連續(xù)皮帶機(jī)出渣工況下TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工技術(shù)

齊夢(mèng)學(xué)

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 隧道工程公司，天津 300222)

國內(nèi)硬巖TBM(全斷面掘進(jìn)機(jī)開挖)工法始于20世紀(jì)50，60年代，發(fā)展于20世紀(jì)90年代，截至目前我國用硬巖TBM開挖的隧道累計(jì)約200 km，并且還有大瑞鐵路、陜西引漢濟(jì)渭供水工程、吉林中部城市供水工程、遼西北供水工程、南水北調(diào)西線工程等也在積極籌備、論證采用TBM施工，可見硬巖TBM在我國正在被推廣;并且有專家預(yù)測，我國各類可用TBM開挖的工程隧道約5 800 km，約需TBM 120～150臺(tái)，TBM在我國長大隧道施工中的作用正在逐步加強(qiáng)，前景非常廣闊。

以往TBM施工過程中不論采用有軌運(yùn)輸方式出渣還是連續(xù)皮帶機(jī)出渣，都是TBM掘進(jìn)完成后施作二次模筑襯砌，無法實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)與二次模筑襯砌同步施工，工期較長，并且與新奧法施工原理不相符，與鐵道部、建設(shè)部等部委頒布的二次襯砌與隧道開挖掌子面間距不能超過文件規(guī)范確定的限界的要求不相符。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

近年來，我國TBM應(yīng)用的領(lǐng)域和工程不斷擴(kuò)展，敞開式TBM的需求量也在不斷增加，但以往一直未能實(shí)現(xiàn)連續(xù)皮帶機(jī)出渣條件下的TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工。

最早由國內(nèi)施工企業(yè)獨(dú)立管理和使用TBM施工的西康鐵路秦嶺隧道，后來的西南鐵路桃花鋪隧道和磨溝嶺隧道，均采用敞開式TBM施工，掘進(jìn)貫通并完成洞內(nèi)拆卸后，施作二次襯砌。其它敞開式TBM施工大多也都采用類似的施工方式。

2003年開工的遼寧大伙房輸水工程隧道，采用3臺(tái)敞開式TBM施工，連續(xù)皮帶機(jī)出渣，施工材料利用有軌運(yùn)輸方式運(yùn)輸，其中TBM3標(biāo)段，曾經(jīng)嘗試采用同步襯砌技術(shù)，將襯砌臺(tái)車工位處的原掘進(jìn)機(jī)連續(xù)皮帶機(jī)的輸送帶、托輥及托輥支架全部拆除，把襯砌臺(tái)車安裝到襯砌工位開始二次襯砌作業(yè)，實(shí)際上，就是連續(xù)皮帶機(jī)穿越襯砌臺(tái)車時(shí)被部分解體，僅僅膠帶穿越。TBM掘進(jìn)距離貫通剩余80 m時(shí)，開始安裝臺(tái)車進(jìn)行試驗(yàn)，但實(shí)際上并未真正實(shí)現(xiàn)同步作業(yè)，掘進(jìn)時(shí)無法實(shí)施二次襯砌，臺(tái)車作業(yè)時(shí)無法掘進(jìn)施工。但這是一個(gè)非常有益的探索。

2007年開工的南疆鐵路吐庫二線中天山隧道，進(jìn)口段采用2臺(tái)敞開式TBM施工，開挖直徑8.8 m，經(jīng)過科研攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了有軌運(yùn)輸出渣工況下TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工。其特點(diǎn)就是允許有軌運(yùn)輸列車從臺(tái)車的下部臺(tái)架中穿行，允許大直徑通風(fēng)軟管從臺(tái)車的上部臺(tái)架中穿行，解決了TBM掘進(jìn)與二次襯砌之間相互干擾無法協(xié)調(diào)的困難。

1.2 國外現(xiàn)狀

檢索發(fā)現(xiàn)，國外對(duì)于TBM掘進(jìn)、二次襯砌同步施工的研究起步較早，如1994年9月《隧道與地下空間技術(shù)》發(fā)表的論文《TBM掘進(jìn)隧道管片設(shè)計(jì)與施工》介紹了南非萊索托高地水利工程中北輸送隧道的機(jī)械鉆孔隧道用預(yù)制件襯砌的設(shè)計(jì)和建造，TBM掘進(jìn)時(shí)同步拼裝預(yù)澆筑混凝土制件襯砌以提供巖石支承和最終的隧道襯面，實(shí)際上就是類似護(hù)盾式TBM或者盾構(gòu)機(jī)施工中使用的預(yù)制鋼筋混凝土管片;1998年4月，德國公布了一項(xiàng)隧道開挖中運(yùn)輸與襯砌同時(shí)作業(yè)的方法——礦山隧道洞室開挖中一種具有高度可調(diào)支撐和頂部橫梁的運(yùn)輸轉(zhuǎn)換方法，用于地下礦道的隧道掘進(jìn)。

文獻(xiàn)對(duì)于上述技術(shù)的報(bào)道并不詳細(xì)，且未見相關(guān)工程應(yīng)用的報(bào)道;上面的三項(xiàng)技術(shù)以及檢索中發(fā)現(xiàn)的類似技術(shù)，是在20世紀(jì)80，90年代形成的，但由于實(shí)用性差，一直未能得以推廣。

2005年開始建造的尼亞加拉發(fā)電引水洞，原計(jì)劃總工期51個(gè)月，其中隧洞工期23個(gè)月，采用敞開式TBM施工，實(shí)現(xiàn)了 TBM掘進(jìn)、底拱澆筑、頂拱澆筑同步施工，但總體施工進(jìn)度較慢，2006年9月開始掘進(jìn)、至2008年8月累計(jì)掘進(jìn)2 812 m，平均月進(jìn)尺僅117 m。底拱、頂拱混凝土現(xiàn)澆模板的安裝從2007年2月推遲到年底，進(jìn)展不順利，總工期在線路縮短的情況下延期3.5年，目前仍在施工中。

2 工程概況

西秦嶺特長隧道位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)，進(jìn)口位于透防鄉(xiāng)潘家溝，出口位于洛塘鎮(zhèn)老盤底，隧道走行于秦嶺高中山區(qū)，地勢總體趨勢西高東低，山體陡峻，溝谷深切多呈“V”字形。高程多在1 000～2 400 m，相對(duì)高差約1 400 m，隧道最大埋深約1 400 m。設(shè)計(jì)為兩座單線隧道，線間距40 m，至出口段縮至25 m。右線起訖里程為DIyK395+116.582—DIyK423+351.422(長鏈 1.742 m)，全長28 236.582 m。

該隧道從進(jìn)出口端相向施工，分別采用鉆爆法和TBM法;出口段TBM施工開挖直徑10.23 m，計(jì)劃施工長度16 km，采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，其施工區(qū)段劃分如圖1所示。

圖1 西秦嶺隧道右線TBM施工區(qū)段劃分示意(單位:m)

TBM掘進(jìn)段二次襯砌厚度30 cm，基準(zhǔn)半徑為4 520 mm，變徑范圍為4 450～4 540 mm;TBM通過段二次襯砌厚度40 cm，基準(zhǔn)半徑為4 950 mm，變徑范圍為4 900～5 000 mm。

3 同步襯砌方案介紹

根據(jù)同步襯砌臺(tái)車設(shè)置位置不同，共設(shè)計(jì)了兩大類同步襯砌施工方案，分別是同步襯砌臺(tái)車與TBM后配套設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，以及同步襯砌臺(tái)車與TBM后配套保持合理的間距;每一類方案中根據(jù)模板形式不同，又分為液壓鋼模、穿行式液壓鋼模方案。

經(jīng)綜合比較，同步襯砌臺(tái)車安裝在TBM后配套上作為一個(gè)整體的方案，在本工程中不適用;同步襯砌臺(tái)車與TBM后配套保持合理間距、采用穿行式鋼模，由于穿行式模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間布置困難，也不可取。同步襯砌臺(tái)車與TBM后配套保持合理間距、采用液壓鋼模具備可行性。總體施工方案如下。

3.1 同步襯砌施工總體規(guī)劃

實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)施工與二次襯砌平行作業(yè)，二次模筑混凝土襯砌施工安排在TBM掘進(jìn)后方適時(shí)跟進(jìn)。襯砌臺(tái)車在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮連續(xù)皮帶機(jī)、通風(fēng)軟管、水管、高壓及通信電纜、運(yùn)輸車輛的穿行，并且臺(tái)車的所有作業(yè)過程中不能中斷TBM施工所需的施工材料運(yùn)輸、連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行、通風(fēng)、高壓供電、照明通訊、供水、排水。

TBM掘進(jìn)段同步襯砌施工安排2部基準(zhǔn)半徑為4 520 mm的大模板液壓襯砌臺(tái)車(以下稱之為1#，2#臺(tái)車)跟隨TBM施工，1#臺(tái)車緊跟 TBM施工，對(duì)圍巖較差洞段及時(shí)襯砌，有能力的情況下盡量多施工;2#臺(tái)車在第一部的后方，預(yù)留橫通道等輔助洞室的施工位置，完成可施工段的襯砌作業(yè)。TBM平均掘進(jìn)速度按600 m/月考慮。TBM步進(jìn)段(即預(yù)備洞)安排一部基準(zhǔn)半徑為4 950 mm的大模板液壓襯砌臺(tái)車(以下稱之為3#臺(tái)車)施工，完成該段施工后該臺(tái)車改裝成基準(zhǔn)半徑為4 520 mm，進(jìn)行TBM掘進(jìn)段的施工。

3.2 各臺(tái)車的施工流程

1#，2#臺(tái)車——TBM 步進(jìn)進(jìn)洞時(shí)，1#，2#臺(tái)車緊跟著進(jìn)洞，在進(jìn)入洞口大約100 m的地方停下來，等待前面矮邊墻的施工，待矮邊墻的施工完成并達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后，再跟進(jìn)到TBM的后面適當(dāng)位置，開始與TBM掘進(jìn)同步施工。

3#臺(tái)車——跟隨 1#，2#臺(tái)車一并進(jìn)洞，首先完成洞口段Ⅴ級(jí)圍巖的襯砌施工，之后繼續(xù)實(shí)施預(yù)備洞可以施工的二次襯砌洞段(輔助洞室由于可能有的襯砌條件不具備或連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶倉影響，相應(yīng)洞段的二次襯砌暫無法施工)，到達(dá)TBM出發(fā)洞后，暫停施工，待TBM掘進(jìn)的第一階段完成，洞內(nèi)的連續(xù)皮帶機(jī)以及通風(fēng)管等拆除后，3#臺(tái)車由里向外施作預(yù)備洞剩余洞段的二次襯砌。

在TBM步進(jìn)段的所有襯砌施工完成后，3#臺(tái)車在洞口進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b，改造成與1#，2#臺(tái)車相同的襯砌斷面，再次進(jìn)洞，完成TBM掘進(jìn)第一段剩余的襯砌施工。

4 同步襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)

4.1 需要重點(diǎn)解決的技術(shù)難題

實(shí)現(xiàn)連續(xù)皮帶機(jī)出渣工況下TBM掘進(jìn)、二次模筑襯砌同步施工，必須設(shè)計(jì)制造出適用的同步襯砌臺(tái)車，這就要求在以往襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決好相應(yīng)的問題，如:①連續(xù)皮帶機(jī)出渣作業(yè)不間斷;②大直徑軟管通風(fēng)不中斷;③四軌雙線有軌運(yùn)輸暢通無阻;④可靠的抗浮措施;⑤供電、給排水有效保障。

4.2 重點(diǎn)問題解決方案

4.2.1 連續(xù)皮帶機(jī)皮帶橋支撐轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

這是此次同步襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)制造中需要解決的重點(diǎn)問題。

1)連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行要求高，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中皮帶架必須始終保持出渣工況狀態(tài)下的位置和姿態(tài)不變，否則將導(dǎo)致連續(xù)皮帶機(jī)跑偏、石渣墜落等故障發(fā)生。

2)連續(xù)皮帶機(jī)及所運(yùn)送石渣的靜態(tài)荷載可能導(dǎo)致襯砌臺(tái)車偏載，連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)荷載容易導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)狀態(tài)的混凝土質(zhì)量下降，造成開裂、不均勻、表面質(zhì)量差等質(zhì)量問題。

3)連續(xù)皮帶機(jī)穿越襯砌臺(tái)車時(shí)位置不能改變，要求在臺(tái)車上預(yù)留固定、充分的空間，同時(shí)，臺(tái)架下部要求四軌雙線有軌運(yùn)輸列車不間斷運(yùn)行，這給臺(tái)車臺(tái)架、模板總體設(shè)計(jì)帶來了很大的困難。

經(jīng)過近半年的深入研究，反復(fù)對(duì)比論證多個(gè)方案后，確定了連續(xù)皮帶機(jī)順利穿越臺(tái)車的措施。

1)為確保不論臺(tái)車處于何種工況，連續(xù)皮帶機(jī)均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，采取的措施是在臺(tái)架和模板之間，預(yù)留空間足夠的專用通道以及滑軌，以承載連續(xù)皮帶機(jī)，參見圖2;為確保連續(xù)皮帶機(jī)不間斷運(yùn)行，穿越臺(tái)車時(shí)，僅僅拆除其固定于洞壁的三角支撐，此時(shí)由臺(tái)車上的專用滑軌承載連續(xù)皮帶機(jī);臺(tái)車移動(dòng)過程中，拆除前方連續(xù)皮帶機(jī)的三角支撐，安裝后部的三角支撐。

2)為解決偏載、振動(dòng)對(duì)臺(tái)車以及襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的影響，采用專用的綜合減振、轉(zhuǎn)移荷載措施，避免連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng)直接傳遞到模板以及臺(tái)架。

3)為解決連續(xù)皮帶機(jī)、雙列編組列車以及大直徑通風(fēng)軟管對(duì)通行空間的要求，結(jié)合工況條件優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過臺(tái)車結(jié)構(gòu)形式、選材，反復(fù)計(jì)算，確定了臺(tái)車斷面設(shè)計(jì)，見圖2。

二次模筑襯砌施工過程中，任何情況下連續(xù)皮帶機(jī)均需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，臺(tái)車區(qū)域僅僅允許拆除連續(xù)皮帶機(jī)在洞壁固定的三角支撐架。臺(tái)車前進(jìn)時(shí)，臺(tái)車前方皮帶機(jī)三角架需逐件拆除，后方三角架需逐件安裝于已經(jīng)襯砌完成的洞壁上。參見圖3。

圖2 同步襯砌臺(tái)車橫斷面(單位:mm)

圖3 連續(xù)皮帶機(jī)安裝示意

1)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)皮帶機(jī)的順利穿行，即皮帶機(jī)和臺(tái)車門架之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可采取滑動(dòng)摩擦或滾動(dòng)摩擦方式。前者即皮帶機(jī)在門架上滑動(dòng)，考慮到滑動(dòng)摩擦力較大，擬采取滾動(dòng)摩擦方式。即皮帶機(jī)支撐矩形管(2根，間距1 370 mm)和臺(tái)車皮帶機(jī)通道之間采取滾輪+軌道方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2)臺(tái)車前進(jìn)時(shí)，前方皮帶機(jī)三角架需逐件拆除，后方三角架需逐件安裝，皮帶機(jī)在臺(tái)車內(nèi)部分必須穩(wěn)固支撐，支撐點(diǎn)軸向間距不得超過原三角架間距，即4 572 mm，以防皮帶機(jī)矩形管受力過大變形導(dǎo)致皮帶機(jī)損壞的嚴(yán)重后果。臺(tái)車橫向門架間隔2 m一個(gè)，皮帶機(jī)在臺(tái)車內(nèi)每4 m安裝一對(duì)(或更多)滾輪支撐。

3)皮帶機(jī)支撐式的選擇。經(jīng)研究，有如下兩種方式可供選擇:其一，上輪下軌式結(jié)構(gòu)，即皮帶機(jī)矩管下部安裝滾輪，通道內(nèi)安裝軌道，皮帶機(jī)矩管本身平直度較好，通行時(shí)只有調(diào)節(jié)軌道的平直度，難度較大，不利于施工操作;其二，上軌下輪式結(jié)構(gòu)，即皮帶機(jī)矩管下部安裝軌道(即附加梁)，通道內(nèi)安裝滾輪，皮帶機(jī)矩管本身平直度較好，所以軌道不需調(diào)整，通行時(shí)如必要?jiǎng)t只需調(diào)整滾輪。第二種方式在施工中更容易操作。參見圖4。

圖4 連續(xù)皮帶機(jī)穿越臺(tái)車時(shí)的支撐方式

4.2.2 通風(fēng)軟管順直穿越臺(tái)車上的專用通道

TBM施工用通風(fēng)軟管直徑2 200 mm，需保證不論襯砌臺(tái)車處于何種工作狀態(tài)，均可連續(xù)通風(fēng)，在臺(tái)車上部臺(tái)架設(shè)置大直徑軟風(fēng)管穿行機(jī)構(gòu)以及防護(hù)措施，即軟風(fēng)管保護(hù)筒，具體措施如下:

圖5 通風(fēng)軟管穿越襯砌臺(tái)車示意

在臺(tái)架的上層空間設(shè)置通風(fēng)軟管專用通道，設(shè)計(jì)為槽型結(jié)構(gòu)，如圖5所示。三面安裝滾輪，軟風(fēng)管脫離洞頂后能夠順利穿越臺(tái)車并且在臺(tái)車移動(dòng)過程中阻力很小，保障軟風(fēng)管不受損傷且不會(huì)偏離原來的布置位置。軟風(fēng)管直徑2.2 m，臺(tái)車上軟風(fēng)管通過區(qū)域的有效斷面直徑不小于2.3 m。防水板鋪設(shè)臺(tái)架的設(shè)計(jì)與襯砌臺(tái)車一并考慮，并采用相同的方案。

4.2.3 中空門架結(jié)構(gòu)臺(tái)架走行于輔助軌道，保證四軌雙線暢通

施工材料運(yùn)輸所需的有軌運(yùn)輸車輛限界尺寸為1 900 mm×2 600 mm(寬×高)，為實(shí)現(xiàn)有軌運(yùn)輸四軌雙線通行，同時(shí)考慮列車通行安全距離、軌線布置間距，要求臺(tái)車門架下，鋼軌軌面以上有效凈空≥4 000 mm×2 800 mm(寬 ×高)。

圖6 臺(tái)車內(nèi)凈空(單位:mm)

如圖6，為保證臺(tái)架內(nèi)凈空，需為臺(tái)車專門鋪設(shè)軌道，為此設(shè)計(jì)了小邊墻，走行于作為隧道結(jié)構(gòu)一部分的兩側(cè)小邊墻上，該小邊墻的頂面即為隧道水溝底面;臺(tái)車下部臺(tái)架有效凈高2 800 mm，有效凈寬4 000 mm，可供2列編組列車同時(shí)通行，為TBM掘進(jìn)及二次襯砌施工需快速不間斷地運(yùn)輸大量施工材料提供條件。

為避免混凝土澆筑過程中倒管作業(yè)侵占列車通行空間，影響TBM掘進(jìn)物料以及二次襯砌混凝土的運(yùn)輸，本發(fā)明設(shè)計(jì)了專用的混凝土分配器及完善的配管系統(tǒng)，根據(jù)混凝土澆筑工藝要求，在臺(tái)車上布置好管路，一端連接于混凝土分配器，另一端安裝于工藝要求的混凝土澆筑口。輸送泵送來的混凝土，根據(jù)澆筑工藝要求的數(shù)量及澆筑點(diǎn)，經(jīng)混凝土分配器準(zhǔn)確地分配到相應(yīng)的管路中，進(jìn)而送達(dá)澆筑點(diǎn)。

4.2.4 分散式抗浮

為減少對(duì)已經(jīng)完成澆筑的混凝土產(chǎn)生不良影響，同時(shí)均衡臺(tái)車負(fù)載，設(shè)計(jì)了全新的抗浮機(jī)構(gòu)，改變以往抗浮機(jī)構(gòu)布置在臺(tái)車前后兩端的模式，采用分散式抗浮，模板全長范圍內(nèi)，均布抗浮點(diǎn)，以絲杠支撐于洞頂來消除下部混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的浮力，待封頂之前收回抗浮絲杠。

5 應(yīng)用效果

2010年9月，西秦嶺隧道開始實(shí)施同步襯砌作業(yè)，在前期方案研究、臺(tái)車設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)上，克服了現(xiàn)場組織實(shí)施的困難，目前3部臺(tái)車已經(jīng)全部投入使用，TBM持續(xù)穩(wěn)定快速掘進(jìn)，二次襯砌已經(jīng)完成約1 500 m，同步襯砌臺(tái)車運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，各工序銜接緊密，并且隨著施工組織實(shí)施中的不斷磨合，二次襯砌速度正在提升。連續(xù)皮帶機(jī)出渣條件下的TBM掘進(jìn)與二次模筑混凝土襯砌同步施工，在西秦嶺隧道真正變成了現(xiàn)實(shí)，這在國內(nèi)是首創(chuàng)。

[1]鄧勇，齊夢(mèng)學(xué).硬巖掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)與工程實(shí)踐[M].天津大學(xué)出版社，2010:80-88.

[2]李宏亮.中天山特長隧道敞開式TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47(2):63-67.

[3]郭惠川.長大隧道敞開式掘進(jìn)機(jī)施工中的同步襯砌研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2009(11):61-64.

[4]午向陽，蔣宗全，李鵬飛，等.大斷面隧道下穿高速公路施工方案優(yōu)化研究[J].鐵道建筑，2010(11):40-43.

[5]段少國.高地應(yīng)力下TBM轉(zhuǎn)渣系統(tǒng)及其施工技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2009(2):37-39.

[6]李艷明.中天山隧道敞開式 TBM施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2009(11):49-51.