隧道進(jìn)口段TBM掘進(jìn)法施工技術(shù)

孫宏軍

（河北路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊050011）

0 引言

某隧道位于嶺脊地區(qū)，平均海拔為1100～2950m，最高海拔為2 951.6m。山嶺南、北兩側(cè)地形切割劇烈，山高坡陡，基巖裸露，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，植被稀疏，相對(duì)高差為800～1200m。隧道左線(xiàn)起訖里程為DK141+590～DK164+042，全長(zhǎng)22 452m，為單面上坡，全隧除出口308m 位于曲線(xiàn)上外，其余均位于直線(xiàn)上，左右線(xiàn)間距為36m。本標(biāo)段TBM開(kāi)挖起始里程為DK141+911，到達(dá)里程為DK155+425，TBM 掘進(jìn)距離為13 514m，其中，Ⅱ級(jí)圍巖4 134m、Ⅲ級(jí)圍巖7 398m、Ⅳ級(jí)圍巖1 822m、Ⅴ級(jí)圍巖160m。

1 隧道進(jìn)口段TBM法施工方案分析

開(kāi)工進(jìn)場(chǎng)并完成施工準(zhǔn)備工作后，采用鉆爆法通過(guò)橫洞開(kāi)挖TBM 預(yù)備洞和出發(fā)洞，鉆爆法開(kāi)挖伯信特隧道出口300m。同時(shí)，施工烏蘇通溝大橋基礎(chǔ)、墩身及1～3 號(hào)橋墩間箱梁，并填筑TBM組裝場(chǎng)地，修筑TBM 施工臨時(shí)設(shè)施。TBM 組裝場(chǎng)地填筑到標(biāo)高后，按TBM 組裝要求進(jìn)行場(chǎng)地硬化，安裝TBM 組裝用龍門(mén)吊車(chē)，并完成TBM 組裝機(jī)具、工具的準(zhǔn)備工作，此時(shí)TBM 部件運(yùn)輸已開(kāi)始按順序分批進(jìn)場(chǎng)。大件進(jìn)場(chǎng)卸車(chē)后，即可展開(kāi)TBM 主機(jī)及后配套的組裝。TBM 主機(jī)完成組裝即向出發(fā)洞步進(jìn)，后配套逐節(jié)組裝和主機(jī)連接，全部組裝完成后，進(jìn)行調(diào)試，然后開(kāi)始始發(fā)掘進(jìn)。TBM 掘進(jìn)時(shí)，采用有軌方式將開(kāi)挖的石渣運(yùn)出洞外，利用翻車(chē)機(jī)翻渣，汽車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至棄渣場(chǎng)。因洞外場(chǎng)地狹小，翻車(chē)機(jī)布置在烏蘇通溝大橋吐魯番臺(tái)及1 號(hào)墩之間，軌道鋪進(jìn)伯信特隧道250m。襯砌安排在TBM 掘進(jìn)后方適時(shí)跟進(jìn)，考慮橫通道及輔助洞室的開(kāi)挖，襯砌工作面落后TBM 后配套尾部一定距離。襯砌臺(tái)車(chē)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮通風(fēng)管道、水管、高壓電纜的穿行。在襯砌臺(tái)車(chē)附近，靠近TBM 一側(cè)和遠(yuǎn)離TBM 一側(cè)設(shè)置兩付浮放道岔，襯砌臺(tái)車(chē)下部，設(shè)一付浮放道岔，共三付浮放道岔，供運(yùn)輸列車(chē)通行襯砌臺(tái)車(chē)。TBM 施工段工況如圖1所示。

圖1 TBM施工段工況示意圖

2 TBM掘進(jìn)施工技術(shù)

為了進(jìn)一步控制本工程的掘進(jìn)方向，在換步作業(yè)中，主操作員根據(jù)激光導(dǎo)向系統(tǒng)提供的TBM主機(jī)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)向作業(yè)，完成對(duì)主機(jī)掘進(jìn)方向的調(diào)整，使TBM 的掘進(jìn)方向始終處于控制范圍內(nèi)。結(jié)合本工程的地質(zhì)資料和上一循環(huán)掘進(jìn)情況，選擇合理的掘進(jìn)模式。TBM 有兩種掘進(jìn)模式，一種為低速掘進(jìn)模式，此模式下刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為2.7r/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速低，扭矩大，推進(jìn)力、撐靴需要的支撐力較低，適合圍巖松軟、穩(wěn)定性差的地段采用；另一種為高速掘進(jìn)模式，此模式下刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為5.4r/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速高，扭矩相對(duì)較小，推進(jìn)力、撐靴需要的支撐力較大，適合圍巖整體性、穩(wěn)定性好的地段采用。

2.1 TBM掘進(jìn)施工初期支護(hù)

初期支護(hù)采用噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架四種方式單獨(dú)或聯(lián)合組成，具體施工方式視地質(zhì)條件而定。支護(hù)順序和時(shí)機(jī)與圍巖自穩(wěn)時(shí)間關(guān)系密切。若圍巖比較破碎、軟弱、自穩(wěn)時(shí)間較短，應(yīng)按超前小導(dǎo)管→鋼拱架加鋼筋網(wǎng)→錨桿加鋼筋網(wǎng)→噴射混凝土的順序進(jìn)行施工。二次襯砌待襯砌臺(tái)車(chē)到達(dá)該位置時(shí)進(jìn)行。

水泥采用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)不低于425號(hào)。砂采用硬質(zhì)純凈中砂或粗砂，細(xì)度模數(shù)大于2.5，含水率以5%～7%為宜。石子采用堅(jiān)硬耐久的碎石或卵石，粒徑不大于1.5cm，級(jí)配良好。當(dāng)使用堿性速凝劑時(shí)，不得使用含活性二氧化硅的石料。水中不含影響水泥凝結(jié)與硬化的雜質(zhì)，不得使用污水、pH值小于4的酸性水和含硫酸鹽量超過(guò)水量1%（按SO4計(jì)）的水。速凝劑根據(jù)水泥品種、水灰比等，通過(guò)不同的混凝土試驗(yàn)選擇最佳摻量。要求初凝時(shí)間不大于5min，終凝時(shí)間不大于10min。

噴射前用水或風(fēng)沖洗受?chē)娒?，設(shè)置標(biāo)志或利用錨桿外露長(zhǎng)度以掌握噴混凝土層厚度。檢查機(jī)具設(shè)備和風(fēng)、水、電等管線(xiàn)路，并試運(yùn)行，保證密封性能良好，輸料連續(xù)，均勻?？諌簷C(jī)性能應(yīng)滿(mǎn)足噴射機(jī)工作風(fēng)壓和耗風(fēng)量的要求。高壓風(fēng)進(jìn)入噴射機(jī)，必須進(jìn)行油水分離，以免影響混凝土質(zhì)量。濕噴混凝土施工流程如圖2所示。

圖2 濕噴混凝土施工工藝流程圖

本工程錨桿支護(hù)采用TBM 自帶錨桿鉆機(jī)鉆孔，施工工藝和施工方法同鉆爆法施工段砂漿錨桿、中空注漿錨桿。鋼拱架構(gòu)件自洞外通過(guò)運(yùn)料平板車(chē)運(yùn)至TBM 機(jī)尾下部后，通過(guò)下部吊機(jī)、升降平臺(tái)、上部轉(zhuǎn)運(yùn)吊機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)運(yùn)到刀盤(pán)后方的鋼架安裝器處。

2.2 TBM的中段維修

本工程采用獨(dú)頭掘進(jìn)，TBM 掘進(jìn)距離較長(zhǎng)。為保證設(shè)備的良好狀態(tài)，計(jì)劃在掘進(jìn)至中段（掘進(jìn)長(zhǎng)度約7km處）時(shí)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行一次檢修。檢修洞采用人工弱爆破方法開(kāi)挖，即TBM 到達(dá)該位置后停止掘進(jìn)并后撤兩個(gè)循環(huán)的距離，然后由人工在靠近掌子面后部成型的隧道洞壁位置鉆孔，弱爆破將該位置擴(kuò)挖成檢修洞。最后，TBM 推進(jìn)至該位置檢修。

2.3 TBM到達(dá)

當(dāng)TBM掘進(jìn)至距離拆卸洞100m左右時(shí)，進(jìn)行第一次測(cè)量。人工復(fù)核TBM 位置、姿態(tài)及拆卸洞方位，并與激光導(dǎo)向系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而給出方向調(diào)整數(shù)據(jù)，指導(dǎo)TBM 主操作人員進(jìn)行調(diào)向作業(yè)。當(dāng)掘進(jìn)至距離拆卸洞50m時(shí)，進(jìn)行第二次量測(cè)，以后每掘進(jìn)10m 量測(cè)一次，直到TBM進(jìn)入拆卸洞。當(dāng)TBM 距離拆卸洞室10m 左右時(shí)，為防止掘進(jìn)震動(dòng)對(duì)拆卸洞室及洞室與掘進(jìn)段連接部位造成破壞，減慢推進(jìn)速度、降低推進(jìn)力，并嚴(yán)格控制TBM 掘進(jìn)方向，使其沿隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)推進(jìn)。同時(shí)，嚴(yán)格控制仰拱塊鋪設(shè)偏差。

2.4 TBM拆卸與部件運(yùn)輸

TBM 拆卸是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工作，為保證拆卸的順利進(jìn)行，需做好以下工作：拆卸洞室必須在TBM 到達(dá)前一個(gè)月完工并組裝好吊機(jī)；拆卸所需的風(fēng)、水、電提前接引至拆卸洞室；提前制訂出詳細(xì)可行的拆卸及運(yùn)輸方案；做好技術(shù)培訓(xùn)，并做好技術(shù)交底；提前做好標(biāo)識(shí)牌、標(biāo)志卡，拆卸下來(lái)的零部件標(biāo)識(shí)清楚、準(zhǔn)確；做好人、材、物準(zhǔn)備工作，步進(jìn)裝置提前運(yùn)至拆卸洞；準(zhǔn)備好TBM 零部件的存放場(chǎng)地及包裝箱；設(shè)立專(zhuān)職安全員并提前培訓(xùn)，全程監(jiān)控TBM拆卸的安全作業(yè)。

本工程為了能有效地加快TBM拆卸進(jìn)度、節(jié)約時(shí)間，TBM拆卸實(shí)行三班作業(yè)，主機(jī)用150t橋吊作業(yè)。因拆卸洞內(nèi)場(chǎng)地不足，故拆卸下來(lái)的部件必須隨拆隨運(yùn)。拆卸后的部件采用汽車(chē)通過(guò)出口鉆爆法施工段運(yùn)出洞外。部件運(yùn)輸狀態(tài)如圖3所示。

2.5 TBM出渣

圖3 TBM部件洞內(nèi)運(yùn)輸示意圖（單位：mm）

隧道進(jìn)料及出渣采用四軌雙線(xiàn)、內(nèi)燃機(jī)牽引的有軌運(yùn)輸方式，軌距為900mm，兩線(xiàn)間距（中—中）為2 080mm。由于TBM 掘進(jìn)時(shí)襯砌同步進(jìn)行，橫通道、大小避車(chē)洞也跟隨施工，因此，運(yùn)輸方案應(yīng)同時(shí)兼顧所有施工作業(yè)。洞內(nèi)設(shè)3付浮放道岔，分別位于襯砌臺(tái)車(chē)正下方、臺(tái)車(chē)前方270m處和臺(tái)車(chē)后方270m 處。洞外設(shè)立列車(chē)編組區(qū)域，鋪設(shè)道岔和編組線(xiàn)路。采用混合編組的方法，每一列車(chē)由內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引10 節(jié)20m3渣車(chē)配以需要的材料車(chē)組成，能滿(mǎn)足掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)的需求（每掘進(jìn)循環(huán)出渣量為180m3）。列車(chē)編組順序?yàn)閮?nèi)燃機(jī)車(chē)→渣車(chē)→噴射混凝土罐車(chē)→仰拱塊車(chē)→材料車(chē)→襯砌混凝土罐車(chē)，材料車(chē)、混凝土罐車(chē)根據(jù)需要編組。另外，上下班時(shí)間還要加掛人車(chē)，人車(chē)掛在襯砌混凝土罐車(chē)后方。編組完畢，由內(nèi)燃機(jī)車(chē)頂推進(jìn)洞，重車(chē)由機(jī)車(chē)牽引出洞至翻車(chē)機(jī)卸渣。襯砌用料編組在列車(chē)最前方一起進(jìn)洞。

2.6 洞內(nèi)運(yùn)輸

本工程洞內(nèi)設(shè)3付浮放道岔，分別置于襯砌臺(tái)車(chē)正下方、臺(tái)車(chē)前方270m 處和臺(tái)車(chē)后方270m 處。行車(chē)時(shí)，自1#至3#浮放道岔間只允許通行一列列車(chē)。掘進(jìn)時(shí)，空車(chē)自3#軌線(xiàn)進(jìn)洞，在3#、1#浮放道岔處與洞內(nèi)出來(lái)的重車(chē)交匯，后繼續(xù)沿3#軌線(xiàn)前進(jìn)至TBM 后配套。重車(chē)自4#軌線(xiàn)出洞，在1#、3#浮放道岔處與空車(chē)交匯，后繼續(xù)沿4#軌線(xiàn)出洞。洞內(nèi)運(yùn)輸方案如圖4所示。

圖4 TBM施工洞內(nèi)運(yùn)輸方案示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)工程隧道獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其采取TBM 法掘進(jìn)施工方法，結(jié)合本工程的地質(zhì)資料和上一循環(huán)掘進(jìn)情況，選擇合理的掘進(jìn)模式，并系統(tǒng)地介紹掘進(jìn)施工技術(shù)的實(shí)施過(guò)程，為同類(lèi)工程提供參考借鑒。

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