站位区域及始发井结构布设多个监控点，及时控制地面沉降。一旦发现沉降，立即停止吊装施工。
3.2 CD环吊装
CD环结构特殊，内置24个推进千斤顶，总重约130 t。CD环长度1 515 mm，而千斤顶长度为3 860 mm。由此可见，吊装重心不在CD环片体上，而在油缸长度范围内。但因油缸结构限制不能作为受力点，因此导致CD环吊装重心难以掌控。按照技术支持单位三菱公司提供CD环组装方案，CD环连带油缸成片体组装下井，垂直水平梁单独安装。通过多次研究讨论，充分考虑工期及吊装安全，此种方案有多个弊端：①重心无法掌控，吊装中极易发生变形；②垂直水平梁拆卸后定位困难，安装难度大；③操作复杂，工期时间长，不满足盾构机组装工期要求。
为解决以上困难，结合场地实际情况研究决定采取如下方案：将CD环油缸全部拆除，垂直水平梁与C-D环片体连带整体下井的方式，比三菱公司提供的组装方案节省了6 d时间。
具体实施方案为：
①油缸全部拆除，片体2、4分别连带垂直水平梁整体吊装，避免了拆装垂直水平梁定位的困难。②油缸安装。CD环片体1、2、3、4及垂直水平梁定位安装好后，依次安装24个油缸。③整体安装完毕，所需工期为4 d，且吊装、安装过程中未发生任何变形，定位偏差控制在±2 mm。 4 盾体焊接施工
盾体焊接工作量大（共198 m）、焊缝种类多、焊接形式复杂，且变形量不易于控制。焊缝工程量统计如表4所示。对于脆性材料的焊接，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力不断增加。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，最后导致构件整体破坏。因此焊接过程中，采取了一系列措施重点减小焊接残余应力。
采用合理的装配、焊接顺序及方向：①钢板拼接焊缝的焊接；②同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时，先焊收缩量大的焊缝；③工作时受力较大的焊缝应先焊；④平面交叉焊缝的焊接。先焊对接立焊缝，然后焊角焊缝；先焊纵向焊缝，再焊横向焊缝。
缩小焊接区与结构整体之间的温差（预热法、冷焊法），对于组装过程中的纵缝及环缝的焊接采取如图1所示焊接顺序。
4.1 纵缝焊接施工质量控制措施
①为避免母材焊缝出现缺陷，每条开端焊缝，根据母材板厚装配同材质的引弧板和熄弧板，引弧板要保持与坡口形状一致，尺寸一般采用50×50 mm，在引弧板上预先调整好电流和电压。②片体之间纵缝应对称焊接（四条纵缝），外部填充之后焊接内部，内部焊完再进行外部焊接。焊接之前要进行加热处理，所需预热温度取决于板厚（预热温度一定要在距焊缝剖面50 mm距离处测量）。③纵缝在长度方向应分段焊接，500～600 mm一段，由中间向两端焊接，以减小焊接造成的变形。④EF环不同于其他环，分为三个片体。因此，焊接过程保证3条焊缝同时进行，且以同样的方式分段，焊接速度保持一致（电流、电压保持一致）。
4.2 环缝焊接施工质量控制措施
①EF环与CD环焊接时，采取段焊方式，同向循环焊接，且保证两个焊点在对角线上。②A环、B环焊接时，第一层焊缝从下往上焊接，第二层采取段焊方式，同向循环焊接，且保证两个焊点在对角线上。
4.3 焊缝质量检验措施
①外观检测。焊缝不得存在未满焊、根部收缩、咬边和接头不良的等缺陷；不得存在表面气孔、夹渣、裂纹和电弧擦伤等缺陷。②超声波探伤、磁粉探伤。③焊角尺寸≤8 mm的水密焊缝要进行着色探伤（PT），其它水密焊缝要严格进行外观检查。
5 结 语
随着地下空间的开发利用和城市市政综合管线的建设，全世界盾构隧道也逐渐呈现出“大、长、深”的发展趋势。伴随着我国经济发展和基础设施建设的迫切需要，越来越多的大直径盾构隧道工程即将或正处于施工阶段。近年来，局盾构施工停留在直径Ф6 250 mm领域。此次Ф8 780大盾构施工，是首次自主生产盾构机，首次参与大铁建设项目，首次进行大盾构施工。因此，对大盾构施工技术的研究任重道远。
本课题针对地下隧道盾构施工领域大盾构组装施工的特点难点，有重点有方向的以技术创新为核心，以缩短工期、节约成本为目标，对盾构机焊接、组装施工技术进行了技术攻关，在相关领域创造了全新的记录，为日后的大盾构组装施工技术提供了非常宝贵的参考经验。
参考文献：
[1] 闻邦椿.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] JGJ 81-2002，建筑钢结构焊接技术规程[S].