黃金光

(1.中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

TBM拆卸洞及拆機起重系統(tǒng)優(yōu)化設計研究

黃金光1, 2

(1.中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

TBM洞內拆機一般是在隧道內修建大斷面拆卸洞，安裝橋式起重機拆機。大斷面拆卸洞施工難度較大，施工工期長，成本投入大。為了縮短TBM拆卸洞施工及拆機時間，減小施工難度，以南疆鐵路吐庫二線中天山隧道TBM拆機為例，研究設計適應性更好的小車式電動葫蘆+倒鏈起重系統(tǒng)。該系統(tǒng)采取在隧道拱頂布設錨桿來固定導軌和獨立吊點。通過對拆卸洞結構原設計方案與優(yōu)化設計方案進行比選，確定優(yōu)化斷面的結構形式和斷面尺寸，優(yōu)化后拆卸洞斷面縮小1/3，施工難度降低，達到安全快速拆卸TBM的目的。

TBM； 洞內拆機； 拆卸洞； 倒鏈； 小車式電動葫蘆

0 引言

伴隨著我國基礎設施的大量修建，隧道工程越來越多，其施工技術也不斷發(fā)展，機械化程度也越來越高。目前，TBM法在長大隧道中已得到廣泛應用。由于TBM設備的特殊性，TBM洞內拆機通常會施工專用的拆卸洞，在隧道內完成解體后運至洞外。TBM拆卸洞目前普遍采取開挖大斷面蘑菇狀洞室，利用澆筑的襯砌直邊墻作為受力載體，在兩側邊墻上部施工托梁、鋪設軌道、安裝橋式起重機作為拆卸的主要起重設備[1-5]，此種方式要求拆卸洞斷面和空間足夠大，施工難度較大，施工工期長。

在拆卸洞施工方面，文獻[6]對大坂隧道TBM拆卸洞設計與施工進行了研究，文獻[7-8]對西秦嶺隧道TBM拆卸洞施工技術進行了研究。上述隧道拆卸洞結構形式均為蘑菇狀洞室，開挖斷面均超過240 m2，施工時需分多步進行，開挖及二次襯砌施工難度高，施工工期超過4個月。在起重系統(tǒng)方面，對于地下工程設備的吊裝，文獻[9-11]研究了采用錨桿嵌入巖層受力并安裝起吊梁、卷揚機、滑輪組等大型起吊設備的起重系統(tǒng)，但該系統(tǒng)通過卷揚機、滑輪組等進行配合，將橋機垂直吊裝到巖錨梁上，起吊后重物移動靈活性差；因此，通過采取錨桿嵌入巖層受力，達到實現(xiàn)橋式起重機來回移動功能的起重系統(tǒng)需進行深入研究。在TBM拆卸部件質量、拆機吊裝高度確定情況下，如何加快拆機總體進度，減少拆機配套設施施工工程量，研究更適用的起重系統(tǒng)十分必要。

本文結合中天山隧道TBM拆機實例，為加快拆機進度，減小拆卸洞施工難度，根據(jù)TBM拆卸部件質量和吊裝高度需求，主要研究在隧道拱部安設小車式電動葫蘆和倒鏈的起重方式來代替橋式起重機拆機的可行性。根據(jù)新的起重方式對原設計拆卸洞斷面尺寸進行縮小和優(yōu)化，減少拆卸洞施工工程量，使TBM拆機總工期縮短，實現(xiàn)安全快速完成TBM拆機，為隧道后續(xù)工序施工贏得時間。

1 工程概況

1.1 TBM洞內拆機概況

南疆吐庫二線中天山隧道全長22.467 km，為全線控制性工程，進口段采用TBM施工，獨頭掘進長度近13 km，開挖直徑8.8 m，為圓形斷面；出口段采用鉆爆法施工，開挖長度超過9 km,為馬蹄形斷面。TBM完成掘進任務后，由于鉆爆段斷面形式不一致且離洞口距離長，無法實現(xiàn)步進出洞拆機，必須在隧道內施工專門的拆卸洞開展洞內拆機。

距隧道貫通剩余約750 m時，TBM掘進端受設備老化、地質等因素影響，掘進進度不受控；同時，鉆爆法開挖端將進入f7斷層及其影響帶(Ⅳ、Ⅴ級圍巖長170 m)。為加快剩余段落施工進度，盡快實現(xiàn)隧道貫通，并在貫通后盡快開展TBM拆機工作，決定將TBM拆卸洞安排在f7斷層前施工(Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段)。在拆卸洞開挖完成后，根據(jù)TBM掘進進度，鉆爆法開挖端按TBM預備洞斷面繼續(xù)接應TBM施工，直至隧道貫通。隧道貫通后，TBM步進至拆卸洞拆機，拆卸部件由平板汽車從出口運至洞外存放。TBM拆卸洞位置平面如圖1所示。

圖1 TBM拆機位置平面示意圖

1.2 TBM洞內拆機重難點

本項目TBM型號為TB880E， TBM洞內拆機的主要工作是TBM各部件的拆卸、吊裝和運輸。TBM拆卸時，刀盤采取分割成2塊進行拆卸，其余大部件拆卸后進行整體起吊裝車運出，主要部件尺寸及質量見表1。

表1 TBM主要部件尺寸及質量

TBM洞內拆機的重難點： 1)TBM主機大型結構件采取整體拆卸，單件質量約60 t，洞內作業(yè)場地有限，需做好拆機順序和部件洞內暫時存放的合理規(guī)劃。2)采用小車式電動葫蘆+倒鏈起重系統(tǒng)，需操作多臺電動葫蘆和倒鏈同步開展吊裝作業(yè)，對協(xié)調操作能力要求高；同時,必須確保錨桿吊點和行走軌道的安裝質量。3)TBM主機大件拆卸后，采用平板車從出口運輸出洞，受出口段襯砌臺車凈空限制，大件運輸前，需先完成出口段所有二次襯砌施工及臺車拆卸。

2 起重系統(tǒng)設計

2.1 TBM洞內拆機優(yōu)化設計理念與原設計對比分析

分別從拆機總體設想、吊裝方式及受力載體、起重設備等方面對優(yōu)化后TBM洞內拆機設計理念與原設計進行對比分析，見表2。

2.2 TBM部件拆卸起重方式及設備選定

1)刀盤。分成上、下兩半部分進行拆卸，起吊質量65 t。起重方式為先采用倒鏈將上部刀盤向上拉起，主機后退后再落地放平，然后采用小車式電動葫蘆將刀盤吊起向前方平移裝車運出。下部刀盤拆卸同上部刀盤。

2)主軸承。起吊質量86.5 t。 移動主機就位，使主軸承上部吊點位于頂部2個倒鏈正下方，安裝主軸承專用吊裝工具，并與倒鏈連接；在主軸承下部焊接2個吊耳，與前上方2個倒鏈連接；拆除連接件后，利用電動葫蘆將底護盾后移；利用正上方倒鏈下放主軸承，同時利用前上方2個倒鏈牽引，將主軸承落地放平并將主軸承前移裝車運出。主軸承齒輪箱等附屬設備采用電動葫蘆拆除。

表2 TBM洞內拆機優(yōu)化設計理念與原設計對比

3)外凱。利用凱氏原有吊點與電動葫蘆連接，吊拉外凱下放地面。

4)內凱。加工專用吊具將凱氏原有吊點與電動葫蘆連接，吊拉內凱下放地面。

起重設備選型： 根據(jù)起吊質量，主要選用32 t、20 t小車式電動葫蘆，50 t、30 t倒鏈。

2.3 小車式電動葫蘆+倒鏈起重系統(tǒng)設計

電動葫蘆和倒鏈相關參數(shù)主要根據(jù)TBM拆機方式以及設備各拆卸構件的尺寸和質量確定。

2.3.1 小車式電動葫蘆

在隧道拱部沿中線兩邊打錨桿、安裝2根頂部導軌，每根導軌上分別安裝2臺32 t電動葫蘆(S1、S2、S3、S4)和2臺20 t電動葫蘆(E1、E2、E3、E4)作為移動式起重設備。

按照電動葫蘆設備配套行走軌線參數(shù)，導軌選用I45b工字鋼，在拆卸洞內設置長度為54 m；同時綜合考慮電動葫蘆起吊前、后外凱等部件時重心的平衡，行走導軌間距設計為3.2 m，沿拱頂中線對稱設置，采用錨桿固定。

導軌上4臺32 t電動葫蘆主要用于拆卸內、外凱等部件； 4臺20 t電動葫蘆主要用于拆卸前后小型部件。

2.3.2 倒鏈

在TBM刀盤、主軸承預定停機位置附近設置固定的獨立吊點。共設置承重50 t以上吊點6個，分別為A1、A2、B1、B2、備1、備2。吊點A1、A2、B1、B2安裝吊耳，并在吊點上安裝50 t倒鏈，吊點備1、備2作為A1、A2的備用吊點；設置承重30 t以上吊點各2個，分別為C1、C2，吊點上安裝吊耳，并安裝30 t倒鏈。

吊點B1、B2、C1、C2主要用于護盾、刀盤、主軸承的拆解；吊點A1、A2主要用于刀盤、主軸承拆解后的牽引平放。導軌、獨立吊點設置位置及布設方式見圖2和圖3。

圖2 導軌及獨立吊點布設縱剖面圖(單位： cm)

2.4 導軌固定安裝設計

導軌采取在隧道拱部中線兩側打錨桿焊接懸吊方式固定。

2.4.1 固定方式及參數(shù)設計

1)導軌選用I45b工字鋼，沿隧道拱部中線兩側縱向布置，長54 m，橫向共2根，導軌間距3.2m。導軌上端與錨桿和鋼板采用焊接連接，鋼板一側與錨桿焊接，另一側加設筋板。

2)考慮到每根導軌上布置2個32 t電動葫蘆，2根導軌上的4個電動葫蘆合計吊裝最大質量約128 t，錨桿選用φ25螺紋鋼(HRB400級)，長度3.8 m，外露0.6 m，隧道縱向間距1.0 m設置1組固定點，錨桿與圍巖之間采用砂漿錨固粘貼，有效錨固長度不小于3 m。

圖3 導軌及獨立吊點布設俯視圖(單位： cm)

3)為進一步加強導軌的穩(wěn)定性，防止導軌脫落，每個固定點位置設4根錨桿鎖固。

導軌鎖固錨桿平面布設如圖4所示，錨桿及導軌斷面見圖5，錨桿與導軌連接剖面見圖6。

圖4 導軌鎖固錨桿平面布設

圖5 錨桿及導軌布置斷面(單位： mm)

2.4.2 安全性分析

錨桿固定導軌的安全性主要從錨桿自身強度、錨桿與巖體間的錨固力、錨桿與導軌焊接受力能否滿足承受的最大荷載進行分析。

1)吊點受力分析。2根導軌上的4個電動葫蘆合計吊裝最大質量約128 t，則荷載設計值為1.4×1 280×1.5=2 688 kN，每個電動葫蘆施加于導軌上的集中荷載設計值為2 688/4=672 kN。按最不利情況考慮，當導軌上電動葫蘆位于某個吊點下方時，導軌上吊點共同承擔2個分別為672 kN的集中力。吊點所受力由集中荷載和由集中荷載偏心引起的荷載組成，當一個吊點位于導軌端部時，端部吊點受力最大。經(jīng)計算，端部吊點受力為377.814 kN。

圖6 錨桿與導軌連接剖面

2)錨桿強度安全性校驗。單個錨桿吊點所受荷載按377.814 kN考慮，一個吊點由4根錨桿組成，則每根錨桿所受荷載為94.45 kN，而一根φ25錨桿的屈服強度為162.58 kN；因此，吊點處鋼筋錨桿屈服強度大于所受荷載。每個吊點采用4根φ25錨桿，滿足安全要求。

3)錨桿與巖體粘結強度安全性校驗。錨桿與巖體之間灌注M25砂漿錨固，錨固長度為3 m，經(jīng)計算，錨桿與巖體間粘結強度為313.2 kN,大于錨桿自身強度，滿足安全要求。

4)錨桿與導軌焊接安全性校驗。導軌、錨桿及加勁肋板間均采用雙面焊接，導軌荷載由錨桿與加勁肋板及導軌間焊縫傳遞于錨桿。經(jīng)計算，錨桿與導軌及加勁肋板間焊縫采用雙面焊，焊縫高度不小于8 mm，焊縫長度(錨桿與導軌及加勁肋板間焊縫長度之和)不小于125 mm，可滿足安全要求。

2.5 獨立吊點的安設與固定設計

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，每個獨立吊點采用錨桿固定吊耳方式施作。 獨立吊點的位置以導軌位置做參照布設，獨立吊點起吊質量分為50 t和30 t。

1)50 t獨立吊點采用8根φ25錨桿(HRB400級)固定，錨桿單根長3.6 m，錨固長度不小于3 m。

2)30 t獨立吊點采用6根φ22錨桿(HRB400級)固定，錨桿單根長3.6 m，錨固長度不小于3 m。

3)吊耳采用40 mm厚錳鋼板加工，吊點安設及吊耳樣式見圖7。

(a) 50 t固定吊耳平面圖

(b) 30 t固定吊耳平面圖

(c) 錨桿固定鋼板剖面圖

(d) 固定吊耳側面圖

Fig. 7 Types of hoisting lugs and anchor bolt locking style of independent hoisting points with hoisting capacity of 50 t and 30 t (mm)

3 TBM拆卸洞結構設計

3.1 拆卸洞結構原設計方案

TBM完成掘進任務后，需在洞內進行拆機，主機大件采取整體拆卸。由于大件質量大，原設計選用在隧道內安裝2×75 t橋式起重機進行拆機。根據(jù)橋式起重機的工作空間需求，設計專用的TBM拆卸洞，拆卸洞施工完成后，安裝橋吊進行拆機。

拆卸洞邊墻為直墻，拱部為曲墻，下部開挖寬度為13.1 m，上部最大開挖寬度為16.12 m，開挖總高度為18.81 m，開挖斷面面積為253 m2，拆卸洞設計長度為60 m。TBM拆卸洞室斷面及內輪廓原設計方案見圖8，支護參數(shù)見表3。

圖8 TBM拆卸洞室原設計方案(單位： cm)

3.2 拆卸洞結構優(yōu)化設計方案

根據(jù)TBM拆機吊裝和運輸空間需求，同時綜合考慮現(xiàn)場工程施工難度、經(jīng)濟投入等因素，盡可能縮小拆卸洞開挖斷面，TBM拆機方式采取在隧道拱部二次襯砌及巖壁上布設錨桿作為受力吊點，布設電動葫蘆行走導軌以及特殊件吊裝和輔助吊裝的固定吊點，對TBM主要部件進行吊裝。

1)拆卸洞斷面底部開挖寬度(B)的確定。確定依據(jù)： 起吊最大件——刀盤最大寬度為8.52 m，拆機安全距離為1.34 m，襯砌混凝土厚度為40 cm，噴射混凝土厚度為15 cm。B=8.52+2×(1.34+0.4+0.15)=12.3 m。

2)拆卸洞斷面開挖高度(H)的確定。確定依據(jù)： 起吊最大件——刀盤高度為8.52 m，倒鏈起重設施高度為1.88 m，刀盤頂至吊點距離為1.0 m, 刀盤底護盾步進機構高度為20 cm，底板混凝土厚度為40 cm，襯砌混凝土厚度為40 cm，噴射混凝土厚度為15 cm。H=8.52+1.88+1.0+0.2+0.4+0.4+0.15=12.55 m。

表3 原設計方案拆卸洞支護參數(shù)

3)拆卸洞開挖長度(l)的確定。拆卸洞長度需滿足TBM主機的拆卸和運輸功能。TBM主機進入拆卸洞長度為30 m，考慮到刀盤、主軸承等大件拆卸后臨時擺放位置以及運輸車輛進入拆卸洞裝車需求，拆卸洞長度l=30+30=60 m。

優(yōu)化后拆卸洞室開挖斷面面積為156 m2，斷面尺寸確定為12.3 m×12.55 m(寬×高)，長度為60 m。 TBM拆卸洞室斷面及內輪廓優(yōu)化后方案見圖9，支護參數(shù)見表4。

圖9 TBM拆卸洞優(yōu)化后方案(單位： cm)

Fig. 9 Optimized design scheme of TBM disassembling cavern (cm)

3.3 拆卸洞結構設計方案對比

分別從施工組織難度、施工工期、工程費用等方面對拆卸洞結構設計方案進行對比分析，見表5。

經(jīng)TBM拆卸洞結構設計方案對比分析，采用優(yōu)化設計斷面，可采取常規(guī)臺階法進行隧道開挖，襯砌可利用模板臺車施工，施工難度大大降低，施工工期短，節(jié)約了施工成本；同時，優(yōu)化后斷面可以滿足TBM拆機對凈空的需求，滿足拆機要求。

4 工程應用

4.1 起重系統(tǒng)安裝

1)54 m長單根導軌采用4根12 m長和1根6 m長I45b工字鋼分別定位焊接而成。所有工字鋼定位完成后，用倒鏈調整錨桿與導軌的位置，將錨桿、加強筋板和導軌焊接加固。在調整錨桿和焊接加固過程中，嚴格檢測和控制導軌的相對位置和水平度。錨桿及導軌安裝見圖10。

2)各獨立吊點旁增設錨桿作為受力點，輔助固定吊耳和倒鏈的安裝；安裝時調整錨桿外露部分位置，使錨桿頭與鋼板開孔位置對齊，鋼板穿過錨桿后，將錨桿頭彎曲90°與鋼板雙面焊接牢固。安裝完成的獨立吊點及倒鏈見圖11。

4.2 起重系統(tǒng)優(yōu)化后拆機實施效果

隧道貫通后，TBM步進至拆卸洞實施拆機。TBM拆機的大件主要有刀盤、主軸承、內凱、外凱等；對拆機起重系統(tǒng)優(yōu)化后，刀盤主要采用倒鏈進行拆卸，主軸承采用小車式電動葫蘆配合倒鏈進行拆卸，內凱、外凱采用倒鏈配合小車式電動葫蘆拆卸。 TBM主機從開始拆卸至拆卸完成，用時30 d，達到了預期目標。TBM各大部件現(xiàn)場拆卸見圖12—17。

TBM后配套等附屬設施拆卸與主機同步開展，從隧道進口運輸出洞，TBM設備全部拆卸完畢共計用時35 d。

表4 優(yōu)化后拆卸洞支護參數(shù)

表5 TBM拆卸洞結構設計方案對比

圖10 錨桿及導軌安裝

圖11 獨立吊點及手動倒鏈安裝

Fig. 11 Installation of independent hoisting points and manual inverted chain

圖12 刀盤拆卸

圖13 刀盤上半部分拆卸

圖14 主軸承拆卸

圖15 外凱拆卸

圖16 內凱拆卸

圖17 分離內凱與外凱(下部)

5 結論與討論

1)工程實踐表明，在隧道拱部通過設置錨桿嵌入圍巖受力，布設倒鏈+小車式電動葫蘆的起重系統(tǒng)，安全可靠且拆機時操作方便，滿足TBM各部件的拆卸吊裝需求。

2)對隧道等施工空間狹小的場所，采取倒鏈+小車式電動葫蘆的起重系統(tǒng)進行TBM拆機，降低了拆機對洞室高度的要求，拆卸洞開挖斷面較正?？s小40%左右，減少了隧道開挖量，節(jié)約了施工成本，同時大幅減小了施工難度，施工工效提高約50%，有效地加快了工程建設進度。

本文研究的起重系統(tǒng)是根據(jù)TB880E設備各部件起吊質量進行的專門設計，可為類似工程提供參考和借鑒。在具體工程應用時，需根據(jù)設備大小、各部件起吊質量等對拆卸洞斷面進行適當調整，對受力錨桿直徑、長度，導軌型號等參數(shù)進行重新確定，以保證起重系統(tǒng)的安全可靠性。

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Research on Optimization of Design of TBM Disassembling Cavern and Hoisting System

HUANG Jinguang1, 2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China; 2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

The TBM disassembling cavern is usually located in tunnel with large cross-section; and it has overhead traveling crane. The construction of large cross-section TBM disassembling cavern is difficult; the construction schedule is long and the construction cost is high. In order to shorten the construction schedule of TBM disassembling cavern and reduce the TBM disassembling time, a more adaptable hoisting system of electric hoist + inverted chain is developed in the TBM disassembling of Zhongtianshan Tunnel on the second line of Turpan-Korla section of Nanjiang Railway. The anchor bolt is set on tunnel crown top so as to fasten the guide rail and independent hoisting points. The optimized type and size of cross-section structure of TBM disassembling cavern are decided by comparison between original design scheme and optimized scheme. The area of optimized cross-section of TBM disassembling cavern is reduced by 1/3; and the rapid TBM disassembling is reached.

TBM; TBM disassembling in tunnel; TBM disassembling cavern; inverted chain; trolley electric hoist

2016-06-29;

2016-09-12

黃金光(1982—)，男，湖南益陽人，2004年畢業(yè)于湖南城市學院，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事隧道及地下工程施工管理工作。E-mail： hjg319@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.018

U 455.3

A

1672-741X(2017)02-0242-08