TBM隧洞施工長(zhǎng)距離出渣問(wèn)題研究

王 新，劉波波

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著地下工程施工技術(shù)、TBM設(shè)備的不斷發(fā)展，TBM被越來(lái)越多地應(yīng)用于隧洞施工特別是超長(zhǎng)隧洞施工中。TBM施工中，出渣問(wèn)題是制約施工進(jìn)度、影響洞內(nèi)施工工藝選擇的關(guān)鍵問(wèn)題之一。目前，與TBM相配套的出渣方式，仍基本沿用洞內(nèi)有軌運(yùn)輸和洞外汽車轉(zhuǎn)載的傳統(tǒng)方法。其中連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)日趨成熟，已在TBM中得到了廣泛的應(yīng)用，連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式已成為長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量的隧道施工的主要出渣方式，在高效的TBM隧道施工中起到了關(guān)鍵作用。

近年來(lái)，許多學(xué)者結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)于皮帶機(jī)出渣技術(shù)在TBM施工中的應(yīng)用展開(kāi)了廣泛研究[1-5]。胡景軍[6]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM施工段為例，進(jìn)行兩階段棄渣設(shè)計(jì)，從每階段的洞內(nèi)出渣、洞外運(yùn)渣、設(shè)置洞外分渣器的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等方面，對(duì)TBM皮帶出渣技術(shù)進(jìn)行了綜合研究。曹曉平[7]以東北某引水工程主洞TBM施工段為例，針對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)的延伸技術(shù)、控制系統(tǒng)、快速收放等關(guān)鍵技術(shù)方面入手，對(duì)各方面的技術(shù)革新進(jìn)行了研究論述。齊夢(mèng)學(xué)等[8]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM施工段為研究對(duì)象，從設(shè)備采購(gòu)成本及配置、運(yùn)行成本、維修保養(yǎng)成本、對(duì)進(jìn)度的影響等方面，綜合對(duì)比分析了連續(xù)膠帶機(jī)出渣和有軌運(yùn)輸出渣2種方式的優(yōu)劣，凸顯了選擇連續(xù)膠帶機(jī)出渣的優(yōu)點(diǎn)。段少國(guó)[9]依托錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程TBM掘進(jìn)段，研究了適合于高地應(yīng)力下特大斷面TBM施工的轉(zhuǎn)渣系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的開(kāi)挖支護(hù)方案及技術(shù)參數(shù)，取得了很好的應(yīng)用效果。

本工程TBM施工段較長(zhǎng)，斷面大，TBM掘進(jìn)速度快，出渣量大，為此從安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等角度考慮，本工程選擇連續(xù)皮帶機(jī)出渣方案。

1 秦嶺隧洞嶺北TBM段概況

引漢濟(jì)渭工程嶺北TBM由2條主洞、2條支洞組成，具體為TBM主洞、6號(hào)主洞以及5號(hào)支洞、6號(hào)勘探試驗(yàn)洞。

其中5號(hào)支洞全長(zhǎng)4595 m，位于TBM施工段落中部，主要用來(lái)解決TBM長(zhǎng)段落施工通風(fēng)、出渣、檢修等問(wèn)題，是目前國(guó)內(nèi)建成第二長(zhǎng)的斜井支洞。

6號(hào)勘探試驗(yàn)洞全長(zhǎng)2470m，斷面為圓拱直墻型，凈空高6.75 m，寬7.7 m，支洞內(nèi)縱坡為-9.1%和-3%的單面下坡，綜合坡度8.23%。

6號(hào)主洞延伸段工程為隧道單洞4414.5 m（樁號(hào)K63+050～K67+464.5）。該洞襯砌后斷面為 6.76 m×6.76 m，為馬蹄形斷面。

TBM主洞全長(zhǎng)16690 m，包含TBM配套洞室1525 m（TBM后配套洞120 m，主機(jī)組裝洞82 m，步進(jìn)洞245 m，TBM接應(yīng)洞918 m，檢修洞60 m，兩個(gè)始發(fā)洞各25 m，拆卸洞50 m）和TBM施工段15165 m（第一階段6788 m，第二階段8377 m）。5號(hào)支洞和TBM配套洞進(jìn)行鉆孔爆破，TBM主洞采用Φ8.02 m開(kāi)敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。TBM通過(guò)6號(hào)勘探試驗(yàn)洞運(yùn)至組裝洞室，在洞內(nèi)組裝并完成調(diào)試后向三河口方向掘進(jìn)，第一階段貫通后，TBM在檢修洞內(nèi)檢修，TBM出渣、通風(fēng)系統(tǒng)以及輔助設(shè)備的供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)場(chǎng)至5號(hào)支洞，TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)檢修完畢后，開(kāi)始第二階段掘進(jìn)施工。施工平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 TBM施工平面布置圖

2 出渣設(shè)計(jì)難點(diǎn)

從圖1可以看出，本工程出渣設(shè)計(jì)要全面考慮TBM從6號(hào)勘探試驗(yàn)洞運(yùn)至組裝洞室開(kāi)始，向三河口方向掘進(jìn)至樁號(hào)K46+360為止全過(guò)程的通風(fēng)。且5號(hào)支洞和6號(hào)支洞分別位于主洞兩側(cè)。在進(jìn)行出渣設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮兩條支洞不同側(cè)布置的問(wèn)題，還要綜合考慮TBM在不同施工段落轉(zhuǎn)場(chǎng)、銜接過(guò)渡等問(wèn)題。本工程出渣設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于：

（1）出渣線路長(zhǎng)，TBM施工段總長(zhǎng)約13.5 km，對(duì)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及布置、對(duì)洞內(nèi)施工的影響、配套的輔助措施等方面，要綜合全面考慮，是此次設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)；

（2）由于5號(hào)支洞和6號(hào)支洞分別位于主洞的兩側(cè)，不具備在洞內(nèi)改變TBM后配套臺(tái)車安裝的連續(xù)皮帶機(jī)移動(dòng)尾端位置的條件，因此，連續(xù)皮帶機(jī)和支洞皮帶機(jī)的布置位置，要綜合考慮襯砌施工、鉆爆段施工、電纜布線等方方面面。

（3）TBM掘進(jìn)速度快，日出渣量大，除皮帶機(jī)布置的位置外，選擇適宜的皮帶機(jī)參數(shù)，以匹配TBM施工進(jìn)度也是一個(gè)重要的課題。

3 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 具體設(shè)計(jì)方案

3.1.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，施工期間的整體設(shè)計(jì)方案如下：

采用連續(xù)皮帶機(jī)和支洞皮帶機(jī)接力，把棄渣從TBM后配套運(yùn)至支洞洞口，利用洞外轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)運(yùn)輸至臨時(shí)棄渣場(chǎng)，之后以自卸車運(yùn)至永久棄渣場(chǎng)。TBM在第一階段掘進(jìn)時(shí)，通過(guò)6號(hào)支洞將棄渣運(yùn)至支洞洞口；TBM在第二階段掘進(jìn)時(shí)，通過(guò)5號(hào)支洞將棄渣運(yùn)至支洞洞口。TBM施工段采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣，可最大限度地保證TBM的高效率掘進(jìn)。

3.1.2 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TBM掘進(jìn)采用皮帶機(jī)系統(tǒng)出渣，連續(xù)皮帶機(jī)受料端安裝在TBM后配套上，卸料端位于主洞與支洞交叉口部位，將棄渣卸入支洞皮帶機(jī)，再運(yùn)輸?shù)街Ф炊纯凇?/p>

6號(hào)支洞和5號(hào)支洞的皮帶機(jī)系統(tǒng)共用一套設(shè)備。

連續(xù)皮帶機(jī)和支洞皮帶機(jī)的布置位置，涉及到同步襯砌、鉆爆段施工、洞內(nèi)運(yùn)輸、供排水管布線、電纜布線等方方面面。根據(jù)嶺北TBM施工段技術(shù)部分相關(guān)資料，綜合考慮洞內(nèi)施工中的各種可能，皮帶輸送系統(tǒng)的布置方案如下：

連續(xù)皮帶機(jī)沿TBM掘進(jìn)方向的左側(cè)布置。由于5號(hào)、6號(hào)支洞分別位于主洞的兩側(cè)，不具備在洞內(nèi)改變TBM后配套臺(tái)車安裝的連續(xù)皮帶機(jī)移動(dòng)尾端位置的條件，在第一階段或第二階段支洞皮帶需要橫貫主洞，與連續(xù)皮帶機(jī)料斗相接，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)渣運(yùn)輸。

在第二階段實(shí)現(xiàn)支洞皮帶橫貫主洞進(jìn)行轉(zhuǎn)渣難度較大，需要提高支洞皮帶的安裝高度，在連續(xù)皮帶機(jī)尾部增加一條用于轉(zhuǎn)渣的斜皮帶，避免支洞皮帶影響洞內(nèi)運(yùn)輸。由此將會(huì)導(dǎo)致降低皮帶輸送系統(tǒng)的工作可靠性，同時(shí)還可能會(huì)造成同步襯砌臺(tái)車無(wú)法通過(guò)。考慮到TBM組裝前，6號(hào)支洞與主洞交匯處已完成鉆爆開(kāi)挖，施工空間較為充足，安裝難度相對(duì)較低。因此在6號(hào)支洞位置實(shí)現(xiàn)支洞皮帶機(jī)橫貫主洞出渣更為有利，安裝工作可以在組裝期間同步進(jìn)行，不會(huì)影響組裝工期，而且橫貫的支洞皮帶不會(huì)影響TBM施工材料運(yùn)輸。

3.1.3 皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

第一階段皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用2 kW×355 kW的主驅(qū)動(dòng)+1 kW×355 kW的喇叭口驅(qū)動(dòng)+160 kW的回程輔助驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)運(yùn)輸長(zhǎng)度10000 m；

第二階段皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)采用洞口主驅(qū)動(dòng)+支洞內(nèi)5套輔助驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率均為355 kW,支洞皮帶機(jī)長(zhǎng)度4590 m。

以上三條皮帶均寬800 mm，帶強(qiáng)ST2000，皮帶出渣能力設(shè)計(jì)770 t/h。

3.1.4 出渣過(guò)程降塵措施

在出渣后和出渣過(guò)程中用高壓水沖洗巖壁及對(duì)渣堆分層灑水，減少裝渣過(guò)程中揚(yáng)起粉塵，運(yùn)輸?shù)缆繁３譂駶?rùn)，防止車輛運(yùn)輸揚(yáng)起塵土。

3.2 出渣效果

采用上述皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)以來(lái)，TBM掘進(jìn)第一階段自2014年6月15日開(kāi)始，2015年8月23日貫通，掘進(jìn)長(zhǎng)度6788 m，月平均進(jìn)尺551 m，最高日進(jìn)尺50.5 m，最高日出渣量2525 m3。TBM第二掘進(jìn)階段2015年11月10日開(kāi)始至今，共掘進(jìn)7755.12 m，平均月進(jìn)尺為269.5 m（除去3個(gè)月的卡機(jī)時(shí)間），最高月進(jìn)尺551.79 m，最高日進(jìn)尺36.03 m，最大日出渣量1801.5 m3。設(shè)計(jì)的皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)完全可以滿足TBM施工段落出渣要求。

3 結(jié)論

（1）以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM施工段為研究對(duì)象，結(jié)合TBM主洞和施工支洞的布置，對(duì)洞內(nèi)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，針對(duì)性地提出分階段設(shè)計(jì)的方案。有效地解決了長(zhǎng)大隧洞TBM施工出渣難題，取得了很好的效果。

（2）初步研究結(jié)果表明，對(duì)于TBM連續(xù)皮帶機(jī)出渣問(wèn)題，根據(jù)TBM施工段落配套進(jìn)行分段的出渣設(shè)計(jì)是一種合理可行的解決方案。皮帶機(jī)的布設(shè)位置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行安排。但是，在工程實(shí)踐中，皮帶機(jī)的參數(shù)選擇往往都偏大，今后的研究中可結(jié)合施工進(jìn)度、成本等進(jìn)行進(jìn)一步研究。