雙護(hù)盾TBM整體移步式與自行式快速滑行技術(shù)

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司 盾構(gòu)工程公司,湖北 武漢 430011)

隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）目前是世界上最先進(jìn)、機(jī)械化程度最高的隧道施工設(shè)備,自20 世紀(jì)90年代初開(kāi)始我國(guó)引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)以來(lái),經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展國(guó)產(chǎn)TBM 技術(shù)日益成熟。目前被廣泛用于引水隧洞工程、鐵路隧道工程、城市軌道交通、礦山、交通等大型工程。TBM 組裝完成后以及在通過(guò)鉆爆法預(yù)處理圍巖段,一般均需要滑行一段距離后才能開(kāi)始掘進(jìn)施工,合理的方案和充足的準(zhǔn)備,是順利滑行的基礎(chǔ)。

1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程從劉家峽水庫(kù)引水,向蘭州市供水。蘭州市水源地建設(shè)工程（2 標(biāo)）TBM 施工總長(zhǎng)度12 226m。

其中TBM 進(jìn)洞5#施工支洞長(zhǎng)度3 550m,縱坡-2.36%；TBM 在5#支洞洞口外的TBM工業(yè)廣場(chǎng)組裝,步進(jìn)滑行通過(guò)支洞500m 鉆爆施工段后,洞內(nèi)始發(fā)進(jìn)行支洞掘進(jìn)至主支洞交叉處轉(zhuǎn)彎進(jìn)入主洞,TBM 支洞掘進(jìn)長(zhǎng)度2 977m。

主洞樁號(hào)T5+850～T11+221 和T12+717～T15+100,縱坡0.1%,采用TBM掘進(jìn),總長(zhǎng)7 754m；主洞T11+221～T12+717,總長(zhǎng)1 496m,屬不良地質(zhì)地段,為確保施工安全,利用接觸帶豎井和通氣井,采用鉆爆法提前處理,TBM 滑行通過(guò),滑行過(guò)程中全斷面預(yù)制管片襯砌。

本工程TBM開(kāi)挖直徑5.48m,斷面為圓形,預(yù)制C50 和C60 混凝土管片襯砌,管片襯砌內(nèi)徑4.6m,管片厚度30cm,管片外徑5.2m,5+1 片管片組成一環(huán),管片型式為四邊形結(jié)構(gòu)。管片與圍巖之間的空隙,用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿。

2 設(shè)備情況

本工程采用首臺(tái)國(guó)產(chǎn)雙護(hù)盾TBM（中鐵裝備241號(hào)）進(jìn)行施工,其與滑行有關(guān)的主要參數(shù)詳見(jiàn)表1。

3 整體移步式滑行技術(shù)

3.1 工藝流程

TBM 主機(jī)在步進(jìn)滑行架上進(jìn)行組裝,在主機(jī)滑行的后面布置間距為600mm 的工字鋼軌枕,在工字鋼上面布置間距為900mm 的軌道,在主機(jī)進(jìn)行組裝的同時(shí)后配套組裝在已經(jīng)鋪設(shè)好的軌道上同步組裝。采用液壓站帶動(dòng)布置在步進(jìn)滑行架上的舉升油缸、焊接在盾體上的舉升架、輔推油缸（2 個(gè)作為步進(jìn)油缸）實(shí)現(xiàn)TBM 主機(jī)帶動(dòng)后配套臺(tái)車向前步進(jìn),隨著臺(tái)車的不斷向前移動(dòng)及時(shí)架設(shè)臺(tái)車鋼平臺(tái)及軌道,依次循環(huán)向前步進(jìn)?；瓢宓膶?dǎo)向采用混凝土底板上預(yù)留的導(dǎo)向槽導(dǎo)向。具體施工流程見(jiàn)圖1。

表1 TBM滑行主要參數(shù)表

圖1 TBM整體移步式滑行工藝流程圖

3.2 滑行方案

1）場(chǎng)地準(zhǔn)備 5#施工支洞鉆爆滑行段分為正常步進(jìn)段、步進(jìn)過(guò)渡段（15m）和始發(fā)段（15m）,在TBM 進(jìn)場(chǎng)前完成支洞鉆爆段正常步進(jìn)段滑行底板、步進(jìn)過(guò)渡段及始發(fā)段襯砌施工,混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求。具體詳見(jiàn)圖2～圖4。

2）主要工器具及材料準(zhǔn)備 ①平底滑動(dòng)支座、左右支撐座、舉升架加工制作；②舉升油缸8套（規(guī)格為：?240mm/?200mm-70mm,最大推力200t）；回拉油缸4 套（規(guī)格為：?63mm/?45mm-100mm,最大推力100t）；③導(dǎo)向柱、導(dǎo)向套、導(dǎo)向滑塊、支撐板加工制作,所有鋼材材質(zhì)均選用Q345B 材質(zhì)。

圖2 正常步進(jìn)段底板澆筑圖

圖3 步進(jìn)過(guò)渡段襯砌圖

圖4 始發(fā)洞段襯砌圖

3.3 滑行系統(tǒng)安裝

1）TBM 主機(jī)在平底滑動(dòng)支座組裝完成后,左右支撐座及舉升架就位；根據(jù)重心計(jì)算,在盾殼兩側(cè)下部焊接舉升架,如圖5 所示。

圖5 步進(jìn)系統(tǒng)安裝示意圖

2）舉升架安裝完成后,對(duì)稱安裝舉升油缸、回拉油缸、導(dǎo)向柱、導(dǎo)向套,在盾體外殼焊接防止盾體轉(zhuǎn)動(dòng)的限位導(dǎo)向滑塊,防止盾體滑動(dòng)；同時(shí)將2 根步進(jìn)油缸（輔推油缸）與平底滑動(dòng)支座上的水平頂碼焊接,完成步進(jìn)系統(tǒng)安裝。所有焊接焊縫均需滿足規(guī)范要求。

3）進(jìn)行液壓泵站調(diào)試工作,準(zhǔn)備步進(jìn)滑行。

3.4 TBM移步滑行

1）利用焊接到平底滑動(dòng)支座上的2 個(gè)步進(jìn)油缸推動(dòng)主機(jī)前移1.5m（舉升油缸處于收起狀態(tài),回拉油缸將左右支撐座提升脫離地面）,帶動(dòng)后配套臺(tái)車、左右支撐座整體向前移動(dòng)步進(jìn)。

2）利用舉升油缸抬升盾體3cm,使盾體整體脫離平底滑動(dòng)支座,收縮2 個(gè)步進(jìn)油缸帶動(dòng)平底滑動(dòng)支座向前步進(jìn)1.5m,達(dá)到TBM 整體步進(jìn)滑行的目的。

3）依次循環(huán)“推（平推TBM）－頂（抬升TBM 主機(jī)）－拖（拖動(dòng)平底滑動(dòng)支座步進(jìn)）”的操作,直至將TBM整體移步滑行到TBM始發(fā)洞。

3.5 后配套臺(tái)車滑行

后配套臺(tái)車跟隨TBM 主機(jī)同時(shí)向前移動(dòng),在TBM 主機(jī)滑行過(guò)程中若TBM 步進(jìn)滑行距離超過(guò)12.5m,此時(shí)應(yīng)進(jìn)行后配套、機(jī)車運(yùn)行鋼軌的延伸。后配套臺(tái)車行走平臺(tái)如圖6 所示。

4 自行式快速滑行技術(shù)

圖6 臺(tái)車行走平臺(tái)剖面圖（單位：mm)

鉆爆段滑行采用TBM 雙護(hù)盾模式弧面自行式滑行技術(shù),即要求先期形成弧形底面,并在底面預(yù)埋鋼軌,利用TBM 自身推進(jìn)系統(tǒng)利用安裝完成的管片和撐靴提供反力實(shí)現(xiàn)快速滑行的技術(shù)。所以鉆爆段開(kāi)挖質(zhì)量、軌道床施工質(zhì)量、軌道床安裝精度、TBM 雙護(hù)盾推進(jìn)模式、水平運(yùn)輸系統(tǒng)是快速滑行的關(guān)鍵。

4.1 滑行段襯砌及軌道床設(shè)計(jì)

滑行段襯砌按照噴錨支護(hù)后凈內(nèi)徑（直徑）比TBM 刀盤直徑大100mm,保證TBM 刀盤與噴錨支護(hù)之間留50mm 空間；在滑行段噴混凝土等施工完成后,首先采用全站儀進(jìn)行實(shí)地全斷面測(cè)量（每5m 一段進(jìn)行測(cè)量）；在保證沒(méi)有超欠挖的情況下,再利用滑行模擬支架檢查成型的洞室質(zhì)量能否滿足設(shè)計(jì)要求,在滑行模擬支架滑行過(guò)程中記錄超欠挖部分,對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的部位及時(shí)進(jìn)行消缺處理,保證TBM 順利滑行通過(guò)。

TBM 滑行所需軌道床采用300mm 厚C35 混凝土澆筑,軌道床開(kāi)挖至刀盤周邊線330mm,軌道床斷面澆筑按照底管片弧長(zhǎng)長(zhǎng)度澆筑,沿洞軸線通長(zhǎng)布置（圖7）。TBM 滑行所需軌道床應(yīng)在TBM 滑行前,鉆爆開(kāi)挖、噴錨支護(hù)之后完成洞內(nèi)軌道床混凝土澆筑施工,強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

滑行段上下游與掌子面接觸位置各留0.5m,不安裝鋼軌,作為TBM 過(guò)渡至軌道床使用。TBM 首段貫通后,將TBM 刀盤旋轉(zhuǎn)至合適位置（邊刀、刮刀不在軌道床底部受干擾即可）拆除邊刀、刮刀；為使前盾盾殼平緩滑上軌道床,對(duì)過(guò)渡區(qū)域1m 軌道進(jìn)行削坡處理（坡度10%,打磨倒角）并一次性將TBM 推上軌道床,推進(jìn)過(guò)程中始終保持姿態(tài)抬頭趨勢(shì)。在滑行過(guò)程中應(yīng)根據(jù)情況對(duì)軌道床軌道上涂抹黃油,對(duì)不平整的軌道及軌道床進(jìn)行打磨、鑿平處理。

圖7 軌道床澆筑圖

4.2 TBM設(shè)備性能要求

在鉆爆段襯砌斷面尺寸滿足設(shè)計(jì)要求情況下,TBM 能夠滿足撐靴支撐需要以正常采用雙護(hù)盾模式?；须A段刀盤靜止不轉(zhuǎn)動(dòng),PLC 通過(guò)運(yùn)算貫入度也發(fā)生了變動(dòng),同時(shí)滑行過(guò)程中總推力較小,根據(jù)實(shí)際情況需將推力限制在一定范圍內(nèi)以避免刀盤在遇到欠挖段或啃軌時(shí)總推力會(huì)突然增大,導(dǎo)致?lián)p傷主軸承的情況。本次滑行將總推力限值14 000kN 調(diào)整為3 500kN 保護(hù)主軸承。

因鉆爆段施工環(huán)境限制、施工進(jìn)度和地質(zhì)條件影響,開(kāi)挖洞涇經(jīng)常出現(xiàn)大量超挖現(xiàn)象,撐靴無(wú)法正常撐到巖面達(dá)到一定的壓力（260bar 左右）產(chǎn)生反力,主推油缸無(wú)法按正常程序提供推力,不滿足雙護(hù)盾掘進(jìn)模式施工條件；如果采用單護(hù)盾模式,就降低了滑行的效率。為此必須依據(jù)撐靴的行程和壓力的變化關(guān)系,修改撐靴程序邏輯關(guān)系改變工作狀況滿足條件,才能實(shí)現(xiàn)雙護(hù)盾掘進(jìn)模式,即在無(wú)撐靴提供反力的情況下,需充分利用主推油缸推力與主機(jī)和軌道摩擦力的關(guān)系以及輔推對(duì)支撐盾和尾盾的支撐反力,實(shí)現(xiàn)雙護(hù)盾模式滑行。經(jīng)計(jì)算刀盤、前盾、內(nèi)外支撐盾總重約213t,綜合考慮各種不利因素摩擦系數(shù)取0.25,則盾體與鋼軌形成的摩擦力為53.25t,能夠滿足雙護(hù)盾啟用條件。但必須保證在拼裝管片過(guò)程中及時(shí)回伸已拼完管片的油缸,為支撐盾和盾尾提供反力。

4.3 其他輔助系統(tǒng)

在TBM 自行式滑行過(guò)程中,豆礫石、注漿等系統(tǒng)的完好率,水平運(yùn)輸系統(tǒng)的供應(yīng)能力,各種易損備品備件的儲(chǔ)備,滑行過(guò)程中可能出現(xiàn)突發(fā)情況的應(yīng)急處置能力等都將是制約快速滑行的關(guān)鍵。在滑行前必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行充分的籌劃,為實(shí)現(xiàn)快速滑行提供便利條件。

5 結(jié)語(yǔ)

TBM 整體移步式滑行技術(shù)充分利用了作用力與反作用力以及摩擦力的關(guān)系,省卻了傳統(tǒng)滾桿、滾輪及卷?yè)P(yáng)機(jī)循環(huán)安拆時(shí)間及人員、材料投入,并且實(shí)現(xiàn)了TBM 主機(jī)與后配套的整體連貫滑行,大大縮短施工工期及施工成本,節(jié)約了洞內(nèi)空間,實(shí)現(xiàn)了11 個(gè)工作日滑行610m 的成績(jī)。

TBM 自行式滑行技術(shù)經(jīng)過(guò)對(duì)弧面軌道床的設(shè)計(jì)研究、設(shè)備電氣液壓系統(tǒng)邏輯關(guān)系的研究以及滑行前的超前籌劃,實(shí)現(xiàn)了雙護(hù)盾TBM 在鉆爆段自行式快速滑行,歷經(jīng)45 個(gè)工作日完成了近1.5km 滑行任務(wù),同時(shí)創(chuàng)造了單日滑行55.5m 的滑行記錄

雙護(hù)盾TBM 整體移步式及自行式快速滑行技術(shù)在蘭州市水源地項(xiàng)目第2 標(biāo)段得到了成功應(yīng)用,整個(gè)施工工藝簡(jiǎn)單可行、經(jīng)濟(jì)有效,為同類工程施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。