尹建超
(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司,長(zhǎng)沙 410100)
長(zhǎng)期以來(lái),敞開(kāi)式TBM施工具有掘進(jìn)速度快、施工工期短、作業(yè)環(huán)境好、對(duì)生態(tài)環(huán)境友好和綜合效益高等優(yōu)點(diǎn),成為國(guó)內(nèi)外隧道施工方法的重要選擇[1]。2014年12月27日,擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大直徑全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(敞開(kāi)式TBM),在湖南長(zhǎng)沙中國(guó)鐵建重工集團(tuán)總裝車(chē)間順利下線(xiàn)。開(kāi)啟了敞開(kāi)式TBM國(guó)產(chǎn)化的新紀(jì)元。
新疆EH引水工程總長(zhǎng)540 km,隧洞占總長(zhǎng)度的95.6%,均為深埋超特長(zhǎng)隧洞,其中KS隧洞是目前世界上已建和在建的最長(zhǎng)輸水隧洞[2]。該隧洞工程采用18臺(tái)敞開(kāi)式TBM進(jìn)行施工,自2017年首臺(tái)設(shè)備始發(fā)以來(lái),已完成260 km以上里程掘進(jìn)??傮w發(fā)揮穩(wěn)定。
TBM3-1標(biāo)段在掘進(jìn)過(guò)程中揭露Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖占比高,完整性差、裂隙密集發(fā)育、片理化強(qiáng)烈,撐靴部位圍巖軟弱破碎,無(wú)法提供反支撐力。
TBM采用HW150鋼拱架+拱頂120°鋼筋排的支護(hù)形式,拱架排距最小僅500 mm,撐靴位置支模澆筑早強(qiáng)混凝土,等強(qiáng)后再掘進(jìn)。支護(hù)工作量大,人員勞動(dòng)強(qiáng)度高,作業(yè)安全無(wú)法保障,月平均進(jìn)尺不足50 m。
由于不能連續(xù)掘、支作業(yè),刀盤(pán)、護(hù)盾卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大,遇到嚴(yán)重卡機(jī)時(shí),護(hù)盾后方需擴(kuò)挖管棚作業(yè)間,向塌方區(qū)施作超前管棚,并進(jìn)行頂部240°范圍高強(qiáng)注漿加固,單次支護(hù)范圍約20 m,工期1個(gè)月。
第二標(biāo)段地質(zhì)情況更加復(fù)雜多變,初始1.5 km即為Ⅳ、Ⅴ炭質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)粉砂巖地層,完整程度極差,遇水軟化嚴(yán)重,成為整個(gè)工程的卡脖子標(biāo)段。
敞開(kāi)式TBM采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式繼續(xù)施工已不能滿(mǎn)足該項(xiàng)目施工進(jìn)度要求,支護(hù)方式亟待改進(jìn)。
鋼管片支護(hù),具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、拆裝便捷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn),相比于混凝土管片優(yōu)勢(shì)明顯,在盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)站通道、聯(lián)絡(luò)通道和轉(zhuǎn)彎段支護(hù)等應(yīng)用較為廣泛,中國(guó)臺(tái)灣地鐵隧道(中國(guó)臺(tái)北)使用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工,其中小轉(zhuǎn)彎段使用了鋼管片支護(hù)。
作為局部承壓隧道使用較少,典型應(yīng)用案例為深圳軌道交通L9大鹿區(qū)間切樁下穿建筑物群樁工程。該工程按照“在考慮作用于隧道上的房屋荷載作用時(shí),當(dāng)上部建筑的樁基礎(chǔ)進(jìn)入承載拱內(nèi)時(shí),扣除該部分樁長(zhǎng)后,未能滿(mǎn)足樁基承載力要求,余下載荷應(yīng)考慮由隧道管片結(jié)構(gòu)承擔(dān)”這一原則計(jì)算樁端荷載,普通混凝土管片無(wú)法滿(mǎn)足受力要求。因此,采用鋼管片支護(hù)并取得了成功。
在國(guó)內(nèi),敞開(kāi)式TBM尚未有鋼管片支護(hù)形式的施工案例,部分研究機(jī)構(gòu)提出過(guò)相關(guān)概念,但受限于研發(fā)技術(shù)水平,遲遲無(wú)法實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。
在國(guó)外,此技術(shù)有過(guò)初期探索,日本東海北陸汽車(chē)道的飛彈隧道項(xiàng)目合河—白川區(qū)間,采用1臺(tái)12.84 m敞開(kāi)式TBM施工,曾進(jìn)行過(guò)相關(guān)技術(shù)的研究。2004年3月,該設(shè)備最大月掘進(jìn)尺達(dá)到249.6 m,2004年6月,月進(jìn)尺114 m,掘進(jìn)效率低下,未達(dá)到預(yù)期預(yù)期效果。
因此,綜合國(guó)內(nèi)外鋼管片應(yīng)用情況,采用鋼管片支護(hù)可滿(mǎn)足KSTBM3項(xiàng)目施工實(shí)際要求,敞開(kāi)式TBM鋼管片支護(hù)技術(shù)雖有過(guò)前期探索,但技術(shù)并不成熟,需進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。
由于KSTBM3項(xiàng)目為已有設(shè)備的基礎(chǔ)上完成鋼管片支護(hù)功能的改造,難度較大,鋼管片需在刀盤(pán)最大開(kāi)挖直徑范圍內(nèi)設(shè)計(jì),還需考慮舊設(shè)備整機(jī)的通過(guò)性,鋼管片分塊運(yùn)輸、承載能力、壁后回填等相關(guān)因素。
TBM通過(guò)刀盤(pán)墊塊的形式,最大擴(kuò)挖100 mm,開(kāi)挖直徑最大可達(dá)7.13 m,考慮到刀具磨損、護(hù)盾厚度、盾尾間隙相關(guān)因素,鋼管片外徑不能大于6 940 mm。
為避免TBM主機(jī)、后配套大范圍的改造,對(duì)主機(jī)最寬的撐靴位置與后配套2#臺(tái)車(chē)進(jìn)行通過(guò)最小斷面模擬,由于鋼管片拼裝基本上無(wú)圍巖收斂情況,因此,安全間隙按150 mm考慮,主機(jī)通過(guò)需要的最小直徑為6 536 mm,后配套通過(guò)的最小直徑為6 500 mm,因此,選擇鋼管片內(nèi)徑按6 540 mm,如圖1和圖2所示。
圖1 TBM主機(jī)撐靴位置通過(guò)模擬(單位:mm)
圖2 TBM后配套臺(tái)車(chē)通過(guò)模擬(單位:mm)
由以上鋼管片內(nèi)、外徑尺寸確認(rèn),鋼管片厚度200 mm,參考中國(guó)臺(tái)灣地鐵隧道鋼管片設(shè)計(jì),厚度也為200 mm,管片直徑接近,強(qiáng)度校核通過(guò)后可以使用。
敞開(kāi)式TBM護(hù)盾為6分塊結(jié)構(gòu),每塊護(hù)盾均增加導(dǎo)向座以承載輔助推進(jìn)油缸的頂推力,并傳遞至刀盤(pán),油缸頂推位置非均勻布置。
如圖3所示,根據(jù)油缸布置特點(diǎn)設(shè)計(jì)鋼管片分塊,采用6塊設(shè)計(jì),分A、B、C、K 4種分塊,4種鋼管片分塊角度分別為72°、54°、54°和36°,連接螺栓孔按18°均布,鋼管片左、右旋轉(zhuǎn)18°倍數(shù)連接螺栓均能正常安裝。
圖3 鋼管片分塊與連接螺栓布置
根據(jù)分塊特點(diǎn),對(duì)鋼管片進(jìn)行18°倍數(shù)旋轉(zhuǎn)模擬,確認(rèn)鋼管片左、右旋轉(zhuǎn)36°時(shí),輔推油缸均可全部頂推至鋼管片端面,避開(kāi)拼接縫位置。
原敞開(kāi)式TBM錨桿鉆機(jī)、鋼拱架拼裝機(jī)前后移動(dòng)行程1.8 m,若拼裝鋼管片,則需加長(zhǎng)護(hù)盾,鋼管片在護(hù)盾內(nèi)部拼裝,且預(yù)留K塊安裝空間,因此,TBM鋼管片環(huán)寬不得大于1 m,本工程鋼管片環(huán)寬設(shè)計(jì)0.9 m。
鋼管片結(jié)構(gòu)與混凝土管片不同,單一地使用吊裝孔作為注漿口,無(wú)法滿(mǎn)足豆粒石、單液漿、雙液漿和細(xì)石混凝土等多種回填材料的注入需求,因此,每塊鋼管片均預(yù)留不少于3個(gè)注漿孔,可匹配多種復(fù)雜的施工工藝。
綜合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼管片拼裝各工況分析,模擬開(kāi)挖后管片壁后注漿前及注漿后圍巖松散體直接作用在鋼管片,根據(jù)TBM一標(biāo)段反饋數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)拱頂發(fā)生塌腔為7~7.5 m?,F(xiàn)計(jì)算采用拱頂塌方高度為15 m,松散體直接作用于鋼管片。
經(jīng)計(jì)算,鋼管片鋼材采用Q235B,總厚度200 mm,鋼板及肋板厚30 mm,詳見(jiàn)表1,在支護(hù)初期可以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。
表1 鋼管片結(jié)構(gòu)受力結(jié)果匯總
同時(shí),鋼管片內(nèi)徑滿(mǎn)足TBM主機(jī)及后配套系統(tǒng)順利通過(guò)要求。即實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)掘進(jìn),又能盡量減少開(kāi)挖量,降低施工造價(jià)。
針對(duì)該工程特殊需求,創(chuàng)新性地研發(fā)出了一款敞開(kāi)式/單護(hù)盾雙模式多功能TBM,該設(shè)備由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā),在保留傳統(tǒng)敞開(kāi)式TBM錨網(wǎng)噴支護(hù)方式所有功能的前提下,創(chuàng)新地融入了單護(hù)盾TBM管片支護(hù)施工工藝,真正實(shí)現(xiàn)了噴錨支護(hù)與管片支護(hù)模式的在線(xiàn)快速切換。
除導(dǎo)向座與輔助推進(jìn)系統(tǒng)外,TBM護(hù)盾扔保留6分塊伸縮功能,在敞開(kāi)式模式掘進(jìn)過(guò)程中貼緊洞壁,保持穩(wěn)定。單護(hù)盾模式下,通過(guò)機(jī)械限位固定直徑,保證鋼管片拼裝空間。底護(hù)盾設(shè)置頂升油缸,刀盤(pán)擴(kuò)挖時(shí)可調(diào)整主驅(qū)動(dòng)圓心,避免底部超挖,如圖4所示。
圖4 護(hù)盾結(jié)構(gòu)圖
TBM護(hù)盾通過(guò)推進(jìn)油缸分組可實(shí)現(xiàn)小范圍調(diào)向,但由于主機(jī)為主梁式結(jié)構(gòu),前部調(diào)向范圍有限,且無(wú)法糾滾,因此,解決調(diào)向、糾滾問(wèn)題是本項(xiàng)目改用鋼管片支護(hù)的技術(shù)關(guān)鍵。
對(duì)此鐵建重工對(duì)TBM支撐推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn),如圖5所示,首先,增加鞍架支腿與底部弧板,TBM掘進(jìn)時(shí),支腿伸出,TBM主撐靴不撐緊隧洞壁,主梁與鞍架之間仍能相對(duì)滑動(dòng),實(shí)現(xiàn)正常掘進(jìn)。
圖5 鞍架支腿
TBM掘進(jìn)過(guò)程中2根鞍架支腿同時(shí)伸縮可實(shí)現(xiàn)TBM抬頭、低頭動(dòng)作,左右鞍架支腿反向動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)糾滾動(dòng)作?;“迮c支腿之間通過(guò)油缸橫向滑移,可實(shí)現(xiàn)TBM大范圍左右調(diào)向。
底部弧板采用高強(qiáng)度橡膠接觸鋼管片,避免壓壞鋼管片的同時(shí),可通過(guò)鞍架位置的主機(jī)重力產(chǎn)生較大的摩擦力,起到防扭轉(zhuǎn)作用。設(shè)計(jì)輔助撐靴,用于惡劣工況下需提供更大的推力及反扭矩使用。
升級(jí)原鋼拱架拼裝機(jī),拼裝環(huán)與撐緊環(huán)合而為一,滿(mǎn)足鋼拱架、鋼瓦片、格柵拱架等多種輕型支護(hù)材料的拼裝需求。另外,在回轉(zhuǎn)環(huán)上安裝成熟的管片抓舉、拼裝機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)重載管片安裝。
本項(xiàng)目TBM鋼管片與隧洞壁間隙僅80~95 mm,狹小空間注漿難度進(jìn)一步增大,在TBM范圍內(nèi)不增加臺(tái)車(chē)的前提下,設(shè)置雙液漿、單液漿、細(xì)石混凝土和豆粒石等多種注漿回填方式,以應(yīng)對(duì)串漿、隔水、提高回填率和塌腔回填等各類(lèi)問(wèn)題,保障設(shè)備連續(xù)掘進(jìn)。
依托新疆某引水程施工線(xiàn)路長(zhǎng)、地質(zhì)復(fù)雜多變的特點(diǎn),對(duì)TBM3標(biāo)段進(jìn)行針對(duì)性地設(shè)備升級(jí)改進(jìn),研制出的敞開(kāi)式/單護(hù)盾雙模式多功能TBM,充分發(fā)揮了2種TBM各自的施工特點(diǎn),自2021年7月開(kāi)始以單護(hù)盾模式掘進(jìn),首個(gè)完整月進(jìn)尺即達(dá)到280 m,至2021年12月中旬已完成標(biāo)段1.5 km破碎帶施工,平均月進(jìn)尺超過(guò)300 m,最高月進(jìn)尺達(dá)到350 m以上,獲得成功。成為國(guó)產(chǎn)首臺(tái)敞開(kāi)式TBM鋼管片支護(hù)的典型應(yīng)用案例,在行業(yè)內(nèi)遙遙領(lǐng)先。
該項(xiàng)目的成功應(yīng)用,進(jìn)一步發(fā)揮了TBM安全、高效特點(diǎn),使敞開(kāi)式TBM的應(yīng)用范圍更廣,也標(biāo)志著敞開(kāi)式TBM在長(zhǎng)距離連續(xù)破碎地層穩(wěn)步掘進(jìn)成為可能。隨著國(guó)內(nèi)外眾多復(fù)雜地層的重大工程的開(kāi)啟,多模式TBM必將成為施工首選,該領(lǐng)域的突破,也必然將引領(lǐng)TBM施工的新方向。