關(guān)于雙護(hù)盾TBM始發(fā)技術(shù)的研究

周　清

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710032）

關(guān)于雙護(hù)盾TBM始發(fā)技術(shù)的研究

周清

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710032）

摘要：本文以蘭州水源地工程為例，針對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)的地利限制條件，對(duì)雙護(hù)盾TBM工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、始發(fā)技術(shù)、皮帶出渣、皮帶支架的安裝、輔助條件工作進(jìn)行了詳細(xì)地說明，論述了雙護(hù)盾TBM快速始發(fā)的技術(shù)方案。通過對(duì)TBM始發(fā)方案的探討，對(duì)整個(gè)工程的完成有著促進(jìn)意義。

雙護(hù)盾TBM；始發(fā)技術(shù)；輔助條件

近年來，先進(jìn)的全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM）在地下工程中愈來愈顯示其功能的優(yōu)越性。尤其是雙護(hù)盾TBM，在隧道施工中（如開挖、出渣、襯砌灌漿等平行作業(yè)）實(shí)現(xiàn)一次成洞，有效地利用隧道空間，使施工作業(yè)達(dá)到安全、高效和快速施工的目的。在一定的地質(zhì)條件下，雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)能很好地解決巖石的非穩(wěn)定性及涌水問題，其結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)越來越受到廣大施工單位的青睞。針對(duì)蘭州水源地建設(shè)工程，引進(jìn)國內(nèi)首臺(tái)自主設(shè)計(jì)制造雙護(hù)盾TBM，采用有效的始發(fā)方案，快速完成TBM的正常掘進(jìn)條件，也為未來施工建設(shè)開拓更寬廣的市場(chǎng)做好鋪墊。

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)按支護(hù)形式可分為開敝式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾3種類型。開敝式TBM一般用于硬巖層的掘進(jìn)施工，單護(hù)盾常用于軟巖層及地下水位較高的不穩(wěn)定地層施工，雙護(hù)盾TBM又稱伸縮盾TBM，具有硬、軟巖層的倔強(qiáng)施工，工程建設(shè)中運(yùn)用得很廣泛，對(duì)山體斷層多，地質(zhì)復(fù)雜的情況能很好地順利施工。通過對(duì)雙護(hù)盾TBM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及始發(fā)方案的準(zhǔn)確把握，為工程順利建設(shè)有著促進(jìn)意義。

本工程標(biāo)段范圍為T16+160～T30+931輸水主洞TBM施工洞段，采用一臺(tái)雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工，開挖洞徑5.49m。TBM在主洞口外的TBM工業(yè)廣場(chǎng)組裝，從主洞（樁號(hào)T30+630）直接步行通過鉆爆施工段，始發(fā)逆坡向上游進(jìn)行主洞掘進(jìn)至通氣井（樁號(hào)T16+160）處，在洞內(nèi)拆卸后出洞，TBM2施工控制段長度14.1km，掘進(jìn)長度12.1km，滑行安裝管片長度2.0km。

1.雙護(hù)盾TBM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本工程項(xiàng)目的雙護(hù)盾TBM主要結(jié)構(gòu)為：刀盤、盾體、連接橋、后配套等組成，整個(gè)設(shè)備全長約為310m。

1.1 刀盤

刀盤采用低合金高強(qiáng)度鋼板焊接扁平式結(jié)構(gòu)，分上、下兩部，面板上布滿網(wǎng)狀式的耐磨焊條，通過高強(qiáng)度螺栓將刀盤法蘭與主驅(qū)動(dòng)連接，刀盤面板上布置有多個(gè)背裝式注水噴嘴，可很好地解決刀盤除塵及降溫。

該設(shè)備采用大容積的刮渣鏟斗，能保證石渣通過溜渣槽進(jìn)入接渣斗，并用皮帶輸送機(jī)排除到主機(jī)外。

1.2 盾體

盾體主要由前盾、伸縮盾、撐緊盾、尾盾組成，采用錐形設(shè)計(jì)，為焊接結(jié)構(gòu)件，并在底部增加耐磨條保護(hù)。盾體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 連接橋

連接橋由連接橋一及連接橋二組成，通過管片拼裝機(jī)上兩個(gè)φ250mm的拖拉油缸相連接，安裝著主泵站、主控室、管片吊機(jī)等，為管片的拼裝及鋼軌儲(chǔ)存預(yù)留了足夠的操作空間；通過在連接橋上增添后配套皮帶機(jī)，可將主機(jī)運(yùn)輸出的石渣標(biāo)高降低，轉(zhuǎn)運(yùn)到連續(xù)皮帶機(jī)上，運(yùn)出洞口。

1.4 后配套

整個(gè)雙護(hù)盾TBM后配套有25節(jié)臺(tái)車，主要配套液壓系統(tǒng)、豆礫石系統(tǒng)、水泥注漿系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等，通過一系列后配套系統(tǒng)的配合為掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行提供了保障。

2.雙護(hù)盾TBM始發(fā)總體方案

TBM主機(jī)組裝完成后，采用一臺(tái)32t卷揚(yáng)機(jī)牽引的方法進(jìn)洞。TBM滑行至掌子面后，安裝反力架始發(fā)掘進(jìn)。

圖1　盾體結(jié)構(gòu)示意圖

鉆爆段主洞為200m，TBM整機(jī)長約310m，即TBM滑行至掌子面后依然有部分后配套在隧洞外；此時(shí)連續(xù)皮帶機(jī)皮帶儲(chǔ)存?zhèn)}因安裝位置不夠無法安裝，須TBM完全通過擴(kuò)大洞室后才能安裝連續(xù)皮帶機(jī)皮帶儲(chǔ)存?zhèn)}。因此，TBM的始發(fā)分兩步進(jìn)行：①TBM后配套在洞外時(shí)的始發(fā)；②TBM后配套在擴(kuò)大洞室時(shí)的始發(fā)。待TBM掘進(jìn)機(jī)通過上述區(qū)域后，再安裝連續(xù)皮帶機(jī)的皮帶儲(chǔ)存?zhèn)}、皮帶主驅(qū)動(dòng)后才開始正常掘進(jìn)。

2.1 始發(fā)前的準(zhǔn)備

（1）TBM進(jìn)洞前，在洞外組裝及滑行基座上預(yù)埋鋼軌。

（2）檢查TBM滑軌，對(duì)損壞、變形必須修復(fù)。

（3）檢查滑軌安裝位置，如不符合要求，必須進(jìn)行調(diào)整。

（4）準(zhǔn)備編組列車，滿足始發(fā)期間鋼軌、電纜、風(fēng)水管延伸等需要。

（5）在滑行鋼軌上涂抹潤滑脂，減少步進(jìn)的阻力。

（6）在護(hù)盾后部兩側(cè)盾殼與預(yù)埋鋼軌接觸部位各焊接一塊止轉(zhuǎn)塊，防止護(hù)盾在滑行過程中扭轉(zhuǎn)。

2.2 雙護(hù)盾TBM始發(fā)

雙護(hù)盾TBM具備兩種掘進(jìn)模式，即雙護(hù)盾和單護(hù)盾掘進(jìn)模式，雙護(hù)盾掘進(jìn)模式利用撐靴撐緊洞壁提供掘進(jìn)反力，單護(hù)盾模式利用輔助油缸頂推管片提供掘進(jìn)反力。根據(jù)始發(fā)段的地質(zhì)條件，選擇雙護(hù)盾模式始發(fā)。

2.2.1 始發(fā)前的準(zhǔn)備

（1）始發(fā)基座的位置要使TBM軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線基本保持一致，保證始發(fā)階段隧道內(nèi)襯不超限?；谑及l(fā)前做好，結(jié)構(gòu)為混凝土仰拱內(nèi)預(yù)埋鋼軌，始發(fā)前混凝土基座要達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

（2）反力架安裝位置要精確，在洞壁內(nèi)預(yù)埋足夠數(shù)量的預(yù)埋件，預(yù)埋件與反力架連接后的強(qiáng)度要能夠承受TBM始發(fā)時(shí)的反力，并且預(yù)埋位置能保證反力架精確定位。反力架安裝位置如圖2所示。

（3）反力架做成環(huán)形鋼結(jié)構(gòu)件，環(huán)向采用6組預(yù)埋件與反力架連接達(dá)到滿足掘進(jìn)機(jī)始發(fā)所需的強(qiáng)度、剛度和定位精度。反力架主框架箱型結(jié)構(gòu)，主要板材采用高強(qiáng)度的20mm鋼板，確保其強(qiáng)度、剛度能承受始發(fā)的反力并具有一定的保險(xiǎn)系數(shù)。反力架通過與預(yù)埋鋼件在縱向和軸向位置上的可靠固定，滿足推進(jìn)油缸推進(jìn)時(shí)的作用力。

（4）利用掘進(jìn)機(jī)上配備的導(dǎo)向系統(tǒng)，調(diào)整TBM主機(jī)的姿態(tài)，使TBM主機(jī)的軸線和隧道軸線的誤差在要求范圍之內(nèi)。

（5）掘進(jìn)機(jī)刀盤切削巖體時(shí)產(chǎn)生巨大的扭矩，為了防止掘進(jìn)機(jī)殼體在始發(fā)基座上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，必須在兩側(cè)的殼體上焊接止轉(zhuǎn)塊，在基座上鋪設(shè)鋼板條。隨著掘進(jìn)機(jī)的前行，止轉(zhuǎn)塊在鋼板條上滑動(dòng)，當(dāng)止轉(zhuǎn)塊靠近洞口時(shí)將之拆除。

（6）安裝好洞門的橡膠密封裝置。

2.2.2 始發(fā)過程

推進(jìn)油缸全部收回，安裝反力架，通過螺栓和焊接的方式使反力架與預(yù)埋件牢固固定；在反力架上拼裝第一環(huán)負(fù)環(huán)管片，采取先下部管片，在兩側(cè)最后上部的拼裝順序拼裝管片，在環(huán)向上通過管片上螺栓孔相互連接牢固，縱向上管片通過反力架上加工的螺栓孔與反力架連接牢固，推進(jìn)油缸頂緊管片；負(fù)環(huán)管片拼裝完畢后啟動(dòng)TBM向前掘進(jìn)，推進(jìn)行程結(jié)束，開始拼裝第二環(huán)負(fù)環(huán)管片，拼裝時(shí)管片與管片之間的密封墊和螺栓連接處的密封圈必須安裝。繼續(xù)掘進(jìn)，直到第七環(huán)管片安裝完畢后，護(hù)盾此時(shí)全部進(jìn)入TBM開挖洞內(nèi)，停止掘進(jìn)，從管片的注漿孔內(nèi)進(jìn)行注漿，注漿結(jié)束后，TBM開始繼續(xù)向前掘進(jìn)，完成TBM的始發(fā)。

2.2.3 始發(fā)注意事項(xiàng)

（1）TBM始發(fā)時(shí)要根據(jù)反力架和負(fù)環(huán)管片的承載能力，制定掘進(jìn)參數(shù)，避免掘進(jìn)扭矩超過反力架和負(fù)環(huán)管片承受的扭矩，通過目視和監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

（2）嚴(yán)格控制掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)，防止旋轉(zhuǎn)、上飄。

（3）起始環(huán)管片應(yīng)準(zhǔn)確定位，連接牢靠，不變形，上下左右對(duì)稱，誤差不大于1mm。起始環(huán)處管片襯砌同圍巖之間的環(huán)形空隙，使用快硬性混凝土或水泥砂漿等材料填塞密實(shí)，以利閉漿。

（4）注漿時(shí)，要對(duì)首環(huán)管片的尾端密封嚴(yán)實(shí)，反力架與砂漿接觸的部位涂抹脫模劑，防止跑漿和黏膜。嚴(yán)格控制注漿量和注漿壓力防止砂漿反灌入護(hù)盾外側(cè)區(qū)域，造成板結(jié)，影響掘進(jìn)。

2.3 TBM始發(fā)階段出渣方案

TBM開始掘進(jìn)時(shí)，由于場(chǎng)地限制，TBM后配套一部分在洞外，此時(shí)TBM連續(xù)出渣皮帶系統(tǒng)尚未形成，需采用臨時(shí)出渣方案出渣。

2.3.1 TBM后配套在洞外時(shí)的出渣

TBM整機(jī)長約310m，鉆爆洞室長度200m，TBM主機(jī)皮帶出渣系統(tǒng)形成。出料口在TBM機(jī)260m處，即TBM滑行至掌子面開試掘進(jìn)時(shí)，需在洞外出渣60m，出料口才能進(jìn)入擴(kuò)大洞室。

出料口在洞外時(shí)，采用直接棄渣的方案。將出料口溜槽加長，掘進(jìn)時(shí)通過連續(xù)皮帶直接將渣料甩到洞口，通過裝載機(jī)，裝到自卸汽車運(yùn)至永久棄渣場(chǎng)。出渣位置如圖3所示。

2.3.2 TBM后配套在洞內(nèi)時(shí)的出渣

圖2　反力架安裝位置示意圖

圖3　出渣位置示意圖

圖4　皮帶支架安裝示意圖

在TBM掘進(jìn)至出料口進(jìn)入擴(kuò)大洞室后，將出料口溜槽方向改為向內(nèi)，直接排至軌道上的渣料罐。制作5×1.5×1.5m渣料罐，每罐可裝載10m3渣料，共制作5個(gè)，可裝載TBM掘進(jìn)一個(gè)行程（1.5m）所產(chǎn)生的渣料。掘進(jìn)時(shí)，用小火車將渣料罐運(yùn)到TBM上裝載渣料，裝滿后運(yùn)出洞外。通過龍門吊或汽車吊將渣料罐裝到運(yùn)輸汽車運(yùn)至永久棄渣場(chǎng)。

2.3.3 TBM后配套皮帶架的安裝

擴(kuò)大洞室總長140m，當(dāng)TBM后配套完全通過該區(qū)域后，安裝連續(xù)皮帶機(jī)即可開始正常掘進(jìn)。

皮帶支架采用吊架進(jìn)行延伸，在預(yù)制管片時(shí)，在管片上預(yù)埋墊板或是螺栓，進(jìn)行皮帶支架的固定。

皮帶驅(qū)動(dòng)采用“頭+尾”方式驅(qū)動(dòng)，頭部驅(qū)動(dòng)的功率為630kW，尾部驅(qū)動(dòng)的功率為315kW。皮帶的帶寬為：700mm。

2.3.4 皮帶的硫化

皮帶硫化在洞內(nèi)進(jìn)行，采用雙頭硫化的工藝，縮短皮帶硫化時(shí)間。具體工藝如下：

（1）制作皮帶攤放臺(tái)車，該臺(tái)車可以在小火車軌道上行走，同時(shí)還可左右移動(dòng)。皮帶支架安裝如圖4所示。

（2）在洞外利用汽車吊將皮帶攤放到臺(tái)車上。

（3）用小火車將皮帶臺(tái)車運(yùn)輸?shù)蕉磧?nèi)皮帶硫化區(qū)側(cè)面，用4臺(tái)壓機(jī)將皮帶臺(tái)車頂升與小火車軌道脫離，在皮帶硫化工位（皮帶主驅(qū)動(dòng)與皮帶儲(chǔ)存?zhèn)}之間）鋪設(shè)橫向軌道與皮帶臺(tái)車橫向?qū)R，使皮帶臺(tái)車落到橫向軌道上。

（4）利用杠桿原理，兩人分別持一根撬杠撬左右行走輪處，將皮帶臺(tái)車推至皮帶硫化工位。

（5）分兩頭同時(shí)開始硫化皮帶。

3.輔助條件的準(zhǔn)備

3.1 通風(fēng)布置

采用軸流風(fēng)機(jī)獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方案。風(fēng)管采用Φ1600mm、采用每節(jié)300m長的低泄漏、無縫、拉鏈?zhǔn)杰涳L(fēng)管。風(fēng)機(jī)的功率為180kW。

通風(fēng)軟管布置在距離洞頂約200mm以下，用Φ8的鋼絲繩連接，可以通過在管片上預(yù)埋墊板或是螺栓進(jìn)行連接。

3.2 供水布置

供水從離施工現(xiàn)場(chǎng)約4km處的供水管網(wǎng)引接，在工業(yè)廣場(chǎng)的指定位置處設(shè)置兩個(gè)約800m3的低位水池，通過DN150的管路將水供至低位水池。

在征地范圍內(nèi)的最高處建立一座約300m3的水池，用增壓泵將低位水池的水供至高位水池，并從高位水池通過DN125的管路供應(yīng)TBM用水。

TBM供水管布置在進(jìn)洞口的左側(cè)（皮帶架下方）洞壁，距底管片軌道安裝面0.6m高處，供水管采用管箍連接。

3.3 排水布置

洞口布置兩個(gè)沉淀池。由于TBM是逆坡掘進(jìn)，順坡排水，水可以通過自流的方式流向洞外的沉淀池。

3.4 供電布置

在洞口附近建立一座35kV的變電站，其中設(shè)置一臺(tái)4000kVA的變壓器，由35kV降壓至20kV，設(shè)置另一臺(tái)8000kVA的變壓器，由35kV降壓至10kV。

（1）TBM的供電直接從提供的20kV電源通過3×95的高壓電纜引接。3×95高壓電纜安裝在供水管上方，距底管片軌道安裝面1.2m處，采用電纜掛鉤固定在隧道左側(cè)洞壁上。

（2）在35kV的變電站旁布置兩臺(tái)800kVA的變壓器，由10kV降壓至400V。一路專門給皮帶主驅(qū)動(dòng)供電，一路給通風(fēng)、主洞照明、排水及工業(yè)廣場(chǎng)供電。

（3）照明線路采用35mm2三相五線阻燃絕緣電線，照明線支架利用管片的螺栓固定在隧洞右側(cè)洞壁，距底管片軌道安裝面1.5m處。線路布置如圖5所示。

圖5　線路布置示意圖

結(jié)語

通過對(duì)雙護(hù)盾TBM始發(fā)方案技術(shù)的研究，積累了雙護(hù)盾TBM經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，為蘭州水源地引水工程的順利完成奠定了基礎(chǔ)，更對(duì)整個(gè)工程的如期完成提供了保證。

[1]杜士斌.開敞式TBM的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2011：60-85.

[2]山西省萬家寨引黃工程管理局.雙護(hù)盾TBM的應(yīng)用與研究[M].北京：中國水利水電出版社，2011：100-120.

[3]掘進(jìn)機(jī)隧道掘進(jìn)概論[M].北京：科學(xué)出版社，2014：86-90.

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