靳思東

TBM(Tunnel Boring Machine)即隧洞掘進(jìn)機(jī)的英文簡(jiǎn)稱,TBM以其掘進(jìn)速度快(為常規(guī)開挖的5倍～10倍)、一次成洞、能提供安全作業(yè)環(huán)境并能保證隧洞的整體安全等特點(diǎn),被越來(lái)越多的隧洞工程采用,現(xiàn)就雙護(hù)盾TBM施工法簡(jiǎn)述如下。

1 TBM概況

1.1 TBM的發(fā)展及分類

美國(guó)工程師Charles Wilson于1851年設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)TBM。但由于設(shè)計(jì)中存在諸多問題和困難,難以與鉆爆法技術(shù)相媲美,因此沒有得到應(yīng)用。1952年,美國(guó)人James S.Robbins設(shè)計(jì)了將索鎬與滾刀相結(jié)合的掘進(jìn)機(jī),沒有試驗(yàn)成功。1956年,James S.Robbins仿照100年前Charles Wilson的設(shè)計(jì),只采用滾刀,此次試驗(yàn)取得了成功。

TBM技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,目前已相當(dāng)成熟?，F(xiàn)今TBM種類很多,以圍巖硬度劃分,有硬巖掘進(jìn)機(jī),軟硬巖兼容掘進(jìn)機(jī),軟土掘進(jìn)機(jī);以護(hù)盾形式劃分,有開敞式(單護(hù)盾)TBM,雙護(hù)盾或多護(hù)盾TBM,盾構(gòu)TBM,硬巖和軟土兼容的混合盾構(gòu)TBM;以TBM直徑大小劃分,有微型TBM(0.3 m～1.0 m),小型TBM(1.0m～3.0 m),中型TBM(3.0 m～ 8m),大型TBM(＞8m);以開挖斷面形狀劃分,有單一的圓形斷面TBM,雙圓或多圓TBM,不規(guī)則斷面TBM;以隧洞的水平—垂直度劃分,有水平掘進(jìn)TBM,豎井TBM和斜井TBM。隨著技術(shù)的發(fā)展,根據(jù)工程的需求,相信還會(huì)出現(xiàn)更多的新型掘進(jìn)機(jī)。

1.2 雙護(hù)盾TBM的組成及功能

一套完整的TBM系統(tǒng)由機(jī)頭和后配套兩大部分組成,TBM機(jī)頭由刀盤、前護(hù)盾、伸縮護(hù)盾、后護(hù)盾和尾盾組成。后配套是承載、輸送、動(dòng)力和控制平臺(tái),后配套分聯(lián)結(jié)橋、單軌段、雙軌段和斜坡段。

TBM的各組成部分功能上相互獨(dú)立,但又互相依賴形成一個(gè)整體,刀盤的主要作用是切削巖體和出渣;前護(hù)盾主要是支撐刀盤、穩(wěn)定刀盤和給刀盤提供動(dòng)力;伸縮護(hù)盾是實(shí)現(xiàn)雙護(hù)盾模式的主要機(jī)構(gòu),主推進(jìn)油缸、刀盤電機(jī)、反扭矩油缸全部布置在伸縮護(hù)盾內(nèi)。后護(hù)盾在掘進(jìn)過(guò)程中撐開支撐盾,對(duì)掘進(jìn)機(jī)起支撐和穩(wěn)定作用,并通過(guò)安裝在后護(hù)盾上的輔助推進(jìn)油缸,對(duì)安裝好的管片起支承作用;尾護(hù)盾是為管片安裝提供安全保障的區(qū)域,管片安裝器設(shè)置在尾盾內(nèi)。TBM主機(jī)皮帶機(jī)貫穿于刀盤至尾盾的中央空間。后配套聯(lián)結(jié)橋是聯(lián)結(jié)TBM機(jī)頭和單軌段的裝置,該區(qū)域?yàn)檐壍腊惭b區(qū)域,風(fēng)筒除塵器可布置于此。后配套單軌段僅設(shè)置一條軌道,因此叫單軌段,軌道主要停放管片和豆礫石車,后配套雙軌段是布設(shè)兩條軌道的區(qū)域,主要為出渣和錯(cuò)車使用,后配套斜坡段是動(dòng)力機(jī)車上下后配套的必要設(shè)施,在該處還進(jìn)行供水鋼管的安裝。

2 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工

2.1 雙護(hù)盾模式

雙護(hù)盾模式施工即掘進(jìn)和襯砌同步進(jìn)行,互不影響,掘進(jìn)速度快。施工時(shí)后盾的支撐盾伸出,先后后前啟動(dòng)出渣皮帶機(jī),轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,主推進(jìn)油缸向前推進(jìn);同時(shí),輔助推進(jìn)油缸傳遞推力和輔助管片拼裝。當(dāng)掘進(jìn)一個(gè)行程后(主推進(jìn)油缸全部伸出),刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng),伸出前穩(wěn)定器,收回后支承盾,主推進(jìn)油缸拉回,進(jìn)行換步,完成換步后,繼續(xù)下一行程的掘進(jìn)。在掘進(jìn)過(guò)程中,由于刀盤向一個(gè)方向有阻力旋轉(zhuǎn),對(duì)機(jī)頭產(chǎn)生一定的扭力,伸縮盾中的反扭矩油缸在電腦PLC程序的控制下及時(shí)調(diào)整消除刀盤扭力所引發(fā)的盾體側(cè)滾,來(lái)保證TBM的運(yùn)行姿態(tài)。

2.2 單護(hù)盾模式

由于圍巖的限制,如果撐靴不能頂住巖石或巖體較為軟弱或破碎不適宜使用雙護(hù)盾模式時(shí),前護(hù)盾和支撐盾合成一體,伸縮護(hù)盾完全閉合,主推進(jìn)油缸完全收回。施工時(shí)先后后前啟動(dòng)出渣皮帶機(jī),轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,輔助推進(jìn)油缸向前推進(jìn),當(dāng)掘進(jìn)一個(gè)行程后,刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng),輔助推進(jìn)油缸配合管片安裝機(jī)進(jìn)行管片安裝,管片安裝完成后繼續(xù)下一行程的掘進(jìn)。由于掘進(jìn)時(shí)需要輔助推進(jìn)油缸產(chǎn)生必要的推力,掘進(jìn)和管片拼裝無(wú)法同時(shí)進(jìn)行,前進(jìn)速度相應(yīng)降低。

由于在雙護(hù)盾模式下,掘進(jìn)和管片安裝同時(shí)進(jìn)行,掘進(jìn)速度快,因此我們常在雙護(hù)盾模式下工作。當(dāng)TBM掘進(jìn)到土洞、煤層段時(shí),如果撐靴不起作用,那么只能靠輔助推進(jìn)油缸來(lái)推動(dòng)掘進(jìn)。掘進(jìn)和管片安裝無(wú)法同時(shí)進(jìn)行,掘進(jìn)速度相應(yīng)降低。

3 出渣及材料運(yùn)輸

1)出渣運(yùn)輸。

TBM出渣運(yùn)輸系統(tǒng)由三條皮帶機(jī)(主機(jī)皮帶機(jī)、后配套1號(hào)、2號(hào)皮帶機(jī))、裝渣裝置(扒渣機(jī)或移動(dòng)卸料小車等)和出渣列車組成,每組列車可以裝運(yùn)TBM一環(huán)管片的開挖渣料。裝渣人員可以利用扒渣機(jī)將出渣火車推到裝渣點(diǎn)或利用移動(dòng)卸料小車進(jìn)行布料,裝渣時(shí)不需要利用出渣火車車頭推動(dòng),以減小作業(yè)空間的空氣污染。

當(dāng)出渣火車裝滿棄渣并重新加掛管片車和豆礫石車后,將渣車推到洞外至渣車平臺(tái)由翻車機(jī)械倒空渣斗,然后用常規(guī)方式進(jìn)行渣料的棄運(yùn)。

2)其他施工材料運(yùn)輸。

在雙護(hù)盾TBM施工中主要材料有管片、豆礫石和水泥,運(yùn)輸列車最前端為管片車,管片車的數(shù)量根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)尺確定;管片車后部為豆礫石車,豆礫石車的容量及數(shù)量也由掘進(jìn)進(jìn)尺決定;后部為渣斗車,渣斗車的容積總和為每一循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺所開挖渣料的虛體積,并有一定的富余度;在渣斗車后掛接平板車,運(yùn)輸灌漿水泥及其他材料。

3)車輛調(diào)度。

采用機(jī)車出渣時(shí),為了保證掘進(jìn)施工的順利進(jìn)行,施工調(diào)度非常關(guān)鍵,調(diào)度不力將直接影響施工的正常進(jìn)行,甚至?xí)l(fā)生撞車事故。根據(jù)隧洞洞徑尺寸和費(fèi)用等原因,一般洞內(nèi)只布置單條運(yùn)輸軌道,在沒有錯(cuò)車裝置的部位,只能單向行駛,因此單條軌道的長(zhǎng)度決定運(yùn)輸時(shí)間。車輛調(diào)度分三部分:后配套調(diào)度、洞內(nèi)調(diào)度和洞外調(diào)度,三部分的調(diào)度由洞外調(diào)度總控制。

在后配套的調(diào)度:在后配套雙軌段平臺(tái)上可停放兩組列車,接渣時(shí)通過(guò)卸料小車的移動(dòng)將渣斗依次裝滿,卸料小車設(shè)置兩個(gè)出料口,可分別裝載兩列車輛,一列渣車裝滿后即可掛接空材料車輛駛離后配套。

在洞外的調(diào)度:重載列車和空材料車駛出洞,進(jìn)入調(diào)車場(chǎng)摘除材料車后,重載列車駛?cè)敕鼨C(jī)進(jìn)行翻渣,每次翻渣兩斗,用時(shí)3 min,20 min全部翻完。材料車進(jìn)入材料場(chǎng)進(jìn)行材料裝車,在25 min內(nèi)將管片車和豆礫石罐車裝完。此時(shí)空渣車、管片車、豆礫石車重新編組到洞口處等待。

在洞內(nèi)的調(diào)度:主要靠錯(cuò)車平臺(tái)調(diào)度。錯(cuò)車平臺(tái)設(shè)置雙軌,其長(zhǎng)度要滿足列車編組的長(zhǎng)度并有一定的余量,錯(cuò)車平臺(tái)兩側(cè)有上下平臺(tái)的斜坡段。

4 管片的安裝

在雙護(hù)盾TBM施工中,襯砌一般采用預(yù)制管片形式,預(yù)制管片在TBM尾盾中安裝。管片車輸入洞內(nèi)的管片通過(guò)管片吊機(jī)吊至管片喂片器上依次擺放,管片安裝器從喂片機(jī)上抓取管片,旋轉(zhuǎn)至所需要安裝的部位,就位后輔助推進(jìn)油缸頂推,使管片通過(guò)設(shè)置在管片側(cè)壁的定位銷緊密聯(lián)結(jié)在一起,輔助推進(jìn)油缸頂推直至下一環(huán)該部位管片開始安裝。

5 豆礫石回填和灌漿

5.1 噴豆礫石

在開挖面和管片背面之間存在一環(huán)形空腔,必須用豆礫石回填密實(shí)并進(jìn)行水泥灌漿,使管片與洞壁形成一個(gè)穩(wěn)定的整體。管片生產(chǎn)時(shí)在適當(dāng)?shù)奈恢妙A(yù)留了灌漿孔,安裝時(shí)可兼作安裝孔使用(視管片安裝器形式?jīng)Q定),經(jīng)過(guò)篩選的豆礫石用列車的豆礫石車運(yùn)到洞內(nèi),豆礫石車的豆礫石罐可采用安裝在豆礫石泵上端的吊具吊至豆礫石泵接料斗上方。打開豆礫石罐倉(cāng)門將豆礫石送入風(fēng)泵,風(fēng)泵按既定的速率將豆礫石通過(guò)管片上的灌漿孔吹入管片后部的環(huán)形空隙。豆礫石回填的順序是先底后頂,按照設(shè)計(jì)孔位和施工工序進(jìn)行施工。

5.2 灌漿

灌漿在掘進(jìn)機(jī)后部實(shí)施,按照既定的施工工藝采用環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行。其中每隔20環(huán)設(shè)封閉環(huán),以達(dá)到灌漿起壓效果,保證灌漿結(jié)石的強(qiáng)度,受雙護(hù)盾施工的影響,封閉環(huán)的設(shè)置是一個(gè)比較困難的問題,目前采用管片預(yù)埋灌漿細(xì)管,采用高發(fā)泡化灌材料形成封閉環(huán)效果比較理想。

TBM施工是個(gè)龐大的系統(tǒng)工程,各部分都可作為一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象進(jìn)行研究,在施工中總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),改進(jìn)影響施工進(jìn)度因素,極大的發(fā)揮TBM工作效能,將更好的推進(jìn)TBM 發(fā)展,為安全施工和改善施工環(huán)境創(chuàng)造條件。

[1] 陳 淼.盾構(gòu)機(jī)在⑤2層地質(zhì)條件下進(jìn)洞技術(shù)的研究[J].山西建筑,2009,35(24):336-337.