引漢濟渭嶺北TBM組裝洞室設(shè)計研究與施工

王建偉

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

隨著我國公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，長大隧道(洞)的數(shù)量越來越多。全斷面隧道掘進機(以下簡稱TBM)的投入使用也將呈井噴式上升趨勢，由于TBM的自身體積較大等特點，從試組裝到拆運，到場再組裝等工作較為繁瑣，且極為重要，由于地形和場地限制，在洞內(nèi)組裝將常態(tài)化，如何合理地設(shè)計地下組裝洞室將是TBM組裝效率以及后期施工效率的關(guān)鍵控制因素。本文主要以TBM組裝空間需求以及TBM掘進施工過程的洞室功能需求，對TBM組裝洞室長度和斷面進行分析，以及對組裝洞室具體施工方案進行闡述[1]。

2 工程概況

陜西省引漢濟渭調(diào)水工程是針對省內(nèi)關(guān)中地區(qū)缺水問題提出的南水北調(diào)工程的骨干調(diào)水線路，也是陜西省委、省政府提出的“兩引八庫”重點水源工程之一。秦嶺隧洞是整個引水工程的咽喉，隧洞全長81.779 km，設(shè)計流量70 m3/s，多年平均輸水量15.0億m3，隧洞平均坡降約1/2 500，采用鉆爆法＋2臺TBM法施工，工期5.5年[2]。穿越秦嶺主脊段39.08 km采用兩臺TBM施工，斷面為圓形。

3 TBM配套洞室情況

3.1 TBM設(shè)備參數(shù)

該臺TBM為全斷面硬巖掘進機，開挖直徑8.02 m(刀盤安裝新刀時開挖直徑為8.06 m，刀具磨損至極限時開挖直徑為8.02 m)，全長210 m，總重量為1 542.7 t，裝機總?cè)萘繛? 100 kVA，功率為5 400 kW。主要分為三大部分，即主機、連接橋和后配套，其中:主機長25 m，連接橋長35 m，后配套長度為150 m。

3.2 主機組裝洞室

(1)主機組裝洞室主要承擔(dān)前期TBM主機及連接橋組裝工作，組裝完成實現(xiàn)步進后，該場地則安裝皮帶倉儲系統(tǒng)等，后期施工時承擔(dān)物料存儲、調(diào)運及車輛調(diào)配等功能[3]。所有后期工作基于前期組裝空間基礎(chǔ)上進行部署，所以，主機組裝洞空間尺寸滿足前期組裝及后期物料運輸?shù)裙δ芗纯蒣4]。

(2)TBM主機和連接橋組裝工作中，難度最大、空間需求最大則屬TBM刀盤組裝工作，TBM刀盤共分為5部分，四塊邊刀和一塊中心刀。刀盤焊接整合后直徑為8.06 m，總重量為168 t(含刀具)，綜合考慮刀盤起吊工作需求，選用2×80 t行吊進行吊裝。則該項工作的最大高度決定因素(則行吊起吊高度)為:刀盤高度8.06 m＋起吊后的上下安全距離2×1 m＋專用吊具高度1.19 m＝11.25 m。該高度為工作需求高度，具體洞室高度還需按照洞室結(jié)構(gòu)，以及頂部弧形結(jié)構(gòu)矢跨比決定。

(3)主機組裝洞室寬度綜合考慮因素有:TBM主機組裝、連續(xù)皮帶機安裝、后期有軌運輸軌道布置(不少于雙線軌道)等因素，則主機組裝洞室最大寬度為:連續(xù)皮帶機主驅(qū)動寬度為6.5 m(側(cè)面局部擴挖，仍需占用主洞寬度6.25 m)，主驅(qū)動與有軌運輸車輛之間以及有軌運輸車輛之間的安全距離為0.3 m，有軌運輸車輛會車處所需最大空間情況為仰拱塊運輸車最大寬度1.9 m與軟風(fēng)管儲存筒運輸車2.6 m，加之物料存儲區(qū)寬度2.1 m，物料與車輛之間的人員通道寬度0.4 m，故主機組裝洞室寬度為6.25 m＋0.3 m＋1.9 m＋0.3 m＋2.6 m＋0.4 m＋2.1 m＝13.85 m。

(4)長度決定因素為:因主機組裝洞室需要滿足TBM主機與連接橋的安裝工作，其主機部分與連接橋長度為60 m，且主機前方需預(yù)留能夠擺放和拼裝刀盤位置，刀盤分為5塊，由于拼裝前需要很多的準(zhǔn)備工作，每塊之間安全工作空間為1.5 m，則刀盤占用長度12 m，并考慮2×80 t橋吊吊鉤前后兩端的工作盲區(qū)各5 m，因此，主機組裝洞室長度為60 m＋12 m＋2×5 m＝82 m。

3.3 后配套洞室

(1)后配套洞室主要功能為組裝TBM后配套相關(guān)設(shè)備，施工期間作為無軌車輛運輸通道。

(2)該洞室最大寬度要求為:TBM后配套寬7.6 m＋兩側(cè)安全距離1.5 m×2＝10.6 m。

(3)最大起吊高度要求:TBM后配套最大件高度7.6 m＋起吊高度1 m＋吊具高度1.15 m＝9.75 m。計劃選用20 t龍門吊進行吊裝。

(4)最小長度要求:后配套組裝洞室長度是由TBM組裝時電力設(shè)施臺車之前的設(shè)備必須組裝完成所需的最小長度決定的，TBM開始步進之前，變配電設(shè)備必須完成組裝并達到工作狀態(tài)，即，完成電力設(shè)施臺車前的組裝工作，其長度為100 m。

3.4 步進洞

(1)待組裝完成后，TBM步進至該洞段，作為臨時容納TBM設(shè)備以及TBM掘進前必須安裝完成的設(shè)備的場地，待步進后將主機組裝洞室及后配套洞室場地騰空，以便進行后期設(shè)備安裝。

(2)其最大高度及寬度要求:TBM刀盤直徑8.06 m＋兩側(cè)(或上下)安全距離0.25 m×2＝8.56 m。因該臺TBM步進機構(gòu)利用油缸拉動底部鋼板實現(xiàn)步進，所以，步進洞斷面需設(shè)計成圓拱直墻斷面，且確保凈高和凈寬不小于8.56 m。

(3)最小長度要求:TBM全長210 m＋道岔25 m＋道岔25 m ＋鋼筋臺車10 m＋同步襯砌臺車16 m×2臺＋每臺設(shè)備間安全距離1 m×5＝307 m。

3.5 始發(fā)洞

(1)始發(fā)洞顧名思義是TBM開始受力掘進的起始洞，即:TBM撐靴緊壓巖壁，為TBM掘進提供支反作用力的洞段。

(2)該洞最大高度要求:需滿足TBM設(shè)備能夠步進至掌子面，所以，高度最低要求與步進洞高度要求一致，為8.56 m。最大寬度要求為撐靴油缸伸展所能受力的范圍，即:撐靴軸線距離8.06 m＋2×正常伸長量0.1 m＝8.26 m。

(3)最小長度要求:因該臺TBM撐靴距刀盤間距為18 m，考慮在巖壁受力時的穩(wěn)定性，以及巖壁受力影響段落，建議始發(fā)洞長度為25 m。

4 TBM大斷面組裝洞室施工

TBM主機及后配套洞室因其斷面及長度尺寸要求較大，且其開挖、支護工藝復(fù)雜，各工序需嚴(yán)密部署，為了對施工過程全程可控，施工方案主要原則為先行導(dǎo)坑法施工，然后進行擴挖成型，下面主要對大斷面洞室的施工進行闡述[5-7]。

4.1 后配套及主機組裝洞室斷面圖及支護參數(shù)

(1)后配套組裝洞室設(shè)計時主要考慮在Ⅲ類圍巖中施工，個別圍巖較差時可參照Ⅳ類圍巖支護參數(shù)施工[8-9]，后配套組裝洞室具體斷面圖見圖1。

圖1 Ⅲ類圍巖TBM后配套洞室襯砌斷面

Ⅲ類圍巖后配套洞室初期支護參數(shù)見表1。

表1 Ⅲ類圍巖后配套洞室初期支護參數(shù)

(2)主機組裝洞室因其斷面較大，設(shè)計段落時需對前方圍巖進行詳細探測，盡量將全部段落集中在Ⅲ類圍巖中施工，如在施工中遇到不良地質(zhì)段落，可適當(dāng)調(diào)整后配套組裝洞室長度，避讓主機組裝洞室在Ⅳ類圍巖中開挖，遇特殊地質(zhì)條件，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況酌情參照Ⅳ類圍巖支護參數(shù)施工，主機組裝洞室襯砌斷面見圖2。

圖2 Ⅲ類圍巖TBM主機組裝洞室襯砌斷面

Ⅲ類圍巖主機組裝洞室初期支護參數(shù)見表2。

表2 Ⅲ類圍巖主機組裝洞室初期支護參數(shù)

4.2 開挖、支護

TBM后配套組裝洞室長度為100 m，主機組裝洞室長度為82 m，后配套組裝洞室斷面采用圓拱直墻形式，主機組裝洞室斷面則采用蘑菇型，開挖斷面較大，一次性爆破成型較為困難，故采用分區(qū)段進行施工[10]，結(jié)合實際情況，將施工區(qū)域劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ八個區(qū)，鉆爆法施工，光面爆破。組裝洞室開挖分區(qū)示意見圖3。

后配套組裝洞室的施工分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個區(qū)域，主機組裝洞室的施工分為Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ三個區(qū)域。后配套組裝洞開挖采用導(dǎo)洞法，二次擴挖成型工藝。主機組裝洞采用臺階法施工。

(1)第Ⅰ區(qū):Ⅰ區(qū)分為Ⅰ1區(qū)(里程K63＋050～K63＋000)與Ⅰ2區(qū)(里程 K63＋000～K62＋990)。Ⅰ1區(qū)采用導(dǎo)洞開挖方式，導(dǎo)洞斷面為圓拱直墻，寬9.66 m，高7.56 m，Ⅰ1區(qū)導(dǎo)洞開挖時按21.38%的反向縱坡向上掘進，開挖里程接近K63＋000時，注意導(dǎo)洞頂部線型要逐步漸變?yōu)楹笈涮捉M裝洞蘑菇頂弧線，掘進至K63＋000時須與蘑菇頂拱頂線型重合。開挖K63＋000～K62＋990段(Ⅰ2區(qū):Ⅰ區(qū)向Ⅱ區(qū)過渡段)時，只對后配套蘑菇頭部位進行開挖，開挖斷面由9.66 m×7.56 m變?yōu)?4.8 m×6.5 m，坡度改為0°。待開挖至K62＋990時，調(diào)頭將K62＋990～K63＋000段過渡時未擴挖段進行擴挖，使得Ⅰ2區(qū)成成洞斷面。

Ⅰ2區(qū)成洞后進入第Ⅱ區(qū)的施工。

(2)第Ⅱ區(qū):Ⅱ區(qū)里程范圍為K63＋050～K62＋950，開挖高度6.45 m，開挖寬度14.8 m，施工K62＋990～K63＋950段時，利用已施工完成的Ⅰ2蘑菇頭斷面作為通道繼續(xù)掘進，開挖采取左右導(dǎo)坑光面爆破，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑不小于10 m。Ⅱ區(qū)施工至K62＋950時，繼續(xù)進行Ⅵ區(qū)施工。

(3)第Ⅵ區(qū):里程 K62＋950～K62＋868，主要開挖主機組裝洞的蘑菇頭，開挖高度5.21 m，寬度為17.15 m。開挖采取左右導(dǎo)坑光面爆破，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑10 m。開挖Ⅵ區(qū)時，如安全距離符合施工要求，可酌情考慮對K63＋000～K63＋026.6段導(dǎo)洞兩側(cè)及拱頂逆向進行擴挖。

(4)Ⅱ區(qū)K63＋000～K63＋030.4段開挖完成后，則進行Ⅲ區(qū)施工。

(5)第Ⅲ區(qū):里程 K63＋030.4～K63＋050，成洞斷面為11.8 m×4.24 m，利用已開挖完成的Ⅰ1導(dǎo)洞作為施工通道，并兼作出渣通道，沿TBM掘進方向逆向(大里程方向)進行開挖施工。開挖采用左右導(dǎo)坑光爆，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑10 m。該段需預(yù)留部分渣體作為Ⅱ區(qū)K63＋030.4～K163＋050段臺車鋪底，該區(qū)開挖時應(yīng)注意蘑菇頭底部與下部邊墻交匯處邊角的施工，嚴(yán)格控制好超欠挖，以免對邊角損壞過大。Ⅲ區(qū)施工完畢后則對Ⅱ區(qū)K63＋030.4～K163＋050段的蘑菇頂開挖。

(6)第Ⅱ區(qū):逆向開挖K63＋030.4～K63＋050段，施工平臺利用Ⅲ區(qū)的部分渣體進行鋪底，開挖采取左右導(dǎo)坑光面爆破，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑不小于10 m，導(dǎo)洞兼作出渣通道，支護必須緊跟開挖施工。Ⅱ區(qū)施工完成后進行Ⅳ區(qū)開挖。

(7)第Ⅳ區(qū):里程為K63＋050～K62＋950段，該施工段包括Ⅰ1區(qū)通道兩側(cè)的未擴挖段，施工時先將Ⅰ1區(qū)K63＋050處兩側(cè)的Ⅳ區(qū)范圍擴挖至成洞面，斷面為11.8 m×7.3 m，沿成洞面向K62＋950方向左右導(dǎo)分部開挖，開挖方式同樣采用左右導(dǎo)分部開挖，左導(dǎo)先行，右導(dǎo)需滯后前行導(dǎo)坑10 m左右，該區(qū)開挖時應(yīng)注意蘑菇頭底部與下部邊墻交匯處邊角的施工，嚴(yán)格控制好超欠挖，以免對邊角損壞過大。Ⅳ區(qū)開挖結(jié)束后掌子面繼續(xù)進行Ⅶ區(qū)開挖，下導(dǎo)第Ⅴ區(qū)也可根據(jù)現(xiàn)場安排部署進行同步開挖。

(8)第Ⅶ區(qū):里程 K62＋950～K62＋868，開挖寬度15.15 m，高度8.08 m。開挖采取先爆中槽，中槽斷面尺寸10 m×8.08 m，中槽開挖完畢后，對中槽兩側(cè)進行光面爆破。

(9)第Ⅴ區(qū):里程 K63＋050～K62＋950，開挖高度5.05 m，寬度11.9 m，在Ⅶ區(qū)施工未完成時即可對Ⅴ區(qū)施工，開挖采取左右導(dǎo)坑光爆，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑10 m。待Ⅶ區(qū)施工完成后采取先拉中槽再爆兩側(cè)方法進行施工。待Ⅴ區(qū)施工完畢后，對第Ⅷ區(qū)進行開挖。

(10)第Ⅷ區(qū):里程K62＋950～K62＋868，開挖高度5.05 m，寬度15.15 m。開挖采取先爆中槽，再爆兩側(cè)的方式進行，光面爆破。

5 安全注意事項

在大斷面洞室施工時，因其斷面較大，頂部圍巖受力復(fù)雜，因此，施工時一定要以“穩(wěn)”為主，堅持“短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。在特殊地質(zhì)段落必須設(shè)置圍巖監(jiān)控量測點，按照5～10 m間距布設(shè)，其中拱頂下沉量測點1～3個，水平收斂量測點按施工開挖方法分臺階左右側(cè)邊墻各1組，此外還需對斷面進行監(jiān)控量測，以確保安全[11-12]。

6 結(jié)論

引漢濟渭嶺北TBM組裝洞在尺寸設(shè)計方面充分考慮了TBM組裝的實際利用空間，在合理的空間中盡量減少開挖工程量，在支護設(shè)計方面充分考慮了快速作業(yè)的支護型式，在施工過程中，堅持工序平行作業(yè)，最終實現(xiàn)縮短成洞工期的目的。在引漢濟渭嶺北工程TBM組裝的實例證明，該設(shè)計理念以及施工安排是合理的、科學(xué)的、成功的。可為今后TBM組裝洞室的設(shè)計以及施工提供可借鑒的經(jīng)驗。