城市地铁盾构吊出深井25米轨小断面下放技术与效益评价
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摘要本文介绍了利用城市地铁盾构平面长度为14.4米的吊出深井，作为25米轨等重要轨道物料运输通道，重点从下轨技术分析与方案论证、机械选择与施工技术组织管理、安全风险管控、社会与经济效益等方面进行了论述。本案例成功解决了深基坑小断面25米轨等重要轨料的运输问题，并取得了可观的社会经济效益，在目前同类工程施工中具用国际领先水平，可为今后国内外类似工程施工、技术应用提供学习与借鉴。
AbstractThis article introduces the using of city subway shield tunneling machine bored the lifting channel pit length 14.4m horizontally , to transfer the critical materials such as 25m length rail. Emphasize the technical analysis and the method demonstrates of rail transfer down, the difficulties, the solving method and economical evaluation. The case in this article solved the problems of the transportation small section 25m rail, and gained the considerable social and economical rewards. The technology of this case is in advanced level among the similar engineering projects, could be used as the sample of the similar engineering projects.
Subway shield tunneling machine Lift from the channel pit 25m rail Transfer down technology of small section Benefit evaluation
中图分类号：U12/ U215文献标识码：A文章编号：
CLC number：U12/ U215Document id code：AArticle ID：
正文
引言
我国城市地铁在持续改革开放的政策指导下迅猛发展，目前地铁已成为当代城市公共交通的一种重要形式，为缓解城市交通压力起到了重要作用。但地铁多建在建筑物稠密、交通复杂地段，场地受限因素多。铺轨施工作为前期土建施工和后续风、水、电和装饰装修等施工的承上启下专业，又面临着能够作为铺轨基地的场地十分有限的现实。而且往往一开工就面临施工任务繁重、节奏快、工期紧、作业面狭窄、点少线长等诸多特点。对铺轨工作进行科学合理超前筹划，适时增设铺轨施工作业面、解决物料运输是加快施工进度，追赶前期土建滞后工期、带动土建加快施工、为后续安装、装饰、触网等专业及早提供进场作业条件的有效手段。下面将就笔者经历的国内某市地铁施工中因陋就简地利用平面长度为14.4米长的盾构吊出井等预留的孔洞作为轨道物料的入洞通道、采用洞内人工拼装铺轨作为铺轨作业面进行25米钢轨、轨枕及扣配件、道岔轨等轨道物料运输的技术控制和取得的社会与经济效益展开论述，供同行工程技术、施工生产、监理、设计、建设单位及应用教学领域等业内人士学习、借鉴与参考。
1、盾构吊出深井（即钢轨下放口）简介
该盾构吊出深井净空平面尺寸为14.4米（长）×8.4米（宽），深度为39.554米。在平面的四个角，为保证大断面结构稳定，设计设置了四个角撑，断面尺寸为0.6m×0.8m，自上而下每隔5m设置一道，角撑的设置角度为45 度。详细见图一、二所示：
图一下料口平面图（在左线正上方）
图二竖向局部侧面图（垂直线路）
2、轨道物料下料任务
本案例中线路单线长度4.8km，25米60轨384根，仅钢轨重量就达576t，此外还有1组13m交叉渡线轨料（最长件18.032m）和约2万块短轨枕及配套的扣配件和大量的道床钢筋等轨道物料需要从该盾构井吊装下洞。
3、存在困难
土建盾构吊出井下料口长14.4米长，宽度上除四角的角撑所占空间外所余宽度仅剩1.55米。经计算无法满足25m成品轨排吊装下洞要求。钢轨上不能焊接任何吊环或者在下放中对其表面有点点损伤（如划伤、刮伤、碰伤等），况且一根25m的60轨就重达1.5t，何况是一组轨排，现有条件无法满足轨排下放要求，既使一根轨一根轨地下放，技术与安全风险控制难度都极大。
4、解决方案
4.1方案选择
第一套方案，拟在基地内将25m轨排改拼装成12.5m轨排，通过盾构井吊装下洞。如采用此方案，则有轨排在场地内拼装好后，钢轨轨排的轨距为1435mm，再加上两根60轨的轨面宽度73mm×2，不考虑短轨枕宽度，就已经达1581mm。大于1.55米，宽度上不能满足下放要求。（注：轨排不可斜着下放。）
第二套方案，采用将25m的钢轨单根下放到井底进行轨排拼装，将拼装台设在井底。但将25米60标准轨下放到井底，深度约40米，必须有安全可靠技术措施确保井下作业设备及人员的安全问题。
经反复研讨后，决定采用第二套方案。
4.2可行性分析及方案论证
井口平面长度为14.4米，而钢轨长度为25米，如果下放，必须采用一头高、一头低的方式进行下放，或者竖直下放，由于钢轨下到井底后是要顺着隧道方向纵向放置，钢轨每米重量为60kg，如果竖直下放，人工拖拉的方式就位的话，一个是人离钢轨距离过近安全风险高（如钢丝绳突然断裂、钢轨下放中摆动较大、钢轨滑脱、上下指挥出现盲区、人为影响等因素综合作用下，会加大安全难度控制系数），一个是需多人才能将其就位，再一个是工作效率低下影响轨排拼装进度。
如里让钢轨斜着下放，则需要两台下放起重设备，确定吊点，固定吊点位置，对下落的钢轨稳定性进行分析，分析井底隧道断面能否满足25m轨的下放条件要求，分析钢轨下放的安全度。斜着下放要增加机械使用费，但可降低人工成本，还可增加安全保障，提高下放速度，加快轨排拼装进度。
综上，决定采用机械将钢轨斜着下放方案。
4.3确定吊点
经计算、查阅相关资料、地面场上试吊及结合现场后确定吊点如下：6m＋13m＋6m，即距轨头两端各6m处作为吊点[1]。
4.4井底隧道断面和钢轨下落就位可行性分析
井底的隧道断面如图三所示
图三
上图共有三种断面形式，一是沿纵向14.4m方向的盾构吊出井断面，二是往大里程端的盾构圆形管片隧道断面，三是往小里程端的马蹄形隧道断面。
由图三可知：圆形管片隧道为最小断面，也即为最不利断面。圆形管片隧道轨面线以上隧道净高为4.56m。按吊点距轨端6m在落至井底后可全部伸入圆形管片隧道内计算，圆形管片隧道极限可容许钢轨倾斜角为sin-1（4.56/6）=49°27′51.11″，按此角度计算，圆形管片隧道内的6m再加上吊出井的纵向水平长度14.4m，可计算出极限状态下的可允许下放钢轨长度为14.4/cos49°27′51.11″＋6=28.156m，大于25m标准轨长度，故按轨顶面考虑的情况下，现场最不利建筑物的净空尺寸满足25m标准轨下放条件。
基于以上情况，为了提高施工进度，经对现场考察和对现场拥有的机械设备及其设备参数等综合考虑后，决定用1台铺轨车（主要技术性能参数为：走行速度5～35m/min，最大爬坡能力35‰，轮距7200mm，轴距2400mm，通过小曲线半径300m，最大起重量10t，最大起升高度3650mm，起升速度8m/min，总重7.5t）设于大里程端的圆形管片隧道内（未设于马蹄形隧道内的原因为：小里程端马蹄形隧道内还有其他单位在进行结构衬砌施工等，并且紧邻井底轨排拼装场地）来协助钢轨落井的抬轨、牵移工作。
4.5确定起重设备及起吊方式
经安全考虑，初步决定选用QY25汽车式起重机。自重23.5t/台，2台。
采用25T吊车，有如下原因：钢轨长度为25m，钢轨必须倾斜下放；经计算，钢轨下落在吊出竖井内时，25m标准钢轨下放条件及要求：两台汽车吊吊物工作钢丝绳间的安全最小间距取1.5m（现场条件允许），钢轨起吊后轨端距竖井壁的空隙各不小于0.5m，此时钢轨下落角度（与水平方向所成的锐角）须处于cos-1（13.4/25）=57°35′17.68″～cos-1（1.5/13）=83°22′27.09″范围内；取83°22′27.09″考虑并计算，钢轨两端处竖向高差最大时为24.833m，此时高吊点与低轨端处竖向高差为18.873m。综合分析后，选择25T汽车吊。
起吊方式：吊车在地面上的摆放宜与线路方向宜成一定夹角，以增大起吊作业的安全系数，但在条件困难情况下，也可与线路平行摆放，只要不影响钢轨就位即可。支腿全伸，后方侧方作业或前方作业。吊装作业时依据实际工况和场地情况自行选择。起吊角度在30°～65°范围内。两台吊车的组合在支腿全伸的情况下，可采取后方侧方作业＋后方侧方作业、后方侧方作业＋前方作业两种，由于25m标准钢轨一根重量为1.5t，每台吊车仅吊0.75t，经查阅采用的25T吊车，可满足起重规程要求。
4.6钢轨下落系统
钢轨下落系统由轨靴、保险钢丝绳（绳1和绳2）、吊装钢丝绳、钢轨箍、25t汽车吊（2台）、铺轨车等组成。如图四。
图四
4.6.1轨靴是用来套住钢轨下端部，尺寸为0.2m（长）×0.2m（宽）×0.3m（深）。由于25m标准钢轨的最不利状态下作用在轨端的强度为150/77.45=1.937MPa。且依据现场具备的材料，初步决定采用Q235厚度12mm的钢板。经查其抗拉、抗压、抗弯、抗剪等强度均能满足要求，经采用E43型焊条手工焊接而成[2]的焊接性能也能满足受力要求。其通过五块钢板采用角部连接，底面四边为连接焊接，深度方向四边为间断焊接，深度方向间断焊接长度为先焊靠底面侧10cm、接着空10 cm不焊、然后再焊靠开口侧的10 cm，焊缝厚度10～11mm、高度7mm加工而成。靴口处加焊有2个φ16钢筋耳环，焊缝长按5d、双侧焊，耳环孔洞半圆半径为6cm。
4.6.2保险钢丝绳是连接轨靴上的一个耳环和吊点1钢轨箍的绳1，及连接另一个耳环和吊点2钢轨箍的丝绳2。在钢轨倾斜微抬起保险绳受力后伸展后，再放回地面上，并在吊点1处将绳2与钢轨箍用两个“U”型绳夹如“×”进行连接固定。保险绳起定位吊点位置、防止钢轨在倾斜起吊过程中钢轨串轨发生危险的作用。绳1和2与轨靴耳环、绳2与吊点2钢轨箍、绳1与吊点1钢轨箍等连接均采用绳卡固接。每接头均用“3个16型带M14的“U”型绳夹进行锁固[3]，夹间距为10cm，最后一个绳夹距绳头不得小于0.14米，由于起吊重量小“安全弯”可设可不设，注意扣板靠长绳侧。绳夹应拧紧到使两绳直径高度压扁1/3左右。绳1和2均为直径15.5mm的钢丝绳。
4.6.3钢轨箍是用来在吊点1和吊点2处的用来绕钢轨一圈以箍住钢轨。也可选用4t（考虑安全系数）的起重吊带作为吊点箍。作用是连接保险钢丝绳1和2及吊装钢丝绳，满足钢轨起吊及安全保证需要。钢轨箍与吊装钢丝绳也均为直径15.5mm的钢丝绳。建议在钢轨箍与钢轨间垫保护隔衬，以保护钢丝绳。
4.6.4 25T汽车吊的功能与使用和吊装钢丝绳作用，此处就不再赘述。
4.6.5铺轨车的作用是当钢轨下落到图四示位置后，离轨靴6m的吊点将撤掉，转由铺轨车上的吊钩吊住轨靴上的耳环并同时向铺轨方向行走，并最终在另一台25t吊车的统一指挥配合下，将25m轨整个下放到轨排拼装台上。铺轨车接吊点后钢轨会产生一定的弯曲，经实践验证，弯曲不大，不影响钢轨的物理及使用性能。本案例中当钢轨在临近井底时须调整下落倾斜角在40°43′15.77″～49°27′51.11″范围内进行下放，这个角度可帮助钢轨顺利进入管片隧道内，利于低吊点与铺轨车间工序转换，此时25m标准轨的竖向上两吊点处的高差为8.48m～9.88m，25m轨两端处的高差为16.31m～19m，也可满足吊出竖井内净空长度和圆形管片隧道断面高度等限制性条件要求。
4.7钢轨下落安全风险控制
4.7.1作业中考虑钢轨与吊出井井壁和圆形管片隧道顶部的安全距离，注意保护钢轨，以防止轨受伤。
4.7.2出于安全考虑，现场不建议采用两台吊车的前方作业＋前方作业组合进行起重作业。需注意：当两台吊车在后方侧方作业＋前方作业吊装组合下，前方作业的吊车应安排为吊绳挂低吊点。作业时每班设指挥1人，井口地面上安全员1人，井底大、小里程端各设一名信号员兼职安全员，在钢轨下落中，井底人员全部进入两端的洞内，待钢轨完全下落到井底后，在确认安全后，人员方才从两端洞内出来解钢轨箍扣。
4.7.3考虑各种因素影响，现场采用主臂进行吊装，建议不采用副臂（现场条件确实存在困难时，可以用副臂来完成作业）。
4.7.4对起重吊带：1）使用前应对安全工作载荷进行复核；2）使用中严禁超负荷；3）当吊易对吊带产生割伤的物件时，应在吊带与物件间加垫保护衬；4）为防止焊接、切割产生的火花烫伤吊带，时刻提醒不要将吊带放在明火旁或热源附近；5）经常检查吊带的磨损、穿孔、切口、撕断等情况，对严重的及时进行了更换。
4.7.5严格执行起重“十不吊”，在起吊前，对地面坍陷、支腿打开、作业幅度内的高压和照明线路及障碍物等状态进行安全检查确认，对绳夹固定绳按最大重量试吊并再次紧固后方可投入使用。
4.7.6现场设置专职安全员进行现场监督开展班前、班中、班后安全检查，对操作（司机、吊装工）、指挥人员进行岗前培训与考核并合格后上岗，对汽车吊定期维修保养，严格按照安全操作规程和安全技术交底进行施工。
4.7.7在深井内进行物料运输时，严格按照《起重机械安全操作规程》（GB6067-2010）、企业、行业和各级政府的各项安全管理文件及规定进行安全教育、培训及作业，强化“班前、班中、班后”安全教育，并定期开展安全风险排查整改工作。
4.7.8注意作业区内有无高压线、照明线等，要进行调查了解，需动迁的必须在动迁后作业，如果不需动迁的，作业设备与输电线保持最小安全距离并符合相关操作规定。
5、效益评价
5.1社会效益
因该城市地铁轨道施工工期紧张，仅就此处场地客观条件看，不具备轨节铺设条件，经过专项课题攻关后，实施了上述施工方案，在确保进度、安全前提下，解决了深基坑小断面轨节铺设的问题，成功完成该地铁轨道施工4.8km，并完成了一组交渡的轨料（最大件长18.032米）卸料任务，缩短施工工期30天。
此项方案与实施为后续安装、装饰和触网等专业及早进场创造了良好条件，为按期完成业主计划确定的轨通、风水电通目标发挥了重要作用。
5.2经济效益
根据该场地客观条件看，只具备卸12.5m钢轨的条件，如果采用卸12.5m钢轨进洞，再组装轨节的施工方案，则需要增加无缝线路闪光焊接接头384个，按照焊接一个接头1900元（目前市场合理价格）计算，则需增加焊接费用729600元（未包含焊接接头焊接质量不合格进行处理而增加的费用），现场采取的直接下放25m钢轨，增加的吊装费用约210000元，本方案至少节约了519600元。
6 、结论
在城市地铁施工中，施工干扰因素多、埋深较大，且多穿越生活集聚、建筑物密集区，铺轨期间，土建结构尚未完全完成，交叉、平行作业情况常见，可利用的场地很有限，从开始到结束，全程面临一个工期紧、任务重、物料运输难、管理跨度大、安全风险无处不在的局面，其中物料运输是至关重要的一环，所以在可利用的有限的施工条件下，尤其对利用吊出深井等，进行专项技术攻关并采取可靠安全措施来解决物料运输，是取得可观的社会与经济效益的重要手段。
参考文献
[1]运基线路(2009)601号 焊接长钢轨吊运、存放规定(暂行) 铁道部运输局，2009.9.21，P3
[2]魏明钟，钢结构（第二版），武汉，武汉理工大学出版社，2002.10，P23
[3]GB/T 5976-2006钢丝绳夹，2006.9.1实施，P2、P10
作者简介：
江海国，140426197504306010，（1975-04-30），男，汉族，本科，高级工程师，城市地铁。
王进平，(1973-09-28），男，汉族，专科，工程师。