代竟，李林，李能栋，杨先彬，蒋忠全，洪涛

（中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518000）

1 工程概况

天津地铁5号、6号线文化中心部分1标位于南开区与河西区交界处，盾构区间概况见图1所示。区间重叠隧道结构形式见图2所示。

图1 盾构区间概况示意图

在盾构施工过程中，随着盾构机的掘进，周围土体产生变化，使地面、建筑物随之变形。

本标段4个区间叠线段隧道总长约为3488m，将近占区间总长度7734m的一半。

图2 重叠隧道关系图

2 区间重叠隧道受力分析

在重叠上面隧道施工期间的下面隧道工况分析，所受载荷最大载荷为盾构机掘进时，盾构机中部工况。本标段重叠隧道之间的距离都小于掘进机的二倍的距离，按全土压进行计算：岩土容重：γ=20．2kN/m3，盾构机自重390T。经过计算重叠隧道下隧道均布载荷压应力为281kPa。

3 钢拱顶滚轮台车设计

根据下方隧道受力计算，标准普通管片无法满足受力要求。对于全钢结构支撑情况下，下方隧道需要停止施工，严重影响工期，钢结构支撑洞内装拆难度极大

钢拱顶滚轮台车支撑方案：通过行走油缸推进，使钢拱顶滚轮台车随盾构机掘进而同行，并保持一定的同步性，在盾构机前、后端盾构机主机长度同具有支撑故钢拱顶滚轮台车为3倍盾构机主机长度。同时，不影响下方隧道施工，台车加工成门架型（图4），方便管片运输、出碴。

（1）在隧道断面上半部设计有5个液压支撑滚轮油缸，均匀分布。

（2）左、右两边水平支撑滚轮油缸在隧道的水平线上，有效地避开了隧道通风管、水、污、电、照明、走道系统。

（3）钢拱顶滚轮台车每组门架支撑的间距与管片宽度相同。钢拱顶滚轮台车单节长度6米。

（4）单节钢拱顶滚轮台车的下纵梁处之间，在用左、右2组4根交接推力油缸连接。

（5）立柱之间用×字稳定钢结构连接。拱顶门架上部，用两根横梁连接组成一个作业平台。

（6）支撑油缸与两组4个滚轮采用活动铰接，以适应隧道转弯与起伏。

（7）两组4个滚轮必须跨越管片缝，避开螺栓的手孔位置。

（8）刚性滚轮外层为聚酯橡胶，防止在受力滚动中撞击而损坏管片。

（9）每节钢拱顶滚轮台车一个独立的液压站，同一方向油缸一个控制阀，便于随时根据外力变化进行调整。每组操作阀上安装液压表，及时发现压力的变化。

（10）末节钢拱顶滚轮台车的主推油缸，支撑在钢轨上，采用卡规锁死的方式。

图3 钢拱顶滚轮台车

特点是对已完成的隧道进行保护，防止因其他外力作用下，隧道变形、发生崩裂或坍塌。同时，根据外力的变化，可以进行预先调整其被受力支撑滚轮的力量大小，支撑隧道壁，保持受力平衡，并根据外力移动速度大小，平稳地沿隧道纵向移动滚轮支撑台车。

根据钢拱顶滚轮台车的使用情况，钢拱顶滚轮台车在下洞支撑时，所顶支架台车顶部受力最大。钢拱顶滚轮台车上顶油缸、侧向油缸、支撑门架及管片隧道面形成一个支撑的空间，其间的水泥管片是固体刚性结构状态。

4 滚轮受力分析

4.1 拱顶门架

当拱顶门架台车为支撑状态时，侧向构件油缸只受水平方向上的受力，且左右平衡分解相等，主要的压力为上部的正压力（如4图）。

图4 钢拱顶滚轮台车门架受力图

当支撑水泥管片时，拱顶门架要承受顶部管片的重力，而侧部不受水泥管片重力，这时候，管片的重力计算如下：

G=pvg

=2．45×103×9．8×(3．1-2．75)×3．14×120° ×2/360°×6

=2932kN

盾构机前部盾头为最重，前盾总重量为230T，计2300kN。

故：钢拱顶滚轮台车总承受力为

2932+2300=5232kN

4.2 重要部件与零件受力计算

拱顶支架台车每6米为4榀弓骨架，8件立柱。且均为双腹板焊接：

N=F/n=5232/8=654kN

δ=[N/S]=654×103/0．32 =7266666N ≈ 7．3MPa

而[δs]=235MPa材料为Q235-B碳素结构钢

δ＜[δS]，故满足强度条件。

4.3 零件截面积为500×300双腹板

F=150kN

δ=F/S

=150×103/3×0．012+(0．012×0．476×2)

=3．2×106Pa

=3．2MPa

而[δs]=235MPa材料为Q235-B碳素结构钢

δ＜[δS]，故满足强度条件。

5 钢拱顶滚轮台车安装

5.1 钢轨铺设

（1）轨枕。轨枕高度为200mm，采用工字钢或H钢制做弧形。一端定隧道运输系统内弧形轨枕，并用螺栓连接形成一个整体，铺设后固定轨枕防止侧滑。

（2）钢轨。钢轨型号50kg/m（高度152mm），要求侧弯≤10mm/12．5m，如果侧弯过大，台车行走时轮缘会卡住钢轨并向侧向挤压移位，引起钢轨中心偏差增大，并可能造成脱轨。对应与底板标高施工误差，钢轨铺设后要求轨面标高误差≤±10mm，且台车行走轮处（四点）轨面平面度不得超过10mm，否则，可能造成行走困难。

（3）钢轨连接。每两条钢轨连接处下方必须设置轨枕，连接头间隙不得大于5mm，连接头错台不得大于2mm，否则，可能造成台车行走轮无法逾越接头。每两条钢轨连接处下方必须设置轨枕，连接头间隙不得大于5mm，连接头错台不得大于2mm，否则，可能造成台车行走轮无法逾越接头。

5.2 钢拱顶滚轮台车安装

钢拱顶滚轮台车在空旷地面的进口进行单节拼装。

（1）在地面上放2条钢轨，先将行走轮与下纵梁连接，并放至在轨道上，用三角支撑进行固定，防止倒塌。

（2）立柱与∩梁连接成拱形门架，并吊装上在下纵梁上。

（3）用纵向横梁、×字架连接拱形门架。

（4）支撑油缸与滚轮连接成滚轮组，安装在拱形门架上。注意油缸行程为零，采用加装临时支撑固定块，防止滚轮组在吊装过程中晃动。

（5）单组钢拱顶滚轮台车从井口调入车站内，由电瓶车牵引至洞内。

（6）安装每节之间的推力油缸，以及主推油缸。并调试液压系统。

（7）操作手动换向阀手柄，调整左右水平支撑油缸调整支撑台车的位置，使钢拱顶滚轮台车的中心线与隧道中心线对齐。

（8）操作手动换向阀手柄，使推力油缸平移。调整滚轮支撑台车使管片缝在单组滚轮的中间。严禁滚轮压住管片连接缝。

（9）操作手动换向阀手柄，使侧向油缸撑出，同时，调节节流阀，滚轮至预定位置。注意观察每组支撑油缸的压力表。

（10）夹紧卡轨器，将基础千斤顶撑于钢轨上并旋紧顶。启动电机，操作所有动作检查是否顺畅。

6 监测重点和内容

据本工程线路的特点及施工过程中相互影响程度，在实验段选取10个典型断面进行监测，每个断面连续监测两环管片，监测范围取典型断面前后50m。先行隧道施工至典型断面时首先取得初始值，后行隧道通过典型断面时，对管片的受力、位移及地表变形情况进行监测，特别对重叠隧道的受力及变形情况进行加密监测。

（1）地面监测点布置均需要进行开孔处理，即在地面用水钻开取直径120mm的孔，将地面硬壳破除，再将钢筋植入原土层中，其顶部低于地面5cm。

（2）管线测点布置在线路中线10m范围内的地下管线（然气、给水、污水、雨水）上每隔15～30m左右布设一个沉降监测点（根据管线与隧道位置关系定布点间距），管线与隧道平行距离较近时，将管线与地表沉降监测点共用。

（3）建筑物沉降倾斜监测：根据隧道掘进对周边建筑物的影响范围，沉降、倾斜观测点的布设应能全面反映建筑物地基变形特征，结合我区间建筑结构特点，点位宜选设在下列位置，建筑物的四角、核心筒四角、大转角处及沿外墙直线边位于主要影响区时10～15m，或每隔2根承重柱布设1个监测点；位于次要影响区时，监测点沿外墙间距15～30m，或每隔2～3根承重柱布设1个监测点。

（4）管片应力监测：测点布置管片混凝土浇筑前，在管片上安装8个钢筋应力计，共四个位置，每个位置安装2个钢筋应力，与隧道铅垂线相交成45°。

（5）管片环缝应变监测：测点布置管片拼装完成后，并保证后配套全部脱离管片后，在管片内侧安装4片光纤光栅传感器，传感器安装时，避开封顶安装。

（6）钢拱顶滚轮台车支撑轴力监测：钢拱顶滚轮台车撑腿上安装光纤光栅传感器，钢拱顶滚轮台车共计10拼，每隔一品布设一组传感器，一组传感器为5个测点，传感器布设如下图所示。光纤光栅传感器安装采用焊接方式，在撑腿的伸缩油缸处焊接光纤光栅传感器。采用光纤光栅解调仪进行数据采集。

盾构施工过程中，随着盾构的掘进，周围土体产生变化，使地面、建筑物随之变形以及隧道的变形。如发现地面及建筑物沉降加速或差异沉降（倾斜）显著时，应及时向施工方及监理方报警，采取相应措施，如加固、调整施工参数或控制施工进度，做到以监测信息指导施工，确保施工安全。

7 钢拱顶滚轮台车支撑

钢拱顶滚轮台车进入受力区之前，要对隧道进行一次全面的检查。对隧道的管片已形成的错台，裂纹进行修补。防止钢拱顶滚轮台车受力通过时，裂纹加大，使之管片破碎，照成隧道风险。

根据上隧道掘进情况决定是否需要加力。当上隧道即将进入受力区，提前启动电机，对隧道壁进行预先加力盾构掘进参数必须保持一个恒定值，严防推力过大。

盾构机掘进时，时刻观察钢拱顶滚轮台车每组液压系统压力表、每组支撑油缸压力表的数字变化，以及光纤光栅解调仪的数据变化。当出现变化时，及时调整压力，保持支撑力。如出现突然波动较大，马上查找原因及时解决。

8 钢拱顶滚轮台车行走

盾构机操作室与钢拱顶滚轮台车移动操作者一定保持联络畅通，统一由监控室进行指挥，确保盾构与隧道安全的情况下进行。

（1）钢拱顶滚轮台车移动必须是盾构机非掘进状态下，例如，管片拼装时。

（2）首先，松开基础千斤，查看每组支撑滚轮油缸的压力表，是否有变化。如果发现压力值有波动，必须进行压力补偿，保证支撑力，马上查找原因及时解决

（3）每节钢拱顶滚轮台车从最前端开始移动，分步进行。每次移动的距离小于每节钢拱顶滚轮台车之间推力油缸最大行程。

（4）在隧道曲线上，注意控制左、右油缸的力度大小。防止转弯过大，使单边滚轮受力过大，钢拱顶滚轮台车被卡和损坏管片。

（5）钢拱顶滚轮台车移动完成的距离为管片宽度的整数倍，滚轮支撑点选择避开管片连接缝、手孔螺栓位置。

（6）钢拱顶滚轮台车推力前行时，滚轮上支撑力不能卸力前行。

（7）钢拱顶滚轮台车行走前，一定要松开卡轨器，钢拱顶滚轮台车即可行走。

（8）钢拱顶滚轮台车行走完成，一定要旋紧卡轨器，放下基础千斤并旋紧。

（9）盾构机进入重叠段时一定要平稳、连续，严格控制其姿态。如果需要调整盾构机姿态，避免纠偏过大。

（10）每班交接必须将盾构机的参数，钢拱顶滚轮台车的液压表参数、光纤光栅解调仪数据进行登记交接，并进行比较分析、总结。

9 结语

通过在重叠隧道中的下隧道架设钢拱顶滚轮台车，能使下隧道收敛变化值相对较小，基本控制在2mm之内，完全达到保护下隧道的安全，值得推广运用。