丁兆亮 孫士英

隨著地下工程施工技術(shù)的飛速發(fā)展，特長隧道采用TBM施工也越來越普遍。TBM法是一種施工速度非?？?、機(jī)械化程度高及作業(yè)安全的隧道開挖和支護(hù)方法，但也存在著初次投資大、施工準(zhǔn)備工作量、施工準(zhǔn)備期長以及對(duì)圍巖條件適應(yīng)性差、作業(yè)方式不靈活等制約因素。蒙大隧道屬特長深埋隧道，是工程實(shí)施的一個(gè)控制工點(diǎn)，進(jìn)行TBM施工可行性研究是非常必要的。

1 工程概況

集通線橫貫內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部，是我國北部地區(qū)的東西干線鐵路之一，是溝通東北、內(nèi)蒙與西北的區(qū)際通道。蒙大隧道是集通線蒙根塔拉站（含）至林西站（不含）段貫通方案中最長雙洞單線隧道，左右線線間距為30 m，隧道長28 630 m，隧道最大埋深約為534 m。

左線隧道進(jìn)口CK472+730—CK472+749.76段位于曲線上，曲線半徑R=800 m，CK474+417.51—CK475+317.59、CK496+435—CK499+489.18位于曲線上，曲線半徑R=3 000 m；其余地段，隧道位于直線上。左線隧道進(jìn)口至CK473+700位于坡度為5.1‰的上坡；而后分別以4.8‰、5.1‰、4.5‰、5.1‰下坡至隧道出口。旅客列車設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h。蒙大隧道建筑限界采用“隧限-2A”。鉆爆法施工直線地段軌面以上凈空橫斷面面積30.42 m2，TBM施工直線地段軌面以上凈空橫斷面面積40.68～43.41 m2，曲線地段考慮加寬。

蒙大隧道在集寧至克什克騰旗段為內(nèi)蒙古高原，其中烏蘭陶勒蓋以西以剝蝕低中山為主，間有寬谷盆地，地形呈波狀起伏，相對(duì)高差50～100 m，絕對(duì)高程在1 300～1 550 m之間；烏蘭陶勒蓋以東以風(fēng)積沙丘為主，為渾善達(dá)克沙地的一部分，間有沖、洪、湖積平原，地表積沙，地形呈緩波狀起伏，絕對(duì)高程位于1 240～1 450 m。

地層巖性以變質(zhì)砂巖、花崗巖及砂礫巖為主，中厚層狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化，碎石狀松散結(jié)構(gòu)-塊石狀結(jié)構(gòu)。

蒙大隧道以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主，Ⅱ級(jí)圍巖占33.7%，Ⅲ級(jí)圍巖占31.9%，Ⅳ級(jí)圍巖占20.2%，Ⅴ級(jí)圍巖占14.2%。

本隧道共有13處斷層。地質(zhì)調(diào)查和外業(yè)鉆孔得知，隧道涌水量很大。

2 TBM進(jìn)洞方案選擇

蒙大隧道預(yù)測涌水量較大，TBM施工宜采用逆坡掘進(jìn)，順坡排水。TBM施工選擇從蒙大隧道出口進(jìn)洞。

3 TBM設(shè)備選型

TBM設(shè)備的選擇主要依據(jù)圍巖的工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件，如地層巖性、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性、巖溶發(fā)育程度、地下水狀況等。TBM使用較多的有開敞式和雙護(hù)盾式。如圖1所示。

圖1 開敞式與雙護(hù)盾TBM挖掘性能比較圖

考慮到輔助洞室的布置及國內(nèi)類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，本工程擬采用兩臺(tái)開敞式TBM掘進(jìn)機(jī)分別從蒙大隧道左、右線出口進(jìn)洞掘進(jìn)。

4 開敞式TBM主要技術(shù)參數(shù)的選擇

TBM的主要技術(shù)參數(shù)包括刀盤直徑、刀具布置、刀具數(shù)量、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、刀盤驅(qū)動(dòng)功率、刀盤推力、掘進(jìn)行程等。

掘進(jìn)機(jī)法施工隧道基本輪廓設(shè)計(jì)為圓形，其直徑大小應(yīng)根據(jù)建筑限界、接觸網(wǎng)懸掛方式、凈空面積要求、軌下道床型式、附屬構(gòu)筑物設(shè)置等因素綜合擬定。本工程中選用TBM刀盤直徑為8.80 m，襯砌內(nèi)徑分別為8.0、7.94、7.9 m。

TBM的掘進(jìn)行程主要根據(jù)隧道直徑、管片寬度確定，隧道直徑越大管片寬度越寬掘進(jìn)機(jī)的行程越大。選擇掘進(jìn)行程還涉及后配套接軌長度以及一次支護(hù)鋼拱架的榀距等因素。本工程中TBM掘進(jìn)機(jī)行程為1.80 m。

其他參數(shù)由設(shè)備制造廠家結(jié)合工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件等因素綜合確定。

5 TBM后配套及出渣方式的選擇

采用TBM法施工是一項(xiàng)綜合性的施工工藝，必須配備各種輔助設(shè)備，輔助設(shè)備必須與開敞式掘進(jìn)機(jī)及施工技術(shù)要求相適應(yīng)。施工中掘進(jìn)效率的高低在很大程度上取決于出渣運(yùn)輸及供料是否及時(shí)到位，后配套系統(tǒng)以出渣為主要功能，有兩種方式：軌行門架式（有平臺(tái)車和無平臺(tái)車）和無軌輪胎式。本工程選用有平臺(tái)車型軌行門架式后配套。

目前適用于長隧道TBM施工的軌行門架式出渣方式只有兩種：一種是窄軌低污染的內(nèi)燃機(jī)車牽引礦車的運(yùn)輸方式，另一種是連續(xù)膠帶機(jī)運(yùn)輸方式。考慮到本工程采用連續(xù)膠帶運(yùn)輸方式仍需配置有軌運(yùn)輸系統(tǒng)向洞內(nèi)運(yùn)輸管片及細(xì)石混凝土灌漿材料，研究中推薦采用窄軌低污染的內(nèi)燃機(jī)車牽引礦車的運(yùn)輸方式。

6 施工組織設(shè)計(jì)

6.1 施工方案

隧道進(jìn)口段20 382 m（CK472+730—CK493+112）采用鉆爆法施工。隧道采用復(fù)合式襯砌斷面。鉆爆法施工段落共布置6座施工斜井。

隧道出口段8 248 m（CK493+112—CK501+360）采用TBM施工，圓型斷面開挖支護(hù)同時(shí)進(jìn)行，貫通后再進(jìn)行二次襯砌。其中隧道出口段377 m（CK501+023—CK501+360）采用鉆爆法施工，采用錨噴網(wǎng)和鋼架聯(lián)合支護(hù)，TBM施工完成后再現(xiàn)澆混凝土襯砌。

在正洞里程CK44+193.000附近設(shè)有TBM拆卸洞室，斷面為馬蹄形，凈斷面尺寸14.7 m×16.0 m×55.0 m（寬×高×長），TBM到達(dá)拆卸洞室后，在洞內(nèi)拆除解體運(yùn)出洞外。如圖2所示。

圖2 蒙大隧道施工分段示意圖（單位：m）

6.2 TBM施工法

6.2.1 TBM掘進(jìn)

TBM施工要達(dá)到的目標(biāo)，就是按照設(shè)計(jì)的隧道軸線、方向和縱坡坡度準(zhǔn)確開挖輪廓平整圓順的隧道工程，并做到施工速度快、作業(yè)安全。要達(dá)到以上目標(biāo)，取決于合理的TBM施工組織管理和先進(jìn)的施工技術(shù)。TBM利用率主要由施工管理經(jīng)驗(yàn)和水平?jīng)Q定，TBM純掘進(jìn)速度主要由隧道的地質(zhì)條件和掘進(jìn)參數(shù)決定。

6.2.1.1 TBM施工勞動(dòng)力配置

TBM施工勞動(dòng)力組織按掘進(jìn)、整備、運(yùn)輸和保障四部分作業(yè)進(jìn)行設(shè)置。TBM施工隊(duì)設(shè)2個(gè)掘進(jìn)工班，1個(gè)整備工班，3個(gè)運(yùn)輸工班和3個(gè)保障工班。掘進(jìn)工班每班9 h，主要負(fù)責(zé)洞內(nèi)TBM掘進(jìn)作業(yè)。整備工班每班作業(yè)6 h，主要負(fù)責(zé)機(jī)械的檢修、維護(hù)、保養(yǎng)作業(yè)。運(yùn)輸工班與掘進(jìn)、整備工班同時(shí)作業(yè)，承擔(dān)洞內(nèi)外的運(yùn)輸任務(wù)。保障工班配合掘進(jìn)、整備工班作業(yè)，負(fù)責(zé)洞外各項(xiàng)保障工作。

6.2.1.2 TBM掘進(jìn)參數(shù)的選擇

掘進(jìn)參數(shù)是影響掘進(jìn)速度的重要因素。它主要由刀盤的推進(jìn)速度、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和推力4個(gè)指標(biāo)來表征。

TBM掘進(jìn)參數(shù)要隨著圍巖條件的變化不斷的進(jìn)行調(diào)整。TBM有3種工作模式可供選擇，即自動(dòng)控制推進(jìn)模式、自動(dòng)控制扭矩模式和手動(dòng)控制模式。

均質(zhì)硬巖可選用自動(dòng)控制推進(jìn)模式，這種模式既不會(huì)過載，又能取得較高的掘進(jìn)速度。掘進(jìn)中以推進(jìn)力先達(dá)到最大值，而扭矩未達(dá)到額定值作為判別硬巖的依據(jù)。

均質(zhì)軟巖掘進(jìn)時(shí)可選用自動(dòng)控制扭矩模式。掘進(jìn)中以扭矩先達(dá)到額定值，而推進(jìn)力未到達(dá)額定值或與扭矩同時(shí)達(dá)到額定值作為判別軟巖的依據(jù)。

軟硬巖過渡段、巖性頻繁變化段和斷層軟弱破碎地段，應(yīng)選用手動(dòng)控制模式。在手動(dòng)控制模式作業(yè)過程中如判定巖石變硬、巖體變得較完整，推進(jìn)力先達(dá)到額定值時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格限制推進(jìn)力不超過額定值；如判斷圍巖依然處于節(jié)理發(fā)育、裂隙眾多地段或斷層軟弱破碎地段時(shí)，應(yīng)依據(jù)扭矩模式，以扭矩為主結(jié)合推進(jìn)力參數(shù)來選用其他掘進(jìn)參數(shù)。

6.2.2 出渣與運(yùn)輸

出渣運(yùn)輸系統(tǒng)由主機(jī)膠帶機(jī)和出渣列車組成，TBM掘進(jìn)與出渣同時(shí)進(jìn)行。掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的石渣通過刀頭上的鏟斗連續(xù)地棄到膠帶機(jī)上，再裝入出渣列車，裝渣人員可以利用拔渣機(jī)推動(dòng)渣車，當(dāng)渣車裝滿棄渣，機(jī)車牽引重車駛向洞外。

在重車駛向洞口后，空車駛向后配套系統(tǒng)的停車站，在固定好管片車及細(xì)石混凝土罐車后，再牽引空渣車至裝渣點(diǎn)。

當(dāng)裝滿棄渣的重車到達(dá)洞口時(shí)，把渣車換至配有推車器的渣車翻車機(jī)所在的后部軌道上，渣車翻車機(jī)將每節(jié)渣車內(nèi)的棄渣卸入翻渣坑內(nèi)，再用裝載機(jī)裝自卸汽車或膠帶機(jī)運(yùn)至棄渣場。

6.2.3 仰拱塊安裝與底部處理

仰拱預(yù)制塊既是隧道襯砌結(jié)構(gòu)和鐵路整體道床的組成部分，又是TBM施工運(yùn)輸?shù)能壍阑A(chǔ)。隨著TBM每一循環(huán)的掘進(jìn)，仰拱塊與底部回填作業(yè)應(yīng)同步完成，仰拱塊的安裝質(zhì)量對(duì)保證TBM快速施工及襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定至關(guān)重要。

在仰拱塊安裝前，人工將底部的松渣、巖粉、沉渣清理裝入移動(dòng)式單軌料斗內(nèi)，隨TBM巖渣送出洞外。用高壓水沖洗仰拱塊底部基巖后，采用自吸泵將仰拱塊部位的積水抽排干凈。

將檢查合格的仰拱塊由機(jī)尾的機(jī)械手將管片安裝就位。使用混凝土輸送罐車和插入式振動(dòng)器，從已安裝好的仰拱塊兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行灌注和振搗。底部回填灌注采用C20細(xì)石混凝土。待TBM通過后，從仰拱塊的注漿孔壓注水泥漿。

6.2.4 初期支護(hù)

開敞式TBM施工所穿越的地層難免會(huì)遇到斷層破碎帶、軟弱圍巖、不同地層的不整合接觸帶，以及富水、巖爆等不良地質(zhì)地段，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，對(duì)確保TBM順利、安全施工來說是必不可少的。否則會(huì)出現(xiàn)圍巖滑塌甚至大塌方，造成TBM受困事故。

開敞式TBM施工的初期支護(hù)類型，按照圍巖級(jí)別劃分：

I、Ⅱ級(jí)圍巖局部采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，或者只采用錨桿、噴射混凝土支護(hù)。

Ⅲ級(jí)圍巖在開挖斷面上半圓以上部位（或者局部）采用錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。

Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖采用全圓鋼架支撐與錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)。鋼架選用I16工字鋼彎制成節(jié)段拼接而成。

6.3 混凝土管片的生產(chǎn)

管片生產(chǎn)采用工廠化流水作業(yè)，保持生產(chǎn)過程均衡、穩(wěn)定，其生產(chǎn)和儲(chǔ)存能力應(yīng)滿足最大掘進(jìn)速度時(shí)的管片使用需求。

管片生產(chǎn)需具備材料及產(chǎn)片堆場、鋼筋籠生產(chǎn)車間、攪拌站、實(shí)驗(yàn)室、管片澆搗車間、鍋爐房、管片水中養(yǎng)護(hù)池、管片抗?jié)B試驗(yàn)臺(tái)架、管片精度測試臺(tái)等生產(chǎn)及輔助設(shè)施。管片采用蒸汽養(yǎng)護(hù)方式生產(chǎn)。管片從鋼模中脫模后，一般需要在水中養(yǎng)護(hù)7 d左右，才能吊出水池做露天養(yǎng)護(hù)或者入庫養(yǎng)護(hù)。

6.4 通風(fēng)除塵

TBM法的通風(fēng)對(duì)象是工作人員呼出的氣體和TBM主機(jī)動(dòng)力發(fā)生的熱量、巖石破碎及噴射混凝土施工時(shí)發(fā)生的粉塵和內(nèi)燃機(jī)等發(fā)生的有害氣體等。

開敞式TBM對(duì)通風(fēng)量和風(fēng)速的要求：掘進(jìn)機(jī)工作面通風(fēng)量30 m3/s；向前方TBM掘進(jìn)作業(yè)區(qū)供風(fēng)風(fēng)速不小于0.164 m/s；向后方連接橋區(qū)回風(fēng)風(fēng)速不小于0.33 m/s，后配套系統(tǒng)段風(fēng)管儲(chǔ)存桶位置洞內(nèi)回風(fēng)風(fēng)速不小于0.49 m3/s。

隧道內(nèi)各作業(yè)面的環(huán)境溫度不宜超過25℃，隧道內(nèi)各作業(yè)面粉塵濃度要求不超過2 mg/m3。

TBM隧道的通風(fēng)方式是壓入式，主通風(fēng)機(jī)設(shè)在隧道的出口，將3臺(tái)110 kW×2對(duì)旋風(fēng)機(jī)串聯(lián)，其最大出風(fēng)量為3 600 m3/min。風(fēng)筒直徑Φ2 200 mm，風(fēng)筒懸掛于頂板正中，與TBM上的風(fēng)筒儲(chǔ)存器連接。

6.5 施工總控制進(jìn)度

根據(jù)其它工程經(jīng)驗(yàn)，施工進(jìn)度指標(biāo)選擇見表1，施工工期安排見表2。

表1 施工進(jìn)度指標(biāo)表

表2 TBM結(jié)合鉆爆法施工方案工期安排表

TBM施工控制性工期主要包括TBM采購、運(yùn)輸；TBM組裝和調(diào)試；TBM掘進(jìn)；TBM拆卸和圓形隧道襯砌及退場等。

TBM設(shè)備采購招投標(biāo)及合同談判約3個(gè)月（暫不計(jì)入土建工期），TBM設(shè)備制造12個(gè)月，TBM設(shè)備安裝及調(diào)試2個(gè)月。

TBM自蒙大隧道出口進(jìn)洞，步進(jìn)通過鉆爆法施工段，工期6 d，TBM平均施工綜合月進(jìn)尺按437 m/月考慮，TBM掘進(jìn)施工期18個(gè)月，TBM拆卸1個(gè)月，圓形隧道襯砌施工3個(gè)月。

7 結(jié)語

（1）本工程土建工期36個(gè)月，設(shè)備購置就要大約12個(gè)月的時(shí)間，TBM設(shè)備安裝及調(diào)試2個(gè)月，TBM拆卸1個(gè)月，圓形隧道襯砌施工3個(gè)月，開敞式TBM純掘進(jìn)的工期僅為18個(gè)月，單臺(tái)TBM掘進(jìn)的距離僅為8 248 m，整個(gè)隧道仍需要布置6座總長為8 330 m的斜井，TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來，對(duì)整個(gè)工程的工期提前沒有貢獻(xiàn)。

（2）TBM及后配套設(shè)備一次性投資高（約2億元/臺(tái)），工期越短，施工段落越短，設(shè)備攤銷在工程造價(jià)中的比例就越高，采用掘進(jìn)機(jī)施工就越不經(jīng)濟(jì)。

（3）地下工程最大的風(fēng)險(xiǎn)就是地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，掘進(jìn)機(jī)在處理特別棘手的塌方、卡機(jī)等問題時(shí)常常借助于鉆爆工法，掘進(jìn)機(jī)處理地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的靈活性遠(yuǎn)低于常規(guī)鉆爆法施工，尤其對(duì)于工期較短的本工程，鉆爆法施工更具有優(yōu)勢。

綜上所述，掘進(jìn)機(jī)在本工程工期提前方面沒有起到作用，掘進(jìn)機(jī)施工方案不適合工期較短的工程。