廖悅 LIAO Yue

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司設(shè)計研究院分公司，天津 300300）

0 引言

盾構(gòu)（TBM）集掘進、支護、運輸于一體，能夠有效實現(xiàn)長大隧道施工的工廠化作業(yè)，是世界上最先進的大型綜合性隧道施工設(shè)備，代表著國際隧道施工技術(shù)的最高水平，相對于傳統(tǒng)的煤礦斜井施工方法，盾構(gòu)（TBM）施工煤礦斜井在安全、進度、質(zhì)量、效益及環(huán)保等多方面優(yōu)勢突顯[1]。神華集團開創(chuàng)了我國首次引入盾構(gòu)（TBM）法施工煤礦斜井的先河[2-5]，在盾構(gòu)（TBM）施工煤礦斜井方案研究中，盾構(gòu)（TBM）的斜向始發(fā)是重難點之一，與傳統(tǒng)盾構(gòu)（TBM）水平始發(fā)相比，由于坡度的影響，盾構(gòu)（TBM）的組裝方式、吊裝方式及始發(fā)狀態(tài)均有較大不同，安全風險更高，施工難度更大，可以說盾構(gòu)（TBM）的斜向始發(fā)是斜井盾構(gòu)（TBM）法施工成敗的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[6-7]。針對上述問題，本文基于神華新街臺格廟煤礦斜井工程特點，設(shè)計研究了兩種盾構(gòu)（TBM）組裝始發(fā)方案，并分析了方案的優(yōu)缺點，提出了盾構(gòu)（TBM）始發(fā)最優(yōu)方案。

1 工程概況

神華新街臺格廟礦區(qū)位于鄂爾多斯市境內(nèi)，地處高原荒漠～半荒漠地段，區(qū)內(nèi)大面積被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，人煙稀少。臺格廟礦主斜井坡度為-10.5%（6°下坡），長度為6553m，最大埋深688m，采用雙模式盾構(gòu)（具有土壓平衡盾構(gòu)和單護盾TBM兩種模式）工法施工，盾構(gòu)開挖直徑為7620mm，最小設(shè)計曲線半徑為500m，最大設(shè)計坡度為120‰。斜井設(shè)計內(nèi)徑6.6m，管片厚350mm，寬1500m。

斜井穿越地層由老至新發(fā)育有：侏羅系中統(tǒng)延安組（J1-2y）上段，侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z），安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh），第三系上新統(tǒng)（N2），第四系（Q4），地層巖性主要為砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖泥巖互層，局部附存含礫粗砂巖、泥巖破碎帶及煤層等，始發(fā)場地表層風積砂層厚度1～3m。

2 盾構(gòu)組裝始發(fā)方案對比分析

根據(jù)本標段始發(fā)場地條件，為保證復合盾構(gòu)的順利安裝、調(diào)試、始發(fā)，掘進機采用一次性整機始發(fā)，盾構(gòu)組裝場及始發(fā)站為采用明挖法開挖的U型槽結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)始發(fā)可采用掌子面組裝始發(fā)和地面組裝步進通過斜坡再始發(fā)方案。

2.1 掌子面組裝始發(fā)方案

根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)埋深經(jīng)驗要求，取始發(fā)井上覆土厚度為1倍洞徑，U型槽始發(fā)面開挖深度取2倍洞徑，取16m，由于底板厚度為0.9m，因此總開挖深度為16.9m。

在U型槽內(nèi)組織盾構(gòu)機的組裝、調(diào)試和始發(fā)，為確保作業(yè)安全，槽內(nèi)設(shè)盾構(gòu)主機安裝區(qū)及反力架安裝區(qū)，采用與斜井等坡度的縱坡設(shè)計；而設(shè)備橋及后配套安裝區(qū)，按照4‰坡設(shè)計，中間區(qū)域采用100m半徑的豎曲線進行縱坡過渡，如圖1所示。350t主吊機站于始發(fā)端頭進行主機吊裝施工，槽內(nèi)部署2臺40t的縱向走行龍門吊配合進行主機吊裝施工，龍門吊覆蓋整個U型槽盾構(gòu)組裝區(qū)，龍門吊基座按4‰坡設(shè)計。

圖1 始發(fā)站總體設(shè)計及布局

U型槽兩側(cè)均采用1:1.5～1:2的坡度進行放坡開挖。由于U型槽局部開挖深度較大，因此在距離放坡的中部設(shè)2m寬馬道，進行分臺階開挖。

盾構(gòu)始發(fā)端采用鉆孔灌注排樁進行開挖面結(jié)構(gòu)圍護。始發(fā)洞門內(nèi)徑比盾構(gòu)外徑稍大，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施作。洞門范圍內(nèi)排樁與盾構(gòu)刀盤面所形成的三角區(qū)采用噴射混凝土填平。

方案特點：①適用于盾構(gòu)組裝始發(fā)工期要求緊、地質(zhì)條件好、埋深淺的盾構(gòu)掘進施工。②盾構(gòu)始發(fā)時需反力架支撐，設(shè)置難度較大，工程造價高（底部結(jié)構(gòu)回填量大），易受降雨影響。

③設(shè)置盾構(gòu)主機組裝平臺，明槽開挖體量大。

④盾構(gòu)主機組裝需在端頭布置吊機，安全風險高。

2.2 地面組裝步進始發(fā)方案

明槽總開挖深度取為16.9m，盾構(gòu)及后配套在專門組裝場地組裝，組裝后主機和后配套分別步進到掌面進行連接調(diào)試及始發(fā)，相比城市地鐵的區(qū)間盾構(gòu)施工條件，煤礦斜井始發(fā)段坡度大，基座除受盾體重力作用外下滑力也是不容忽視，超長的盾體在明槽段步進完全不同于巖體內(nèi)的掘進施工，在沒有任何徑向約束力，使其在步進過程中穩(wěn)定性差，這給支撐反力體系和托架結(jié)構(gòu)的設(shè)計、步進方式的選擇和施工提出了極高的要求，本文提出了針對性解決方案。

明槽采用與斜井等坡度的縱坡設(shè)計，取-10.5%縱坡。邊坡根據(jù)不同挖深采用分級放坡形式，最深處即始發(fā)段處采用三級放坡，網(wǎng)噴支護，槽底橫寬11.2m，如圖2所示。明挖段與盾構(gòu)施工段接口處，采用C20素混凝土臨時封堵墻進行封堵，封堵墻后方采用水泥土回填，以滿足盾構(gòu)掘進施工要求。

圖2 明槽結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2.1 設(shè)備組裝與調(diào)試

掘進機經(jīng)工廠組裝、調(diào)試、驗收合格后，運輸至施工現(xiàn)場進行組裝。組裝場地位于沿斜井軸線方向，明槽施工場地外進行。掘進機后配套拖車組裝順序為從后往前依次連接，最后連接連接橋，采用150t汽車吊吊裝。主機組裝順序為中盾→前盾→刀盤→螺旋輸送機→管片拼裝機→尾盾，主機采用300t履帶吊和150t汽車吊機配合吊裝。最后連接液壓和電氣管路。

2.2.2 TBM步進與下落

盾構(gòu)步進及下落工藝流程如圖3。

圖3 TBM步進及下落工藝流程如圖

TBM在明槽外組裝調(diào)試后縱移步進到達始發(fā)位置，因無法像正常掘進時有管片提供反力，故此TBM需要借助外力來完成縱移步進。

主機步進時，設(shè)計由電動液壓泵站、爬行頂推油缸、夾軌器三部分組成的步進夾軌反力裝置，沿預先鋪設(shè)導軌進行步進施工，該裝置在提供盾構(gòu)步進所需的推力的同時能提供反向拉力，具備防盾構(gòu)下滑的能力，確保大坡度條件下盾構(gòu)步進安全。步進夾軌反力裝置構(gòu)造如圖4所示。

圖4 步進夾軌反力裝置構(gòu)造圖（單位：mm）

盾構(gòu)步進到始發(fā)位置，設(shè)計盾構(gòu)下落反力裝置有效確保盾構(gòu)在斜井條件下安全下落，該裝置由箱梁、箱梁橫撐、箱梁斜撐、圓支撐、盾體頂升支撐、頂升油缸、盾體支承及頂升支撐座等構(gòu)成，盾構(gòu)下落通過逐節(jié)拆卸盾構(gòu)下落頂升圓支承座及盾構(gòu)圓支座實現(xiàn)，在斜坡條件下，通過中間箱梁橫撐與箱梁斜撐確保整個下落支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。

2.2.3 盾構(gòu)始發(fā)

盾構(gòu)機步機到始發(fā)位置并調(diào)試完成后，通過反力架及負環(huán)管片提供始發(fā)反力。負環(huán)管片采用錯縫拼裝，并設(shè)置鋼板及鋼絲繩捆緊，防止變形。

方案特點：①適用于地質(zhì)條件較差、盾構(gòu)組裝始發(fā)工期有保障的盾構(gòu)掘進工程。②該方案解決了明槽結(jié)構(gòu)內(nèi)小空間、大直徑、大自重的盾構(gòu)主機在大坡度條件下的步進施工。③可實現(xiàn)盾構(gòu)主機的快速步進，連續(xù)、機械化作業(yè)，該步進反力系統(tǒng)考慮了下坡重力影響，在提供盾構(gòu)主機步進推力的同時可提供對盾構(gòu)主機的拉力，防止突然啟動的下滑失控，確保步進安全。④大坡度條件下盾構(gòu)步進施工安全可靠，且施工速度快。

2.3 對比分析

對于兩種盾構(gòu)組裝及始發(fā)方案，如表1所示。

表1 兩種盾構(gòu)組裝及始發(fā)方案比較

通過對兩種方案的安全性、適用條件、總體工程量、施工難度及工程成本綜合分析，針對斜井盾構(gòu)組裝及始發(fā)，建議采用地面組裝步進通過斜坡再始發(fā)方案，施工成本低、難度小、安全有保障。

3 結(jié)論

相比城市地鐵的區(qū)間盾構(gòu)施工條件，煤礦斜井始發(fā)段坡度大，盾構(gòu)組裝及始發(fā)難度大，也是煤礦斜井盾構(gòu)法施工成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文針對性的設(shè)計了兩種盾構(gòu)組裝始發(fā)方案，分析了兩種方案的特點，通過對兩種方案的安全性、適用條件、總體工程量、施工難度及工程成本綜合分析，建議大超度條件下斜井盾構(gòu)組裝及始發(fā)采用地面組裝步進通過斜坡再始發(fā)方案，施工成本低、難度小、安全有保障。