TBM地下組裝洞室的設(shè)計與施工

袁 亮

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

TBM是一種集洞室開挖、整機(jī)步進(jìn)及圍巖支護(hù)于一體的先進(jìn)的掘挖設(shè)備，是集機(jī)、電、液于一體化的大型專用機(jī)械，設(shè)備主要是由重型鋼結(jié)構(gòu)件在工廠分部加工后運至現(xiàn)場拼裝，并根據(jù)設(shè)備功能需要，附加相應(yīng)配套設(shè)施和電氣、液壓等設(shè)備。TBM設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件達(dá)數(shù)萬件，重量達(dá)數(shù)千噸，整機(jī)長度也長至數(shù)百余米，其組裝是一個龐大的系統(tǒng)工程。它需要足夠大的組裝場地，同時又因為設(shè)備龐大笨拙，現(xiàn)場組裝必須鄰近開挖作業(yè)面以便迅速進(jìn)入掘進(jìn)狀態(tài)。組裝場的細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工直接決定了組裝的質(zhì)量和進(jìn)度，關(guān)系到TBM能否順利投產(chǎn)，因此要求組裝場地的設(shè)計既要滿足設(shè)備組裝的需要，又要盡量結(jié)合現(xiàn)有場地條件減少工程成本，利于快速掘進(jìn)。

2 組裝場方案

2.1 TBM組裝場的方案比選

TBM的組裝場按照空間布置分為露天組裝場和洞室內(nèi)組裝場。一般隧洞進(jìn)出口場地廣闊、經(jīng)過簡單改造具備形成較大組裝場地的工程均選擇洞外組裝;在隧洞進(jìn)口處于峽谷或陡峭地形的情況下，或者經(jīng)改造可以形成組裝場，但工程成本相對較大時均采用洞內(nèi)組裝場。一般洞外組裝場相對開闊，采光和通風(fēng)好于洞內(nèi)，工程中宜優(yōu)先采用洞外組裝，如蘭渝鐵路西秦嶺遂洞羅賓斯TBM和陜西秦嶺隧道維爾特TB880E設(shè)備等均采用洞外露天組裝。但是，在實際工程中大部分隧洞工程均位于深山峽谷中，往往露天沒有適合的場地供TBM組裝，多數(shù)TBM選擇在洞內(nèi)組裝，如錦屏二級排水洞工程、1號引水隧洞、3號引水隧洞以及遼寧的大伙房工程(其中2臺)等，均采用洞內(nèi)組裝的方案。

2.2 組裝洞室的總體布局設(shè)計

一套TBM設(shè)備從零散結(jié)構(gòu)件組裝成整機(jī)并投入掘進(jìn)，一般由組裝洞和始發(fā)洞兩部分構(gòu)成。組裝洞是供TBM結(jié)構(gòu)件裝配成一體的場所，始發(fā)洞是TBM組裝完成后進(jìn)入起始掘進(jìn)狀態(tài)的過渡洞室。

(1)組裝洞的設(shè)計思路

TBM組裝洞根據(jù)其功能，原則上以滿足TBM設(shè)備組裝的要求即可，其結(jié)構(gòu)尺寸取決于組裝方案和設(shè)備零部件的大小。一般結(jié)合現(xiàn)場工況地質(zhì)條件及工期要求，首先確定TBM組裝方案，根據(jù)組裝方案進(jìn)行組裝洞室的整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計;然后結(jié)合TBM設(shè)備和組裝輔助設(shè)施的參數(shù)，以及組裝的其它需要進(jìn)行組裝洞室的細(xì)部參數(shù)設(shè)計。

(2)常見組裝方案和組裝相關(guān)洞室布局見表1。

組裝方案選擇一般根據(jù)以下因素綜合考慮:

①設(shè)備結(jié)構(gòu)大小，主要為刀盤直徑和整機(jī)長度;

②組裝洞室開挖工期與土建工程成本關(guān)系;

③組裝洞與外界的交通支洞條件;

④組裝洞室工程地質(zhì)條件，即成洞條件。

一般組裝洞地質(zhì)條件較好，附近旁洞可提供多條組裝輔助通道，如設(shè)備直徑相對較大時，在權(quán)衡工程工期與土建工程成本的前提下，可采用主機(jī)和后配套同時組裝的施工方案。即采用TBM主機(jī)組裝洞室和TBM后配套組裝洞室相結(jié)合的設(shè)計方案。該方案土建開挖工程量和工期相對增加，但是TBM主機(jī)和后配套平行組裝，可縮短設(shè)備進(jìn)場后的組裝工期，盡早進(jìn)行TBM掘進(jìn)施工。

表1 組裝方案和相關(guān)洞室布局

在單一洞室施工即沒有輔助通道的條件下，或者組裝洞室所處地質(zhì)條件較差不適合再擴(kuò)挖一個后配套洞室，或者組裝洞室土建開挖工期緊，TBM設(shè)備相對較小的情況下，一般宜選擇先組裝主機(jī)再后配套組裝的施工方案，即設(shè)計單一主機(jī)組裝洞室。該方案選擇主機(jī)和后配套均在一個洞室內(nèi)組裝，先完成主機(jī)組裝，然后主機(jī)向前步進(jìn)在主機(jī)組裝洞組裝后配套的方式。該方案減少了后配套組裝洞，增加了一段步進(jìn)洞，步進(jìn)洞斷面小于后配套組裝洞，因此減少了一定的開挖工程量;但是將主機(jī)和后配套平行組裝改為輪流組裝，延長了一定的組裝工期。

如工程條件界于上述兩者之間，則選擇主機(jī)組裝洞與部分后配套組裝洞室相結(jié)合的方案，即步進(jìn)洞+主機(jī)組裝洞+部分后配套組裝洞，先組裝主機(jī)和部分后配套，TBM步進(jìn)進(jìn)入步進(jìn)洞，再在組裝洞內(nèi)完成剩余后配套的組裝方案。

3 組裝洞室的結(jié)構(gòu)設(shè)計

TBM的組裝洞室一般設(shè)計有TBM組裝洞(主機(jī)和后配套)和始發(fā)洞室，步進(jìn)洞則根據(jù)現(xiàn)場TBM組裝需要和實際情況確定是否需要。其整體布局見圖1。

圖1 組裝洞室布置

3.1 主機(jī)組裝洞

是供TBM主機(jī)組裝的場地，經(jīng)常也用于組裝后配套。主機(jī)組裝洞一般設(shè)計為城門洞形，其設(shè)計參數(shù)根據(jù)主機(jī)結(jié)構(gòu)件的尺寸、組裝輔助設(shè)施參數(shù)以及組裝工藝確定(見圖2)。

圖2 主機(jī)組裝洞斷面

3.2 后配套組裝洞

供TBM后配套組裝的場地，一般與主機(jī)組裝洞一樣設(shè)計為城門洞形，其結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)后配套結(jié)構(gòu)尺寸、組裝輔助設(shè)施參數(shù)以及組裝工藝確定。

3.3 始發(fā)洞室

為TBM設(shè)備組裝完成進(jìn)入掘進(jìn)狀態(tài)的一個始發(fā)準(zhǔn)備區(qū)間。TBM從組裝洞步進(jìn)至始發(fā)洞，利用TBM撐靴撐緊始發(fā)洞洞壁，提供TBM向前掘進(jìn)的推進(jìn)力和刀盤旋轉(zhuǎn)的反力矩。始發(fā)洞按照其功能一般分為導(dǎo)向段和正常始發(fā)段兩部分，其中導(dǎo)向段為始發(fā)洞的前段，緊鄰開挖掌子面，需要進(jìn)行全圓襯砌，起到約束支撐護(hù)盾作用，為TBM始發(fā)進(jìn)行姿態(tài)定位和掘進(jìn)導(dǎo)向。正常始發(fā)段位于導(dǎo)向段后部，為撐靴提供支撐力，保證撐靴能夠提供始發(fā)的推進(jìn)力和反力矩。

(1)始發(fā)洞的導(dǎo)向段長度La1為刀盤前部至護(hù)盾后緣的長度。導(dǎo)向段開挖斷面一般為馬蹄形或城門洞形，但襯砌后斷面為圓形(見圖3)。

圖3 TBM始發(fā)洞導(dǎo)向段斷面

隧洞開挖寬度:D1=d1+2d+2δ

(2)正常始發(fā)段的斷面可為馬蹄形或城門洞形，但在撐靴部位需要模筑混凝土，成型為圓弧狀，以利于TBM撐靴撐至洞壁提供向前掘進(jìn)的撐靴力(見圖4)。

圖4 正常始發(fā)段斷面

3.4 步進(jìn)洞

TBM主機(jī)和后配套在同一個洞室組裝時，TBM主機(jī)組裝完成需要前移為后配套組裝提供場地，為此需要在組裝洞前方設(shè)計一個步進(jìn)洞。步進(jìn)洞其長度取決于主機(jī)和后配套的組裝方案即主機(jī)前移為后配套組裝移出的空間長度確定，其直徑大于刀盤直徑和人行道寬度之和即可。在TBM主機(jī)和后配套分別設(shè)計有組裝場地的情況下可不設(shè)計步進(jìn)洞，TBM組裝調(diào)試完成直接步進(jìn)至始發(fā)洞進(jìn)入始發(fā)狀態(tài)。

3.5 組裝洞室設(shè)計和施工中應(yīng)注意的問題

(1)組裝洞的設(shè)計除應(yīng)結(jié)合設(shè)備安裝工藝、部件結(jié)構(gòu)尺寸外，還應(yīng)充分考慮起吊設(shè)備的安裝、運行等對結(jié)構(gòu)空間的需要，尤其是主機(jī)組裝洞的高度和后配套的高度，應(yīng)充分考慮橋機(jī)及其它輔助設(shè)施的安裝需要，巖壁梁以上的高度應(yīng)滿足橋機(jī)安裝的需要。

(2)組裝洞的長度應(yīng)考慮橋機(jī)止滑墩的安全止滑距離，避免由于橋機(jī)運行距離受限而限制組裝場的長度，影響組裝工作。

(3)主機(jī)組裝洞與后配套組裝間的洞室寬度不同，各自安裝獨立的橋機(jī)時應(yīng)注意兩洞室橋機(jī)間盲區(qū)的距離不宜過長。建議不要設(shè)置盲區(qū)，以便后配套組裝完成后與主機(jī)順利連接。

(4)主機(jī)組裝洞懸臂梁的開挖應(yīng)采用光面爆破，確保開挖質(zhì)量，減少對圍巖的擾動。

(5)TBM始發(fā)洞的導(dǎo)向段和正常始發(fā)段均應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的軸線定位，為TBM的掘進(jìn)提供一個良好的始發(fā)姿態(tài)。

4 結(jié)束語

TBM的組裝是TBM設(shè)備投入運行前的一項重要工作，其設(shè)計與施工的好壞關(guān)系到TBM能否順利組裝和投產(chǎn)。組裝洞室的設(shè)計人員必須充分了解擬組裝的TBM及其輔助設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸、組裝方案和工藝，以完成TBM設(shè)備的組裝和順利始發(fā)為原則，結(jié)合各工程的具體特點選擇合適的組裝場所，靈活地設(shè)計各組裝洞室，以追求TBM組裝洞室設(shè)計和施工的經(jīng)濟(jì)性與合理性，保證TBM順利組裝和投產(chǎn)。