引漢濟渭工程嶺北TBM無擴大洞室刀盤邊塊更換技術

呂二超

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

隨著我國長大深埋隧道TBM施工案例的增多，在長大深埋隧道施工中由于地質、施工環(huán)境愈加復雜[1－3]，導致TBM設備故障增多，甚至出現(xiàn)需要更換關鍵部件的工程實例[4]。在不具備進行洞室擴挖、安裝橋吊等常規(guī)方法進行關鍵部件更換的條件下，狹小空間給TBM部件的更換提出了新的挑戰(zhàn)[5－6]。本文以引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段為依托，研究大直徑TBM刀盤邊塊在狹小空間內的更換技術。

2 工程概述

陜西省引漢濟渭工程是陜西省省內南水北調工程，秦嶺隧洞是整個調水工程的咽喉，隧洞全長98.3 km，設計流量70 m3/s，縱坡1/2 500，隧洞最大埋深2 012 m，屬高地應力隧洞；圍巖以花崗巖、閃長巖、變質砂巖為主，圍巖強度普遍較高[7－8]；采用TBM法和鉆爆法進行施工。其中穿越秦嶺主脊段39.08 km，采用兩臺TBM施工，斷面為圓形。

3 刀盤及邊塊情況

項目采用德國海瑞克公司提供的敞開式隧道掘進機施工，開挖直徑為8 060 mm(新刀)/8 020 mm(刀具磨損到極限)。刀盤面板為平面設計，由1個中心塊和4個邊塊組成，共裝有50把刀具，刀盤邊塊重量分別為 25.2 t、25.3 t、26.2 t、26.7 t。

由于長期磨損，TBM刀盤面板區(qū)域局部出現(xiàn)較深的溝槽，邊塊母體磨損嚴重，常規(guī)修復已不能滿足硬巖條件下掘進時對刀盤剛度和強度的需求。需更換4塊刀盤邊塊并對中心塊進行檢修，刀盤邊塊更換涉及到大件運輸、重件起吊、邊塊旋轉、邊塊拆卸和安裝等[9－10]。但施工區(qū)段埋深大、地應力高，高強度巖爆頻繁發(fā)生，導致區(qū)段圍巖松散，不具備洞內常規(guī)方法更換刀盤邊塊條件(即擴挖、起吊設備安裝)[11－12]。在此工況條件下，為實現(xiàn)刀盤邊塊的更換，本文提出了新的邊塊更換方法——基坑法，即在TBM主機區(qū)域底部合適位置，施作基坑，在基坑內安裝專用設備，配合TBM自身空推、后退性能，完成刀盤邊塊更換。

4 邊塊更換方案

基坑法邊塊更換方案主要包括施工準備、基坑施工、起吊設備安裝、邊塊更換，邊塊更換完成后調校、焊接，詳細流程如圖1所示。

圖1 邊塊更換流程

4.1 基坑施工

基坑施工需考慮TBM空推、后退時主機重量對基坑穩(wěn)定性的要求，TBM空推、后退時底護盾的通過性及專用起吊設備的安裝尺寸等方面的要求；同時，因該段落隧洞埋深大、地應力高、巖爆頻發(fā)，在滿足以上需求的情況下，需控制基坑尺寸，盡量減小開挖量，降低巖爆發(fā)生頻率，保證邊塊更換過程中人員、設備安全。

(1)基坑位置

通過測量本項目刀盤邊塊與后支撐結構尺寸，刀盤邊塊無法從TBM后支撐間通過?？紤]盡量減少TBM空推及后退的距離，基坑布置于后支撐后方，縱向布置于掌子面后方25～35 m(K45＋735～K45＋745.2)處，橫向布置于隧道底部開挖輪廓線以外，基坑中線與隧道中心線重合。

(2)基坑尺寸

根據(jù)專用起吊設備的安裝尺寸及刀盤邊塊結構尺寸要求，基坑開挖尺寸設計為(10.2×3.5×3.3)m(長×寬×深)，基坑最終成型凈尺寸為(8.8×2.1×2.6)m(長×寬×深)。

(3)開挖前底拱加固

由于該施工段地應力高，巖爆頻發(fā)，且隧洞底拱出現(xiàn)巖體向上隆起現(xiàn)象，在基坑開挖前對K45＋716～K45＋755段隧洞底部120°范圍施作5.5 m長?60 mm應力釋放孔，間距0.9×0.9 m(環(huán)×縱)，方形布置；并在應力釋放孔內安裝5.5 m長?32 mm中空錨桿，注砂漿錨固，如圖2所示。

圖2 基坑底拱加固示意

(4)基坑開挖

待應力釋放孔和加固砂漿錨桿施作完成后，開始后退TBM，后退至刀盤位于基坑后邊緣且保留適當安全距離。待TBM后退到位以后，在TBM刀盤前方進行基坑開挖。開挖采用小劑量炸藥，分層、多次開挖完成，人工將渣石堆積于基坑前方，待基坑開挖、支護、混凝土邊墻施作完成后，TBM向前空推，并利用刀盤及TBM自身皮帶機系統(tǒng)完成出渣。

(5)基坑支護與襯砌

基坑開挖完成后，基坑支護與襯砌主要考慮TBM空推與后退基坑邊墻承載穩(wěn)定性。因本項目TBM主機結構件總重743 t，經核算，基坑支護與襯砌采用錨桿＋C30鋼筋混凝土方式進行。錨桿采用?32 mm中空注漿錨桿，鋼筋混凝土厚度70 cm。

4.2 主機段擴挖

基坑位于后支腿后方，更換四塊刀盤邊塊TBM需多次空推、后退。邊塊更換前需對主機區(qū)域原有支護體系進行拆除，并適當擴挖，以保證TBM空推、后退順利進行。

根據(jù)TBM后退距離，對TBM頂護盾后邊沿至基坑后邊沿段落共37 m(K45＋716.2～K45＋753.2)范圍內進行原有支護體系拆除、擴挖、重新支護。重新支護后保證斷面尺寸不小于8.7 m。

4.3 專用起吊設備

因空間限制，本項目刀盤邊塊更換需根據(jù)空間尺寸設計專用起吊設備。專用邊塊起吊設備包括吊耳、提升機構、中轉支撐、轉盤、承托機構和旋轉機構等。

(1)吊耳

吊耳由邊塊供貨方提供，根據(jù)邊塊結構尺寸和邊塊安裝螺栓布置的不同而有差別，主要解決邊塊起吊、安裝過程中構件重心穩(wěn)定問題。

(2)提升機構

提升機構由“結構架＋油缸＋接力桿”組成。結構架安裝在基坑上部兩側基坑邊墻上，油缸安裝于結構架上，接力桿主要考慮洞內空間位置狹小，不能提供一次起吊所需空間高度用于中轉需求，如圖3所示。

圖3 專用起吊設備示意

(3)中轉支撐

中轉支撐由“豎向支撐架＋三角支撐＋微調油缸”組成，主要解決提升機構因洞內空間限制，不能一次起吊倒運到位而提供的中間支撐機構。

(4)轉盤

轉盤由“墊塊＋轉盤”組成。墊塊用于支撐邊塊(邊塊底部為弧形)，以保證邊塊穩(wěn)固；轉盤內部安裝有滾珠，可用于旋轉邊塊。

(5)承托機構

承托機構采用鋼結構加工焊接而成，其上設計有吊耳和定位槽。

(6)旋轉機構

在轉盤和承托機構之間設計有液壓旋轉機構，可方便對刀盤邊塊進行旋轉，如圖3所示。

4.4 舊邊塊拆卸

舊邊塊拆卸包括拆卸舊邊塊并固定在專用設備上、旋轉后下降入基坑、提升、裝車運輸四大步驟。

(1)舊邊塊拆卸

舊邊塊拆卸包括承托機構安裝、刀盤后退、焊縫刨除、邊塊固定等，如圖4所示，具體步驟如下:

①承托機構安裝

底部基坑開挖、支護、混凝土邊墻施作完成，待混凝土邊墻強度滿足要求后，將刀盤向前空推完成開挖基坑時的棄渣清理。在基坑內安裝中轉支撐和承托機構，滿足再次后退刀盤前將承托機構放置于中轉支撐上，并保證后退刀盤時TBM底護盾與托盤不發(fā)生干涉。

②后退刀盤

后退刀盤使刀盤中心與基坑中心位于同一斷面上，旋轉刀盤將1＃邊塊置于水平狀態(tài)，保證其重心與專用起吊設備旋轉機構中心在同一斷面上。

③承托機構定位

將承托機構頂升，使轉盤與邊塊緊密貼合，如圖4所示。

圖4 舊邊塊拆卸步驟

④邊塊固定

在利用轉盤及其上的墊塊固定邊塊后，為保證拆卸、起吊等過程中的穩(wěn)定和安全，在1＃邊塊底部安裝斜撐，保證斜撐底面為水平狀態(tài)。

⑤邊塊拆卸

刨除焊縫并拆卸1＃邊塊連接螺栓，完成邊塊與中心塊脫離。

(2)旋轉降入基坑

舊邊塊降入基坑包括后退刀盤、邊塊轉體、提升機構安裝、邊塊起吊降入基坑等，具體步驟如圖5所示。

圖5 舊邊塊降入基坑步驟

①后退刀盤:利用TBM自身性能，通過整機后退，完成刀盤邊塊與中心塊脫離，繼續(xù)后退TBM直至刀盤離開基坑后沿位置。

②邊塊轉體:頂升承托機構，使1＃邊塊脫離巖面。然后利用旋轉機構將邊塊進行90°旋轉，保證邊塊輪廓位于基坑輪廓范圍內。

③提升機構安裝:安裝提升機構結構架于基坑邊墻上，同時安裝油缸等提升設備部件。

④邊塊起吊降入基坑:利用提升機構和承托機構上吊耳和定位銷，將“承托機構＋邊塊”提起，拆除中轉支撐結構后，利用提升油缸將“承托機構＋邊塊”放置于基坑底部。保證放入基坑底部的承托機構和刀盤邊塊不高于基坑邊墻高度。

(3)舊邊塊提升

舊邊塊提升采用舊邊塊降入基坑的逆步驟。

①提升機構拆卸:拆除提升機構，保證TBM空推或后退時底護盾不與已降入基坑的舊邊塊發(fā)生干涉。

②空推:將TBM向前空推，直至基坑位于TBM后支腿后方。

③安裝提升機構:安裝提升機構結構架于基坑邊墻上，同時安裝油缸等提升設備部件。

④邊塊起吊:利用提升機構和承托機構吊耳與定位銷將“承托機構＋邊塊”起吊，通過中轉支撐中轉后將邊塊提升至脫離基坑位置。

(4)舊邊塊裝車運輸

舊邊塊裝車運輸是將舊邊塊從旋轉機構轉運至運輸板車上并運輸?shù)倪^程，中間涉及有邊塊提升、軌道安裝、裝車運輸?shù)裙ば?，如圖6所示。

圖6 舊邊塊裝車

①邊塊提升

安裝邊塊上的吊耳及邊塊提升油缸，將轉盤與邊塊進行分離，分離后完成邊塊提升。

②軌道安裝

在承托機構上安裝軌道并與運輸軌道連接。

③邊塊裝車運輸

軌道安裝完成后，將運輸板車推至提升機構下方，完成舊邊塊裝車、固定、運輸。

通過上述方法分4次將4個舊邊塊全部拆卸運輸完成。

4.5 新邊塊安裝

新邊塊安裝采用舊邊塊拆卸的逆步驟完成。

(1)新邊塊降入基坑

采用運輸平板車將新邊塊運輸至基坑上方，然后采用舊邊塊提升的逆步驟，依次執(zhí)行提升機構安裝、邊塊與運輸板車脫離、邊塊起吊、邊塊中轉、邊塊降入基坑。

(2)新邊塊提升、旋轉、安裝

拆除提升機構，TBM后退直至基坑后沿完全位于TBM刀盤前方，采用舊邊塊降入基坑的逆步驟進行。

依次執(zhí)行提升機構安裝、承托機構＋邊塊提升、承托機構定位、提升機構拆除、邊塊90°轉體、邊塊定位安裝。

5 總結

本文通過引漢濟渭工程嶺北TBM施工段落在長大深埋隧洞、高地應力、強巖爆、狹小空間，不具備常規(guī)更換方法需進行隧洞擴挖條件下，更換刀盤邊塊的案例，介紹了此工況條件下，基坑開挖、支護參數(shù)、專用起吊設備設計，舊邊塊拆卸、運輸，新邊塊安裝步驟。成功解決了刀盤邊塊更換困難的難題。同時也證明，該方法安全可行，可為類似工程提供經驗借鑒。