長(zhǎng)大隧道開敞式TBM同步襯砌施工技術(shù)應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)

齊夢(mèng)學(xué)

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

0 引言

TBM工法由于具有安全、快速、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)大隧道施工領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。以往開敞式TBM施工過(guò)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，都需要在TBM掘進(jìn)分階段或者全部貫通后施作二次模筑混凝土襯砌，而從未實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)與二次模筑混凝土襯砌的同步施工，這就導(dǎo)致了圍巖開挖并初期支護(hù)后將有一個(gè)較長(zhǎng)的裸露期，與隧道施工要求及時(shí)封閉圍巖、完成完整二次襯砌結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)思想不符，施工安全與質(zhì)量的可靠性大大降低;同時(shí)，也與我國(guó)相關(guān)法規(guī)及行業(yè)規(guī)章制度不符。例如:2008年鐵道部《關(guān)于印發(fā)〈鐵路建設(shè)工程施工企業(yè)信用評(píng)價(jià)暫行辦法〉的通知》(鐵建設(shè)［2008］160號(hào))，規(guī)定了不同圍巖條件下二次襯砌與掌子面之間的間距要求;2010年頒布的《關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計(jì)施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》(鐵建設(shè)［2010］120號(hào))，再次明確規(guī)定及時(shí)施作軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道的二次襯砌距離。

為了解決開敞式TBM不能同步施作現(xiàn)澆混凝土二次襯砌的問(wèn)題，分別從有軌運(yùn)輸出渣和連續(xù)皮帶機(jī)出渣2種工況條件著手，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究開發(fā)，結(jié)合施工實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了邊墻和拱頂同步襯砌施工技術(shù)，并在南疆鐵路吐庫(kù)二線中天山隧道和蘭渝鐵路西秦嶺隧道2項(xiàng)工程中成功應(yīng)用。然而，這并不能代表著該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，還有很多施工條件和環(huán)境下的同步襯砌施工技術(shù)仍需繼續(xù)開展全面而深入的研究。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工的研究起步較早，20世紀(jì)90年代就已經(jīng)出現(xiàn)。如文獻(xiàn)［1］所述，TBM在前方掘進(jìn)，同時(shí)在擋土墻處拌制襯砌混凝土，并泵送到滑模中，臺(tái)架提供襯砌材料以及棄渣運(yùn)輸通道，棄渣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將棄渣從開挖區(qū)域穿越臺(tái)車臺(tái)架運(yùn)送到洞外。該技術(shù)未能得以推廣，可見其實(shí)用性較差。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)開敞式TBM同步襯砌施工技術(shù)的研究始于遼寧大伙房輸水隧洞，該技術(shù)在其中一個(gè)標(biāo)段的最后80 m掘進(jìn)中進(jìn)行試驗(yàn)，施工過(guò)程中造成連續(xù)皮帶機(jī)不能正常運(yùn)行、各工序之間的相互干擾大、臺(tái)架和模板變形嚴(yán)重［2－3］。雖然未能真正得以應(yīng)用，但進(jìn)行了有益的探索，為后續(xù)研究與應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)。2007年開工的南疆鐵路吐庫(kù)二線中天山特長(zhǎng)隧道，實(shí)現(xiàn)了有軌運(yùn)輸條件下TBM掘進(jìn)與邊墻和拱頂二次襯砌同步施工。2008年開工的蘭渝鐵路西秦嶺隧道實(shí)現(xiàn)了連續(xù)皮帶機(jī)出渣條件下開敞式TBM掘進(jìn)與邊墻和拱頂二次模筑混凝土襯砌同步施工，應(yīng)用效果良好。中天山隧道和西秦嶺隧道均為鐵路隧道，TBM掘進(jìn)時(shí)鋪設(shè)上表面為平面的仰拱預(yù)制塊，為有軌運(yùn)輸系統(tǒng)鋪軌提供了條件;之后施作隧道兩側(cè)小邊墻，為同步襯砌臺(tái)車提供走行基礎(chǔ);最后施工邊墻和拱頂二次襯砌。目前，即將開始TBM掘進(jìn)施工的陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞以及東北某引水工程也在研發(fā)TBM同步襯砌施工技術(shù)，但由于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，不再具備小邊墻條件，且隧道斷面較小，使得實(shí)現(xiàn)難度大大增加。

2 TBM同步襯砌施工技術(shù)研發(fā)成果

結(jié)合開敞式TBM掘進(jìn)與邊墻和拱頂現(xiàn)澆混凝土同步襯砌施工技術(shù)在中天山隧道和西秦嶺隧道2項(xiàng)工程的成功應(yīng)用，簡(jiǎn)要說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用效果。

2.1 有軌運(yùn)輸出渣工況下的同步襯砌施工技術(shù)

中天山隧道TBM開挖直徑8.8 m，采用有軌運(yùn)輸方式出渣。TBM掘進(jìn)的同時(shí)，在連接橋位置鋪設(shè)仰拱預(yù)制塊，TBM后方適當(dāng)位置開始施作兩側(cè)小邊墻，待其強(qiáng)度合格后施工邊墻和拱頂同步襯砌。單部同步襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)使用距離要求達(dá)到8 km，臺(tái)車走行于小邊墻上，仰拱預(yù)制塊上部平面鋪設(shè)四軌雙線制軌道供有軌運(yùn)輸列車通行。臺(tái)車下部臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為列車雙線通行，提供足夠空間且無(wú)需布置臺(tái)車底部橫向抗變形絲杠支撐;上部臺(tái)架預(yù)留直徑為2.2 m的通風(fēng)軟管穿越通道，通過(guò)仰拱預(yù)制塊的中心水溝實(shí)現(xiàn)隧道施工排水，其他水、電和通訊管線可以穿越臺(tái)車。有軌運(yùn)輸出渣工況下TBM同步襯砌臺(tái)車橫斷面布置見圖1［4－7］。

圖1 有軌運(yùn)輸出渣時(shí)TBM同步襯砌斷面布置Fig.1 Cross-section of tunnel showing arrangement of synchronous lining system and rail-bound mucking system

2.2 連續(xù)皮帶機(jī)出渣工況下的同步襯砌施工技術(shù)

西秦嶺隧道TBM開挖直徑10.23 m，采用可靠性更高、速度更快的連續(xù)皮帶機(jī)出渣，其他工況條件與中天山隧道基本一致。該工況下的同步襯砌施工技術(shù)是在中天山隧道同步襯砌技術(shù)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合可供利用的工程條件進(jìn)一步研究和開發(fā)的。連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行中，其狀態(tài)不允許發(fā)生改變，否則將會(huì)導(dǎo)致皮帶跑偏、漏渣甚至皮帶機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，這就要求連續(xù)皮帶機(jī)穿越同步襯砌臺(tái)車前、穿越中及穿越后，其位置和姿態(tài)保持不變。針對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行的特殊需求，通過(guò)深入研究，提出多種方案，經(jīng)過(guò)全面論證比選后，采用了減震承臺(tái)方式。連續(xù)皮帶機(jī)出渣工況下的TBM同步襯砌臺(tái)車斷面布置見圖 2［8－11］。

連續(xù)皮帶機(jī)出渣工況下的同步襯砌施工技術(shù)在西秦嶺隧道的施工實(shí)踐，取得了以下成果。

1)TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工，2部同步襯砌臺(tái)車同時(shí)投入使用。1部緊跟TBM，首先對(duì)圍巖條件較差的洞段及時(shí)實(shí)施二次襯砌，在有能力的情況下，盡量多施工;另外1部完成剩余的襯砌任務(wù)，隧道綜合成洞進(jìn)尺可達(dá)500 m/月。

圖2 連續(xù)皮帶機(jī)出渣時(shí)TBM同步襯砌斷面布置Fig.2 Cross-section of tunnel showing arrangement of synchronous lining system and belt conveyer mucking system

2)同步襯砌臺(tái)上設(shè)置專用的帶有減震裝置的皮帶機(jī)承臺(tái)，可以便捷地對(duì)承臺(tái)進(jìn)行上下位置調(diào)整，以適應(yīng)皮帶機(jī)與臺(tái)車上下相對(duì)位置的變化;承臺(tái)寬度預(yù)留100 mm的余量，允許皮帶機(jī)整體在承臺(tái)上橫向移動(dòng)，自動(dòng)適應(yīng)皮帶機(jī)與臺(tái)車水平位置關(guān)系的變化;承臺(tái)下部安裝有減震機(jī)構(gòu)，避免連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到剛剛澆筑完成、尚未脫模的混凝土結(jié)構(gòu)，保證混凝土的最終質(zhì)量。通過(guò)采取上述措施，能保證連續(xù)皮帶機(jī)的位置與姿態(tài)在保持不變的情況下順利穿越臺(tái)車，且運(yùn)行過(guò)程中不論臺(tái)車處于立模、澆筑、拆模、移位何種工序，均能正常作業(yè)而不發(fā)生干涉。

3)φ2.2 m的大直徑通風(fēng)軟管在保證通風(fēng)不間斷、通風(fēng)質(zhì)量不受影響的前提下順利穿越臺(tái)車。

4)四軌雙線有軌運(yùn)輸列車通行，且不論臺(tái)車處于何種工況，都不會(huì)影響列車的正常運(yùn)行。

5)采用分散式抗浮有利于保護(hù)已經(jīng)施工完成的混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，且臺(tái)車受力更加合理。

TBM自2010年8月正式掘進(jìn)，現(xiàn)澆混凝土邊墻和拱頂襯砌自10月開始施工，截至發(fā)稿，TBM及同步襯砌已經(jīng)完成了第1階段施工及向第2階段的轉(zhuǎn)場(chǎng)，TBM累計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度11.59 km，同步襯砌累計(jì)長(zhǎng)度10.23 km。與傳統(tǒng)的施工方法相比，可節(jié)約工期17個(gè)月，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益非?？捎^。

3 應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 應(yīng)用前景

隨著我國(guó)隧道施工技術(shù)的大發(fā)展，規(guī)劃中采用TBM施工的長(zhǎng)大隧道會(huì)越來(lái)越多，如吉林引松供水工程、重慶地鐵、青島地鐵、甘肅引哈濟(jì)黨引水工程、云南滇中供水工程、瓊州海峽海底隧道、渤海灣煙(臺(tái))大(連)海底隧道、臺(tái)海大通道和南水北調(diào)西線工程等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有各類可用TBM開挖的隧道工程總長(zhǎng)度約5 800 km，需TBM 120～150臺(tái)，TBM的使用和發(fā)展在我國(guó)具有廣闊的市場(chǎng)［12］。因此，由于安全、質(zhì)量、工期和施工成本等方面的綜合需求，在適宜的工況條件下，TBM同步襯砌施工技術(shù)在長(zhǎng)大隧道施工中具有非常大的發(fā)展空間。

3.2 推廣TBM同步襯砌施工技術(shù)面臨的主要問(wèn)題

開敞式TBM同步襯砌施工技術(shù)成功地應(yīng)用于2項(xiàng)鐵路隧道工程，其共性如下:1)隧道結(jié)構(gòu)中鋪設(shè)上表面為平面的仰拱預(yù)制塊，安裝四軌雙線制軌道供列車通行;2)仰拱預(yù)制塊設(shè)有中心水溝，施工期間用以排水;3)隧道兩側(cè)為兼顧水溝及電纜槽結(jié)構(gòu)而設(shè)置有小邊墻，鋪設(shè)臺(tái)車走行軌道，且能夠保證下部臺(tái)架為列車預(yù)留凈寬為4.9 m的通行空間;4)相應(yīng)工況條件下的開挖斷面較大，開挖直徑為8.8 m的隧道采用有軌運(yùn)輸方式出渣，開挖直徑為10.23 m的隧道采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，其作業(yè)空間均較寬敞;5)現(xiàn)澆混凝土二次襯砌的范圍是邊墻和拱頂。

開敞式TBM在我國(guó)應(yīng)用較多，同步襯砌施工技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于2項(xiàng)工程并取得了較好的成績(jī)，但大范圍推廣應(yīng)用還面臨著諸多問(wèn)題，如隧道長(zhǎng)度、隧道斷面、是否鋪設(shè)仰拱預(yù)制塊、仰拱預(yù)制塊的形式、現(xiàn)澆混凝土襯砌范圍等因素制約了該技術(shù)在更大范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用。

3.3 發(fā)展趨勢(shì)

目前，開敞式TBM同步襯砌施工技術(shù)尚處于起步階段，其他工況條件下的同步襯砌施工技術(shù)尚待研發(fā)或正在研發(fā)過(guò)程中，沒(méi)有形成系列的、適用范圍更廣的成熟技術(shù)，下一步需結(jié)合不同的工況條件繼續(xù)進(jìn)行研究開發(fā)。

3.3.1 鋪設(shè)不同形式仰拱預(yù)制塊工況下的TBM同步襯砌

洞內(nèi)鋪設(shè)上表面為平面的仰拱預(yù)制塊、兩側(cè)設(shè)有小邊墻的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要適用于鐵路隧道，而對(duì)于其他水利水電工程的隧洞而言，這種結(jié)構(gòu)形式并非最佳。如陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞采用開敞式TBM施工、連續(xù)皮帶機(jī)出渣，仰拱預(yù)制塊上表面設(shè)計(jì)為弧形，TBM掘進(jìn)之后施作邊墻和拱頂現(xiàn)澆混凝土襯砌，見圖3。

該工況條件下的同步襯砌施工技術(shù)需重點(diǎn)解決列車不間斷通行、同步襯砌臺(tái)車走行位置、連續(xù)皮帶機(jī)穿越臺(tái)車的有效空間、洞內(nèi)長(zhǎng)距離有軌運(yùn)輸組織調(diào)度和洞內(nèi)風(fēng)水電管線布置等問(wèn)題。預(yù)計(jì)TBM2013年第4季度可以完成工地組裝調(diào)試，同步襯砌施工將同步實(shí)施，同步襯砌施工方案設(shè)計(jì)及臺(tái)車設(shè)計(jì)制造工作目前正在按計(jì)劃落實(shí)。

圖3 引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞斷面布置Fig.3 Cross-section of Qinling tunnel of Hanjiang-Weihe Water Diversion Project

3.3.2 現(xiàn)澆仰拱同步襯砌

某些隧道工程出于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，底部不允許鋪設(shè)仰拱預(yù)制塊而只能施作現(xiàn)澆混凝土仰拱。TBM現(xiàn)澆仰拱同步襯砌施工技術(shù)研究需要解決的問(wèn)題主要包括:洞內(nèi)軌道布置(列車走行軌、臺(tái)車走行軌)、有軌運(yùn)輸列車在同步襯砌區(qū)域不間斷通行(涉及仰拱襯砌前后鋼軌鋪設(shè)方式、鋼軌在同步襯砌臺(tái)車前后的迅速對(duì)接、列車通行空間等)、仰拱同步襯砌臺(tái)車自身結(jié)構(gòu)形式、臺(tái)車行走方式、是否配置鋼筋籠或者鋼筋網(wǎng)、鋼筋籠(網(wǎng))鋪設(shè)作業(yè)空間和作業(yè)方式、混凝土澆筑方式、混凝土澆筑過(guò)程中的抗浮、現(xiàn)澆混凝土仰拱脫模后的養(yǎng)護(hù)(混凝土脫模后必須達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度方可承載列車)、混凝土澆筑前清底方式、清底效果與工作效率、同步襯砌施工單元長(zhǎng)度、襯砌速度與TBM掘進(jìn)速度的匹配、連續(xù)皮帶機(jī)與同步襯砌臺(tái)車之間的干涉、大直徑通風(fēng)軟管與臺(tái)車上通行列車之間的干擾、洞內(nèi)供水供電線路布置、施工排污等。

3.3.3 小斷面隧道TBM同步襯砌

當(dāng)隧道斷面較小時(shí)，實(shí)施TBM同步襯砌難度較大，有時(shí)甚至完全不具備可行性，方案規(guī)劃時(shí)必須全面、深入、系統(tǒng)地研究以下問(wèn)題，綜合論證其可行性。1)同步襯砌的范圍是邊墻、拱頂、仰拱，還是全斷面;2)TBM掘進(jìn)出渣采用連續(xù)皮帶機(jī)、有軌運(yùn)輸系統(tǒng)，還是無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng);3)二次襯砌前后洞內(nèi)斷面布置，包括通風(fēng)軟管、連續(xù)皮帶機(jī)、電力及照明通訊線路、供排水系統(tǒng)、鋼軌、運(yùn)輸車輛、洞內(nèi)會(huì)車平臺(tái)等;4)同步襯砌臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證臺(tái)車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與壽命的前提下，盡最大可能為其他設(shè)備、設(shè)施預(yù)留更大空間;5)運(yùn)輸、通風(fēng)、供排水、供電、照明、通訊等設(shè)備與設(shè)施通過(guò)襯砌臺(tái)車的方式;6)同步襯砌臺(tái)車的走行方式及走行位置;7)同步襯砌臺(tái)車模板長(zhǎng)度;8)同步襯砌作業(yè)速度與TBM掘進(jìn)速度的匹配性;9)連續(xù)皮帶機(jī)、運(yùn)輸車輛設(shè)備選型與配置;10)小斷面、大運(yùn)量、長(zhǎng)距離洞內(nèi)運(yùn)輸組織與調(diào)度和施工安全保證措施等。

3.3.4 全斷面同步襯砌

水工隧洞設(shè)計(jì)施工過(guò)程中從經(jīng)濟(jì)方面考慮，對(duì)于TBM開挖出來(lái)的空間，不希望過(guò)多回填，因而很多工程將不會(huì)設(shè)置仰拱預(yù)制塊，此時(shí)實(shí)施TBM同步襯砌就需要采取現(xiàn)澆仰拱、邊墻和拱頂襯砌分步實(shí)施的方案，或者采用全斷面同步襯砌方案。前者需要增加更多的工作面，在洞內(nèi)相對(duì)狹小的空間內(nèi)實(shí)施多個(gè)工作面同時(shí)作業(yè)，相互干擾問(wèn)題將會(huì)非常嚴(yán)重。后者必須解決好列車洞內(nèi)不間斷通行、全斷面同步襯砌臺(tái)車與列車通行之間的相互配合、全斷面澆筑混凝土抗浮、臺(tái)車結(jié)構(gòu)形式、臺(tái)車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度、仰拱部分混凝土澆筑質(zhì)量控制、連續(xù)皮帶機(jī)及大直徑通風(fēng)軟管穿越全斷面同步襯砌臺(tái)車、襯砌速度、混凝土脫模后的養(yǎng)護(hù)(特別是仰拱部分)等一系列問(wèn)題。已經(jīng)研究了該工況條件下TBM全斷面同步襯砌施工方案并取得了階段性成果，全斷面TBM同步襯砌臺(tái)車橫斷面初步設(shè)計(jì)見圖4［13］，但距離真正投入施工實(shí)踐還有相對(duì)較長(zhǎng)的過(guò)程，有很多具體問(wèn)題還需要深入研究。

圖4 全斷面TBM同步襯砌臺(tái)車橫斷面初步設(shè)計(jì)Fig.4 Cross-section of full-face synchronous lining trolley

3.3.5 同步襯砌與掌子面之間的距離

實(shí)踐證明:即使采用TBM同步襯砌施工技術(shù)，也無(wú)法滿足現(xiàn)有鐵路隧道施工基于鉆爆法所制定的步距要求。對(duì)于TBM施工而言，初期支護(hù)是保證施工安全的主要措施，同步襯砌的主要作用在于縮短長(zhǎng)大隧道施工工期、合理設(shè)計(jì)相匹配的初期支護(hù)方式，從而實(shí)現(xiàn)施工安全、質(zhì)量、工期和成本之間的合理辯證統(tǒng)一。

4 結(jié)論與討論

開敞式TBM同步襯砌施工技術(shù)在施工安全、工程質(zhì)量、綜合進(jìn)度、施工成本等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在工況條件與作業(yè)環(huán)境允許的情況下，具備大力推廣的必要性與可行性。

然而，該技術(shù)僅在少數(shù)工況條件和隧道斷面下經(jīng)受了實(shí)踐考驗(yàn)并獲得成功，尚未形成系列工法，不可盲目推廣，絕不可為了體現(xiàn)與其他工程的不同而改變成熟的經(jīng)驗(yàn)工法，創(chuàng)新必須進(jìn)行科學(xué)完整的研究論證，必須能夠產(chǎn)生實(shí)實(shí)在在的價(jià)值。在工程籌劃、初步設(shè)計(jì)階段，研究和論證同步襯砌的可行性，針對(duì)本工程的特定工況條件，確定需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題，提出可供選用的解決措施;在工程可研、施工圖設(shè)計(jì)階段，基本確定關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案，據(jù)此制定施工工序、質(zhì)量及工期目標(biāo);在實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)階段，需對(duì)襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)、設(shè)備配置、工藝流程與技術(shù)要點(diǎn)、施工組織與調(diào)度、安全與質(zhì)量保證措施等制定全面而詳細(xì)的方案。

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