鋼管片支護(hù)技術(shù)在敞開式TBM施工中的應(yīng)用

尹建超

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100）

長(zhǎng)期以來(lái)，敞開式TBM施工具有掘進(jìn)速度快、施工工期短、作業(yè)環(huán)境好、對(duì)生態(tài)環(huán)境友好和綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外隧道施工方法的重要選擇[1]。2014年12月27日，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（敞開式TBM），在湖南長(zhǎng)沙中國(guó)鐵建重工集團(tuán)總裝車間順利下線。開啟了敞開式TBM國(guó)產(chǎn)化的新紀(jì)元。

1 項(xiàng)目情況

新疆EH引水工程總長(zhǎng)540 km，隧洞占總長(zhǎng)度的95.6%，均為深埋超特長(zhǎng)隧洞，其中KS隧洞是目前世界上已建和在建的最長(zhǎng)輸水隧洞[2]。該隧洞工程采用18臺(tái)敞開式TBM進(jìn)行施工，自2017年首臺(tái)設(shè)備始發(fā)以來(lái)，已完成260 km以上里程掘進(jìn)?？傮w發(fā)揮穩(wěn)定。

TBM3-1標(biāo)段在掘進(jìn)過(guò)程中揭露Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比高，完整性差、裂隙密集發(fā)育、片理化強(qiáng)烈，撐靴部位圍巖軟弱破碎，無(wú)法提供反支撐力。

TBM采用HW150鋼拱架+拱頂120°鋼筋排的支護(hù)形式，拱架排距最小僅500 mm，撐靴位置支模澆筑早強(qiáng)混凝土，等強(qiáng)后再掘進(jìn)。支護(hù)工作量大，人員勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)安全無(wú)法保障，月平均進(jìn)尺不足50 m。

由于不能連續(xù)掘、支作業(yè)，刀盤、護(hù)盾卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大，遇到嚴(yán)重卡機(jī)時(shí)，護(hù)盾后方需擴(kuò)挖管棚作業(yè)間，向塌方區(qū)施作超前管棚，并進(jìn)行頂部240°范圍高強(qiáng)注漿加固，單次支護(hù)范圍約20 m，工期1個(gè)月。

第二標(biāo)段地質(zhì)情況更加復(fù)雜多變，初始1.5 km即為Ⅳ、Ⅴ炭質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)粉砂巖地層，完整程度極差，遇水軟化嚴(yán)重，成為整個(gè)工程的卡脖子標(biāo)段。

敞開式TBM采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式繼續(xù)施工已不能滿足該項(xiàng)目施工進(jìn)度要求，支護(hù)方式亟待改進(jìn)。

2 鋼管片支護(hù)可行性探索

2.1 鋼管片支護(hù)應(yīng)用情況

鋼管片支護(hù)，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、拆裝便捷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，相比于混凝土管片優(yōu)勢(shì)明顯，在盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)站通道、聯(lián)絡(luò)通道和轉(zhuǎn)彎段支護(hù)等應(yīng)用較為廣泛，中國(guó)臺(tái)灣地鐵隧道（中國(guó)臺(tái)北）使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，其中小轉(zhuǎn)彎段使用了鋼管片支護(hù)。

作為局部承壓隧道使用較少，典型應(yīng)用案例為深圳軌道交通L9大鹿區(qū)間切樁下穿建筑物群樁工程。該工程按照“在考慮作用于隧道上的房屋荷載作用時(shí)，當(dāng)上部建筑的樁基礎(chǔ)進(jìn)入承載拱內(nèi)時(shí)，扣除該部分樁長(zhǎng)后，未能滿足樁基承載力要求，余下載荷應(yīng)考慮由隧道管片結(jié)構(gòu)承擔(dān)”這一原則計(jì)算樁端荷載，普通混凝土管片無(wú)法滿足受力要求。因此，采用鋼管片支護(hù)并取得了成功。

2.2 敞開式TBM鋼管片應(yīng)用情況

在國(guó)內(nèi)，敞開式TBM尚未有鋼管片支護(hù)形式的施工案例，部分研究機(jī)構(gòu)提出過(guò)相關(guān)概念，但受限于研發(fā)技術(shù)水平，遲遲無(wú)法實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

在國(guó)外，此技術(shù)有過(guò)初期探索，日本東海北陸汽車道的飛彈隧道項(xiàng)目合河—白川區(qū)間，采用1臺(tái)12.84 m敞開式TBM施工，曾進(jìn)行過(guò)相關(guān)技術(shù)的研究。2004年3月，該設(shè)備最大月掘進(jìn)尺達(dá)到249.6 m，2004年6月，月進(jìn)尺114 m，掘進(jìn)效率低下，未達(dá)到預(yù)期預(yù)期效果。

因此，綜合國(guó)內(nèi)外鋼管片應(yīng)用情況，采用鋼管片支護(hù)可滿足KSTBM3項(xiàng)目施工實(shí)際要求，敞開式TBM鋼管片支護(hù)技術(shù)雖有過(guò)前期探索，但技術(shù)并不成熟，需進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

3 鋼管片設(shè)計(jì)研究

由于KSTBM3項(xiàng)目為已有設(shè)備的基礎(chǔ)上完成鋼管片支護(hù)功能的改造，難度較大，鋼管片需在刀盤最大開挖直徑范圍內(nèi)設(shè)計(jì)，還需考慮舊設(shè)備整機(jī)的通過(guò)性，鋼管片分塊運(yùn)輸、承載能力、壁后回填等相關(guān)因素。

3.1 鋼管片直徑

TBM通過(guò)刀盤墊塊的形式，最大擴(kuò)挖100 mm，開挖直徑最大可達(dá)7.13 m，考慮到刀具磨損、護(hù)盾厚度、盾尾間隙相關(guān)因素，鋼管片外徑不能大于6 940 mm。

為避免TBM主機(jī)、后配套大范圍的改造，對(duì)主機(jī)最寬的撐靴位置與后配套2#臺(tái)車進(jìn)行通過(guò)最小斷面模擬，由于鋼管片拼裝基本上無(wú)圍巖收斂情況，因此，安全間隙按150 mm考慮，主機(jī)通過(guò)需要的最小直徑為6 536 mm，后配套通過(guò)的最小直徑為6 500 mm，因此，選擇鋼管片內(nèi)徑按6 540 mm，如圖1和圖2所示。

圖1 TBM主機(jī)撐靴位置通過(guò)模擬（單位：mm）

圖2 TBM后配套臺(tái)車通過(guò)模擬（單位：mm）

由以上鋼管片內(nèi)、外徑尺寸確認(rèn)，鋼管片厚度200 mm，參考中國(guó)臺(tái)灣地鐵隧道鋼管片設(shè)計(jì)，厚度也為200 mm，管片直徑接近，強(qiáng)度校核通過(guò)后可以使用。

3.2 鋼管片分塊與連接

敞開式TBM護(hù)盾為6分塊結(jié)構(gòu)，每塊護(hù)盾均增加導(dǎo)向座以承載輔助推進(jìn)油缸的頂推力，并傳遞至刀盤，油缸頂推位置非均勻布置。

如圖3所示，根據(jù)油缸布置特點(diǎn)設(shè)計(jì)鋼管片分塊，采用6塊設(shè)計(jì)，分A、B、C、K 4種分塊，4種鋼管片分塊角度分別為72°、54°、54°和36°，連接螺栓孔按18°均布，鋼管片左、右旋轉(zhuǎn)18°倍數(shù)連接螺栓均能正常安裝。

圖3 鋼管片分塊與連接螺栓布置

根據(jù)分塊特點(diǎn)，對(duì)鋼管片進(jìn)行18°倍數(shù)旋轉(zhuǎn)模擬，確認(rèn)鋼管片左、右旋轉(zhuǎn)36°時(shí)，輔推油缸均可全部頂推至鋼管片端面，避開拼接縫位置。

3.3 鋼管片環(huán)寬

原敞開式TBM錨桿鉆機(jī)、鋼拱架拼裝機(jī)前后移動(dòng)行程1.8 m，若拼裝鋼管片，則需加長(zhǎng)護(hù)盾，鋼管片在護(hù)盾內(nèi)部拼裝，且預(yù)留K塊安裝空間，因此，TBM鋼管片環(huán)寬不得大于1 m，本工程鋼管片環(huán)寬設(shè)計(jì)0.9 m。

3.4 鋼管片注漿孔預(yù)留

鋼管片結(jié)構(gòu)與混凝土管片不同，單一地使用吊裝孔作為注漿口，無(wú)法滿足豆粒石、單液漿、雙液漿和細(xì)石混凝土等多種回填材料的注入需求，因此，每塊鋼管片均預(yù)留不少于3個(gè)注漿孔，可匹配多種復(fù)雜的施工工藝。

3.5 鋼管片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

綜合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼管片拼裝各工況分析，模擬開挖后管片壁后注漿前及注漿后圍巖松散體直接作用在鋼管片，根據(jù)TBM一標(biāo)段反饋數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)拱頂發(fā)生塌腔為7～7.5 m?，F(xiàn)計(jì)算采用拱頂塌方高度為15 m，松散體直接作用于鋼管片。

經(jīng)計(jì)算，鋼管片鋼材采用Q235B，總厚度200 mm，鋼板及肋板厚30 mm，詳見表1，在支護(hù)初期可以滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。

表1 鋼管片結(jié)構(gòu)受力結(jié)果匯總

同時(shí)，鋼管片內(nèi)徑滿足TBM主機(jī)及后配套系統(tǒng)順利通過(guò)要求。即實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)掘進(jìn)，又能盡量減少開挖量，降低施工造價(jià)。

4 敞開式TBM對(duì)應(yīng)改進(jìn)

針對(duì)該工程特殊需求，創(chuàng)新性地研發(fā)出了一款敞開式/單護(hù)盾雙模式多功能TBM，該設(shè)備由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)，在保留傳統(tǒng)敞開式TBM錨網(wǎng)噴支護(hù)方式所有功能的前提下，創(chuàng)新地融入了單護(hù)盾TBM管片支護(hù)施工工藝，真正實(shí)現(xiàn)了噴錨支護(hù)與管片支護(hù)模式的在線快速切換。

4.1 護(hù)盾及輔助推進(jìn)系統(tǒng)

除導(dǎo)向座與輔助推進(jìn)系統(tǒng)外，TBM護(hù)盾扔保留6分塊伸縮功能，在敞開式模式掘進(jìn)過(guò)程中貼緊洞壁，保持穩(wěn)定。單護(hù)盾模式下，通過(guò)機(jī)械限位固定直徑，保證鋼管片拼裝空間。底護(hù)盾設(shè)置頂升油缸，刀盤擴(kuò)挖時(shí)可調(diào)整主驅(qū)動(dòng)圓心，避免底部超挖，如圖4所示。

圖4 護(hù)盾結(jié)構(gòu)圖

4.2 支撐推進(jìn)系統(tǒng)

TBM護(hù)盾通過(guò)推進(jìn)油缸分組可實(shí)現(xiàn)小范圍調(diào)向，但由于主機(jī)為主梁式結(jié)構(gòu)，前部調(diào)向范圍有限，且無(wú)法糾滾，因此，解決調(diào)向、糾滾問(wèn)題是本項(xiàng)目改用鋼管片支護(hù)的技術(shù)關(guān)鍵。

對(duì)此鐵建重工對(duì)TBM支撐推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)，如圖5所示，首先，增加鞍架支腿與底部弧板，TBM掘進(jìn)時(shí)，支腿伸出，TBM主撐靴不撐緊隧洞壁，主梁與鞍架之間仍能相對(duì)滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正常掘進(jìn)。

圖5 鞍架支腿

TBM掘進(jìn)過(guò)程中2根鞍架支腿同時(shí)伸縮可實(shí)現(xiàn)TBM抬頭、低頭動(dòng)作，左右鞍架支腿反向動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)糾滾動(dòng)作?；“迮c支腿之間通過(guò)油缸橫向滑移，可實(shí)現(xiàn)TBM大范圍左右調(diào)向。

底部弧板采用高強(qiáng)度橡膠接觸鋼管片，避免壓壞鋼管片的同時(shí)，可通過(guò)鞍架位置的主機(jī)重力產(chǎn)生較大的摩擦力，起到防扭轉(zhuǎn)作用。設(shè)計(jì)輔助撐靴，用于惡劣工況下需提供更大的推力及反扭矩使用。

4.3 鋼管片拼裝機(jī)構(gòu)

升級(jí)原鋼拱架拼裝機(jī)，拼裝環(huán)與撐緊環(huán)合而為一，滿足鋼拱架、鋼瓦片、格柵拱架等多種輕型支護(hù)材料的拼裝需求。另外，在回轉(zhuǎn)環(huán)上安裝成熟的管片抓舉、拼裝機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)重載管片安裝。

4.4 壁后回填系統(tǒng)

本項(xiàng)目TBM鋼管片與隧洞壁間隙僅80～95 mm，狹小空間注漿難度進(jìn)一步增大，在TBM范圍內(nèi)不增加臺(tái)車的前提下，設(shè)置雙液漿、單液漿、細(xì)石混凝土和豆粒石等多種注漿回填方式，以應(yīng)對(duì)串漿、隔水、提高回填率和塌腔回填等各類問(wèn)題，保障設(shè)備連續(xù)掘進(jìn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

依托新疆某引水程施工線路長(zhǎng)、地質(zhì)復(fù)雜多變的特點(diǎn)，對(duì)TBM3標(biāo)段進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)備升級(jí)改進(jìn)，研制出的敞開式/單護(hù)盾雙模式多功能TBM，充分發(fā)揮了2種TBM各自的施工特點(diǎn)，自2021年7月開始以單護(hù)盾模式掘進(jìn)，首個(gè)完整月進(jìn)尺即達(dá)到280 m，至2021年12月中旬已完成標(biāo)段1.5 km破碎帶施工，平均月進(jìn)尺超過(guò)300 m，最高月進(jìn)尺達(dá)到350 m以上，獲得成功。成為國(guó)產(chǎn)首臺(tái)敞開式TBM鋼管片支護(hù)的典型應(yīng)用案例，在行業(yè)內(nèi)遙遙領(lǐng)先。

該項(xiàng)目的成功應(yīng)用，進(jìn)一步發(fā)揮了TBM安全、高效特點(diǎn)，使敞開式TBM的應(yīng)用范圍更廣，也標(biāo)志著敞開式TBM在長(zhǎng)距離連續(xù)破碎地層穩(wěn)步掘進(jìn)成為可能。隨著國(guó)內(nèi)外眾多復(fù)雜地層的重大工程的開啟，多模式TBM必將成為施工首選，該領(lǐng)域的突破，也必然將引領(lǐng)TBM施工的新方向。