新型TBM洞內(nèi)平移始發(fā)反力一體化裝置 研究及使用

摘要：常規(guī)的TBM洞內(nèi)平移裝置在隧洞內(nèi)組裝及拆除時費時費力費成本，針對此問題，通過對傳統(tǒng)TBM洞內(nèi)始發(fā)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，研制了一種使TBM、反力架和始發(fā)架一體的可移動式裝置。利用該裝置快速實現(xiàn)洞內(nèi)始發(fā)，同時在始發(fā)完成后，可將負(fù)環(huán)管片與始發(fā)反力架整體滑移至洞外進(jìn)行拆解，大大減少了洞內(nèi)作業(yè)風(fēng)險，縮短了施工時間，減輕了施工人員的勞動強度，節(jié)省了施工成本，也為今后類似的工程項目洞內(nèi)始發(fā)提供了很好的參考價值。

關(guān)鍵詞：TBM；洞內(nèi)始發(fā)；一體化裝置；始發(fā)反力架；定位加固

0" "引言

隨著地下隧洞工程的快速發(fā)展，TBM洞內(nèi)平移、始發(fā)的情況也越來越多。目前，國內(nèi)已有多位相關(guān)技術(shù)人員開展了TBM洞內(nèi)平移始發(fā)技術(shù)及裝置的研究。黃永杰[1]研究了大直徑TBM礦山法洞內(nèi)始發(fā)技術(shù)。李旭輝等[2]研究了TBM自動化過站裝置使用效果。朱朋金等[3]研究了洞內(nèi)始發(fā)反力鋼環(huán)及安裝方法。楊霖等[4]研究了大直徑土壓平衡盾構(gòu)導(dǎo)洞內(nèi)始發(fā)技術(shù)。

現(xiàn)有研究雖然不少，對TBM洞內(nèi)始發(fā)后反力架、負(fù)環(huán)、始發(fā)架的拆除技術(shù)研究較少。鑒于此，本文發(fā)明了一套平移始發(fā)反力一體化裝置，可將TBM和反力架置于始發(fā)架上進(jìn)行整體快速平移，同時始發(fā)完成后也可將始發(fā)架上的反力架和負(fù)環(huán)管片整體平移至隧洞外進(jìn)行拆解，由此大大減少了洞內(nèi)作業(yè)風(fēng)險，縮短了施工時間，減輕了施工人員的勞動強度，并節(jié)省了施工成本。

1" "工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程中深圳境內(nèi)配套項目之一。該工程位于深圳市西北部城區(qū)，輸水隧洞自寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)東北部羅田水庫取水，往南引入鐵崗水庫和沿途水廠，將西江來水在深圳境內(nèi)進(jìn)行合理分配和使用，實現(xiàn)新增境外水優(yōu)化配置，保障西部片區(qū)供水，滿足遠(yuǎn)期寶安區(qū)、光明區(qū)、南山區(qū)（部分）供水要求。

該工程共采用4臺TBM掘進(jìn)施工，其中公明檢修排水井至羅田閥室區(qū)間、五指耙分水井至公明檢修排水井區(qū)間采用雙模TBM，3#檢修交通洞至五指耙分水井區(qū)間采用雙護(hù)盾TBM，3#檢修交通洞至鐵崗工作井區(qū)間采用敞開式TBM。

公明檢修排水井至羅田閥室區(qū)間、五指耙分水井至公明檢修排水井區(qū)間，分別各采用一臺直徑為6730mm雙模式TBM掘進(jìn)，在公明檢修排水井及五指耙分水井內(nèi)組裝始發(fā)。始發(fā)均設(shè)置長142.7m的始發(fā)導(dǎo)洞，用于TBM整體組裝始發(fā)。TBM主機(jī)部分在井底組裝并平移至掌子面，再與后配臺車進(jìn)行相連接，然后調(diào)試后進(jìn)行始發(fā)。豎井與導(dǎo)洞關(guān)系如圖1所示。

2" "始發(fā)平移裝置結(jié)構(gòu)與原理

2.1" "整體結(jié)構(gòu)布置

TBM始發(fā)平移裝置采用鋼結(jié)構(gòu)形式，架體部分稱始發(fā)架，在始發(fā)架兩側(cè)按照電瓶機(jī)車輪距及TBM臺車輪距，在始發(fā)架底部安裝20個輪對并均勻布置，將平移時的滑動摩擦力變成滾動摩擦力。輪對采用TBM18寸滾刀（不安裝刀圈）軸承，主要承受TBM機(jī)的重力荷載和推進(jìn)時的滾動摩擦力。

該裝置設(shè)計同時也考慮了TBM始發(fā)反力架的布設(shè)，在該裝置尾部設(shè)計弧形反力架，并與該裝置進(jìn)行栓接，可進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。在盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)架上安裝完成后，反力架上調(diào)懸空與始發(fā)架進(jìn)行連接，平移到達(dá)指定位置后，可下調(diào)與預(yù)埋鋼板連接，再進(jìn)行洞內(nèi)斜支撐加固。

2.2" "始發(fā)拖車

始發(fā)拖車圖如圖2所示。該裝置全長10.8m，寬5.6m。輪對使用5排，每排4個，共20個輪對。較以往始發(fā)架相比，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。18寸滾刀軸承承載力為25t，20個輪對承載力為500t。

TBM主機(jī)是個圓柱體，放置于始發(fā)拖車上要考慮到防翻滾、防扭轉(zhuǎn)措施。始發(fā)拖車兩側(cè)采用鋼軌作為導(dǎo)軌，根據(jù)TBM的直徑計算好導(dǎo)軌的高度，導(dǎo)軌的高度要保證TBM主機(jī)放置后最低點與始發(fā)拖車有15mm以上的間隙，防止TBM主機(jī)除與導(dǎo)軌接觸外其他點的接觸造成后期卡盾風(fēng)險?，F(xiàn)場安裝后的始發(fā)拖車如圖3所示。

2.3" "始發(fā)架平移動力裝置

由于施工現(xiàn)場空間小，始發(fā)方向為上坡，給TBM步進(jìn)增加了更大的難度，可使用電瓶車作為動力，推動始發(fā)架前移。若施工現(xiàn)場條件限制，電瓶車動力條件限制，可配合采用液壓千斤頂和夾軌器為始發(fā)架平移提供動力。

始發(fā)架平移動力裝置如圖4所示?，F(xiàn)場根據(jù)條件，采用鋼板和軌道夾板自制夾軌器作為反力支座，將2臺100t液壓千斤頂作為動力，防止始發(fā)架倒退，刀盤前方采用2條10t倒鏈配合，始發(fā)架底部輥輪使用鐵鞋防止始發(fā)架倒退。

3" "始發(fā)工藝流程

3.1" "導(dǎo)洞軌道鋪設(shè)及牽引力計算

3.1.1" "導(dǎo)洞軌道鋪設(shè)

為保證TBM順利步進(jìn)至始發(fā)斷面處，TBM始發(fā)導(dǎo)洞底板面層采用澆筑30cm厚的C30混凝土；反力架安裝位置的前端距離始發(fā)洞門掌子面為11.5m，寬與導(dǎo)洞等寬（TBM1導(dǎo)洞寬7.5m，TBM2導(dǎo)洞寬7.9m）。在該區(qū)域澆筑厚度80cm的C30鋼筋混凝土，以確保為TBM步進(jìn)提供足夠的地基承載力。

根據(jù)TBM步進(jìn)方案，工作井和導(dǎo)洞內(nèi)需要鋪設(shè)6條軌道，分別為2條TBM電瓶車軌道、2條后配套臺車軌道和2條始發(fā)拖車軌道。軌道鋪設(shè)寬度依據(jù)電瓶車輪對寬度、TBM臺車輪對寬度和始發(fā)拖車輪對進(jìn)行布置，且需要進(jìn)行測量放線，確保TBM中線不會出現(xiàn)偏差，以免與導(dǎo)洞側(cè)部發(fā)生刮擦，能夠準(zhǔn)確到達(dá)始發(fā)預(yù)埋位置。利用45t電瓶車將盾體和一號臺車推至導(dǎo)洞內(nèi)始發(fā)洞口。始發(fā)導(dǎo)洞尺寸及軌道鋪設(shè)示意圖如圖5所示。

3.1.2" "額定牽引力計算

45t電瓶車持續(xù)牽引時額定牽引力計算公式為：

式中：F為機(jī)車持續(xù)驅(qū)動牽引力，值取92kN；G1為機(jī)車粘重，值取45000kg；G2為牽引力，單位為kg；μ1為坡道阻力系數(shù)4‰；μ2為列車運行阻力綜合系數(shù)，值取0.013；g為重力加速度，值取9.8m/s2。

當(dāng)坡度為4‰時，通過式（1）計算可得45t電瓶車的額定牽引力為507t。

TBM主機(jī)包含90t刀盤、160t前盾、70t中盾、45t尾盾、23t拼裝機(jī)、39t螺旋輸送機(jī)、18t始發(fā)拖車以及16t反力架，整體質(zhì)量為464t。經(jīng)計算45t電瓶車在4‰坡度上的牽引力滿足要求。

3.2" "TBM下井組裝

按照TBM組裝方案，首先依次將前盾、中盾、拼裝機(jī)、螺旋輸送機(jī)、尾盾、刀盤下井進(jìn)行安裝。組裝完成后，利用千斤頂將主機(jī)推至對應(yīng)位置，并在拖車后部留出放置反力架的位置。

其次，在地面組裝好反力架，將其下井放置在托車后部（需臨時墊高），其頂部用3根角鐵（3個位置）與盾尾焊接，防止反力架傾倒。

最后，通過電瓶車機(jī)頭將主機(jī)及反力架推入始發(fā)導(dǎo)洞，直到露出連接橋。隨后進(jìn)行TBM連接橋與一號臺車至十二號臺車的組裝。

3.3" "反力架和始發(fā)架的定位加固

3.3.1" "反力架定位加固

反力架由厚度為20mm的鋼板（材質(zhì)Q235B）按設(shè)計圖下料焊接而成，法蘭連接螺栓為8.8級M27螺栓，斜撐采用直徑為600mm焊管（材質(zhì)Q235B），壁厚10mm。

本次反力架按基準(zhǔn)環(huán)面（即反力架前端面）離開始發(fā)端墻內(nèi)側(cè)面12m定位。需將反力架左右偏差控制在±10mm之內(nèi)，高程偏差控制在±5mm之內(nèi)，上下偏差控制在±10mm之內(nèi)。反力架定位完成后，其立柱與預(yù)埋在導(dǎo)洞底面下偏差需控制在±10mm之內(nèi)。

反力架定位完成后，將其立柱與預(yù)埋在導(dǎo)洞底面的鋼板焊接，然后將直徑為600mm的斜撐焊接在導(dǎo)洞底面的預(yù)埋鋼板上，左右兩根立柱各上下安裝兩道斜撐。反力架上半部后端面用錨桿支撐。錨桿一頭背離掘進(jìn)方向傾斜打入導(dǎo)洞上部土體，另一頭與反力架焊接。TBM始發(fā)反力架斜撐如圖6所示。

3.3.2" "始發(fā)架定位加固

由于始發(fā)拖車需要承受430t的質(zhì)量，所以始發(fā)拖車必須具有足夠的剛度、強度。此外，在始發(fā)拖車的兩側(cè)每隔一定距離加設(shè)200H型鋼作為橫向支撐，支撐在導(dǎo)洞側(cè)墻上，端部焊接鋼板來提高作用面積，以提高始發(fā)托車的穩(wěn)定性。

本次始發(fā)拖車的車軌直接鋪設(shè)在導(dǎo)洞底板上，始發(fā)拖車的高度根據(jù)隧道中線與底板的高度3.75m及盾體直徑6700mm來制作，長度為10.8m、寬度為5.6m。始發(fā)拖車的前端距離洞門墻外墻93cm（TBM切口環(huán)露出始發(fā)托車前端4cm）。

在始發(fā)前，需對始發(fā)拖車四周采取擋泥措施，避免發(fā)生始發(fā)及推進(jìn)過程中泥漿及漿液流入始發(fā)拖車內(nèi)，將輪對糊死，從而增加后退阻力。

3.4" "反力架、負(fù)環(huán)、始發(fā)架的拆除

當(dāng)TBM掘進(jìn)至80環(huán)后（即掘進(jìn)120m后）且前50環(huán)隧道內(nèi)管片背后填充砂漿齡期達(dá)到7d以上，對TBM推進(jìn)80環(huán)的最大推力進(jìn)行計算。

若管片與土體之間的摩擦力符合TBM推力的要求，選擇合適的停機(jī)點即可進(jìn)行停機(jī)，然后對洞口始發(fā)反力裝置進(jìn)行拆除。

3.4.1" "反力架的拆除

首先將反力架頂部與錨桿焊接處進(jìn)行切割，之后按照先上后下、左右對稱的順序，對斜撐與底板預(yù)埋件的焊接面進(jìn)行切割，使反力架整體釋放擠壓應(yīng)力。利用倒鏈將斜撐放置在地面上，并用電瓶車將斜撐運出導(dǎo)洞。割除反力架焊接點如圖7所示。

支撐割除完成后，使用倒鏈及槽鋼等將其反力架固定在始發(fā)拖車尾部，并用工字鋼加固牢靠，防止倒塌。反力架與拖車尾部墊實固定牢靠后，對反力架立柱底部與預(yù)埋件焊接處進(jìn)行切割?？衫们Ы镯攲Ψ戳艿恼w高度進(jìn)行微調(diào)，以滿足始發(fā)拖車能夠正常行進(jìn)。

3.4.2" "負(fù)環(huán)的拆除

再次緊固1環(huán)至10環(huán)的所有管片螺栓，滿足緊固扭矩后由高到低依次拆除-1環(huán)與+1環(huán)之間的16條M27環(huán)縫連接螺栓，使7環(huán)負(fù)環(huán)管片及始發(fā)反力的部分整體脫離正環(huán)隧道。

3.4.3" "始發(fā)架的拆除

首先，由于始發(fā)階段存在漏漿、施工雜物等，需將其清理干凈，保證始發(fā)拖車輪對的滾動順暢。

其次，將電瓶車牽引端連接始發(fā)拖車及負(fù)環(huán)管片，讓電瓶車慢行逐步將始發(fā)拖車、負(fù)環(huán)、反力架后拖，使得負(fù)環(huán)與正環(huán)管片脫離，直至拖至豎井中。

最后，利用45t門式起重機(jī)將反力架吊至地面進(jìn)行分解，隨后對負(fù)環(huán)和始發(fā)拖車進(jìn)行拆解分離并吊至地面。

3.5" "現(xiàn)場施工注意事項

始發(fā)拖車高度要滿足要求，以避免盾體與始發(fā)拖車底部接觸。要嚴(yán)格控制始發(fā)洞口底板標(biāo)高，確保其與始發(fā)架高度相符合，同時要控制好TBM進(jìn)簾布時周圈尺寸均勻，確保其不會發(fā)生栽頭現(xiàn)象。確保導(dǎo)洞周圈無欠挖情況，保證始發(fā)拖車能夠平穩(wěn)步進(jìn)，并且周圈錨桿、噴錨層不會影響反力架。

要確保底板平整度，保證鋼軌鋪設(shè)平整，始發(fā)拖車與6根鋼軌能夠全部接觸。要保證量測掌子面的平整度，如不平整則要量取最突出位置的里程，適當(dāng)調(diào)整洞門鋼環(huán)的位置，確保TBM切口過導(dǎo)臺及簾布后能夠正常轉(zhuǎn)動刀盤。

始發(fā)導(dǎo)洞若為下坡，則要加裝始發(fā)拖車的剎車制動功能，避免由于始發(fā)拖車無法剎車造成溜車現(xiàn)象。始發(fā)拖車就位后對周圈進(jìn)行擋泥處理，否則漿液流出將輪對固結(jié)，會造成拖出時阻力加大。根據(jù)停機(jī)時的推力，計算好地層摩擦力，滿足要求時才可進(jìn)行負(fù)環(huán)拆除，且對管片螺栓要進(jìn)行多次緊固。

4" "結(jié)束語

本工程為雙模TBM在前導(dǎo)洞中始發(fā)，因礦山法洞內(nèi)空間小，吊裝難度大，常規(guī)的TBM洞內(nèi)平移裝置在隧洞內(nèi)組裝及拆除時費時費力費成本。鑒于本工程實際存在的問題及工況，項目團(tuán)隊研制了一種可移動式始發(fā)架。通過在洞外組裝及拆解，洞內(nèi)使用的方法，巧妙地解決了洞內(nèi)難以組裝和拆除地問題，同時也提出了一種新的TBM前導(dǎo)洞洞內(nèi)始發(fā)技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)大大減少了洞內(nèi)施工安全風(fēng)險，縮短了施工時間，減輕了施工人員的勞動強度，節(jié)省施工成本，也為今后類似的工程項目洞內(nèi)始發(fā)提供了很好的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃永杰.大直徑TBM礦山法洞內(nèi)始發(fā)技術(shù)研究[J].江西建材，2022（12）：192-196．

[2] 李旭輝，王寶佳，余峰崗，等.TBM自動化過站裝置使用效果[J].工程機(jī)械與維修，2017（8）：96.

[3] 朱朋金，肖利星，趙康林，等.TBM洞內(nèi)始發(fā)反力鋼環(huán)及安裝方法[J].工程技術(shù)，2021（6）：130-132.

[4] 楊霖，王遠(yuǎn)志，龐培彥，等.大直徑土壓平衡盾構(gòu)導(dǎo)洞內(nèi)始發(fā)技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2019（5）：25-27.

[5] 李旭輝，曹磊.TBM小間距大斷面暗挖隧道始發(fā)施工技術(shù)[J].工程機(jī)械與維修，2015（5）：114-115.