孟慶紅，喬曉鋒，鐘 哲

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340;2.廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心，廣州 511340)

1 概述

TBM掘進(jìn)施工因其具有速度快、安全環(huán)保、成洞質(zhì)量好、綜合經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)大型輸水隧洞工程、鐵路隧道工程以及市政隧道工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。TBM除具有完備的掘進(jìn)功能外(開(kāi)挖、支護(hù)、出渣一整套隧洞施工工藝)，在某些特定工程，因工期策劃或解決特定地質(zhì)問(wèn)題需要TBM掘進(jìn)與鉆爆法配合進(jìn)行安全高效施工，如西康鐵路秦嶺隧道全長(zhǎng)18.45 km，其中Ⅰ號(hào)線隧道TBM掘進(jìn)10.3 km，鉆爆法開(kāi)挖8.15 km；西合鐵路桃花鋪1號(hào)隧道全長(zhǎng)7.23 km，其中TBM掘進(jìn)6.02 km、鉆爆法開(kāi)挖1.21 km[2]；本公司承建的廣西桂中治旱隧洞引水工程北干一標(biāo)TBM掘進(jìn)11.9 km，鉆爆法開(kāi)挖2.55 km等，在此情況下，TBM需要進(jìn)行空推步進(jìn)，即刀盤沒(méi)有工作，而盾體在前進(jìn)的一種推進(jìn)模式[3-4]。當(dāng)前對(duì)TBM空推步進(jìn)的研究多集中于不同步進(jìn)方式的分析，如齊志沖等[5]以引松工程為依托，介紹了平面滑板式步進(jìn)機(jī)的組成和步進(jìn)原理；鐘汶均等[6]以西藏龐多水利樞紐灌溉輸送隧洞為例，重點(diǎn)對(duì)洞內(nèi)組裝、油缸推進(jìn)+預(yù)埋鋼軌的滑軌式步進(jìn)施工進(jìn)行研究；陳大軍[7]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程為例，分別就TBM采用油缸推進(jìn)、弧形滑到步進(jìn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)、整體托架步進(jìn)兩種方式進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)TBM變洞徑空推步進(jìn)的研究較少。由于TBM掘進(jìn)和鉆爆法施工工藝不同，TBM管片洞徑與鉆爆法二襯洞徑往往尺寸不一，盾體空推施工時(shí)容易導(dǎo)致設(shè)備撐靴失效、承重輪偏離等施工安全問(wèn)題[8]。以往對(duì)于貫通面尺寸不一的TBM空推步進(jìn)施工，常在設(shè)備配套承重輪下加墊工字鋼以解決斷面高差問(wèn)題[9-10]，如此不僅降低了TBM設(shè)備的空推步進(jìn)效率，并且由于加墊型鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，盾體空推步進(jìn)施工過(guò)程中存在安全隱患。本文結(jié)合榕江關(guān)埠隧洞引水工程施工實(shí)例，詳細(xì)介紹了TBM變洞徑空推步進(jìn)施工的工藝原理、操作流程，分析施工過(guò)程中的注意事項(xiàng)，以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

榕江關(guān)埠隧洞引水工程是粵東三江水系連通工程的4個(gè)子項(xiàng)目之一，輸水隧洞全長(zhǎng)為27.055 km，采用雙護(hù)盾TBM法施工為主，鉆爆法為輔的施工工法，其中TBM掘進(jìn)24.588 km，鉆爆法開(kāi)挖2.467 km，隧洞埋深為130～200 m，沿線圍巖大部分為弱分化～微風(fēng)化花崗巖，圍巖堅(jiān)硬完整，巖石強(qiáng)度高(平均強(qiáng)度為130 MPa)。施工過(guò)程中，TBM掘進(jìn)第一段6.33 km貫通后，需要空推步進(jìn)1.036 km后進(jìn)行TBM二次始發(fā)掘進(jìn)，TBM隧洞開(kāi)挖直徑為5.06 m，隧洞開(kāi)挖完成后，采用拼裝預(yù)制六邊形鋼筋混凝土管片襯砌，管片厚為250 mm，成型后隧道洞徑為4.3 m(見(jiàn)圖1)，鉆爆段開(kāi)挖橫截面為6.26 m×6.26 m的城門洞型，采用C30混凝土進(jìn)行襯砌施工，襯砌后洞內(nèi)直徑為5.46 m(見(jiàn)圖2)。

圖1 TBM法隧洞斷面示意(單位：mm)

圖2 鉆爆法隧洞斷面示意(單位：mm)

3 TBM空推步進(jìn)面臨的技術(shù)難題和解決思路

3.1 面臨的技術(shù)難題

榕江關(guān)埠引水隧洞由于TBM法與鉆爆法施工工藝不同，導(dǎo)致洞徑尺寸有所差異，兩洞段的貫通面出現(xiàn)一定程度的高差，形成580 mm的臺(tái)階。該項(xiàng)目TBM設(shè)備配套的承重輪僅適用于4.3 m洞徑的隧洞，承重輪無(wú)法直接落在鉆爆法隧洞二襯混凝土工作面上，造成設(shè)備承重輪懸空，若按照常規(guī)方法，則需要重復(fù)在設(shè)備配套承重輪下加墊工字鋼以解決斷面高差問(wèn)題，這樣不僅大大降低了TBM設(shè)備的空推步進(jìn)效率，并且由于加墊型鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，TBM空推步進(jìn)施工過(guò)程中存在安全隱患。此外，由于TBM在空推步進(jìn)時(shí)不能通過(guò)撐靴撐緊圍巖提供反力使其向前步進(jìn)，通常情況下，需依靠管片提供反力支撐TBM空推步進(jìn)，但是空推段管片非永久性管片，存在TBM撐緊力不足，管片造價(jià)貴、體型大、拆卸復(fù)雜等弊端。

3.2 解決思路

為了解決上述施工技術(shù)難題，研發(fā)一種TBM變洞徑空推步進(jìn)技術(shù)，即將配套承重輪結(jié)構(gòu)改變，內(nèi)置可伸縮油缸，通過(guò)油缸伸縮以適應(yīng)隧洞斷面尺寸變化，并且利用預(yù)制仰拱塊代替拼裝管片提供推進(jìn)反力等措施，以克服鉆爆法施工后造成洞徑變大，撐靴失效、軌距偏離等施工技術(shù)難題。

4 TBM變洞徑空推步進(jìn)施工

4.1 液壓承重輪安裝施工

榕江關(guān)埠引水工程TBM掘進(jìn)第一段6.33 km隧洞與鉆爆段隧洞連通后，首先清理掌子面渣土以及刀盤內(nèi)外渣土，拆除刀盤上滾刀，TBM機(jī)向前推進(jìn)使刀盤坐落于空推段軌道上(見(jiàn)圖3)，待1#連接橋前轉(zhuǎn)向輪到達(dá)空推段后，進(jìn)行臨時(shí)支撐加固，并安裝1#連接橋液壓承重輪，隨后拆除臨時(shí)支撐，使承重輪坐落于空推段混凝土面圓弧上，TBM機(jī)繼續(xù)向前推進(jìn)，直至1#連接橋后轉(zhuǎn)向輪到達(dá)空推段處，完成后承重輪的安裝。隨后TBM機(jī)繼續(xù)向前推進(jìn)，待2#連接橋具有足夠空間位置后，進(jìn)行2#連接橋液壓承重輪的安裝，使承重輪坐落于混凝土面圓弧上(如圖4所示,紅色部份為加工制作)。

圖3 TBM空推段示意

圖4 承重輪安裝示意(單位：mm)

4.2 變洞徑液壓承重輪施工

由于TBM法與鉆爆法施工工藝不同，洞徑尺寸有所差異，導(dǎo)致兩洞段的貫通面出現(xiàn)一定程度的高差。在TBM變洞徑空推步進(jìn)施工過(guò)程中，當(dāng)盾體位于TBM法空推段時(shí)(洞徑Φ4.3 m)，液壓油缸伸出至適宜的位置，使承重輪坐落于空推段混凝土面圓弧上，通過(guò)液壓鎖固定承重輪，由輔推油缸驅(qū)動(dòng)盾體向前空推步進(jìn)；當(dāng)在TBM盾體處于鉆爆法空推段時(shí)(洞徑Φ5.46 m)，液壓油缸回收至合適位置，使承重輪坐落于二襯混凝土工作面上，同樣通過(guò)液壓鎖固定承重輪，輔推油缸驅(qū)動(dòng)盾體繼續(xù)向前空推步進(jìn)，完成TBM變洞徑空推步進(jìn)施工。液壓承重輪變洞徑施工示意見(jiàn)圖5。

TBM法空推段

鉆爆法空推段

4.3 預(yù)制仰拱塊施工

為解決TBM機(jī)在空推步進(jìn)時(shí)撐靴撐緊力不足等問(wèn)題，利用預(yù)制仰拱塊代替管片拼裝提供推進(jìn)反力，參考以往類似工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，設(shè)計(jì)制作仰拱預(yù)制管片[11]。預(yù)制仰拱塊采用鋼筋混凝土制作(見(jiàn)圖6)，仰拱塊配筋主筋采用HRB400級(jí)鋼筋，保護(hù)層厚度為50 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，設(shè)計(jì)外形尺寸2 000 mm×700 mm；預(yù)埋螺母采用聚酰胺材料,每片4顆；采用M22×135鋼螺栓，產(chǎn)品等級(jí)為C級(jí)，性能等級(jí)為8.8級(jí)。為方便預(yù)制塊吊裝及運(yùn)輸，在1#連接橋上焊接H100型鋼作為跑道，采用1.5 kW電動(dòng)葫蘆進(jìn)行垂直調(diào)運(yùn)及行走控制，該方法省時(shí)省力，顯著提高了施工效率(見(jiàn)圖7)。預(yù)制仰拱塊具有良好的穩(wěn)定性，完全滿足TBM空推步進(jìn)撐緊力的需要，并且工藝簡(jiǎn)單、制作成本低，顯著降低了TBM空推步進(jìn)的施工成本。

圖6 仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

圖7 預(yù)制塊吊裝安裝示意

4.4 TBM推力計(jì)算

1) 盾體所需推力計(jì)算

榕江關(guān)埠引水工程使用的TBM為中鐵裝備生產(chǎn)的CREC771型雙護(hù)盾式TBM，根據(jù)文獻(xiàn)9，其盾體部位的總重約為444.4 t，空推施工過(guò)程中在混凝土表面與盾體摩擦面間涂抹EP2(鋰基潤(rùn)滑脂)進(jìn)行潤(rùn)滑，以減小滑動(dòng)摩擦阻力。

盾體所需推力F1計(jì)算如下：

F1=μ×N×λ=444.4×0.6×1.2=319.68 t 。

其中：盾體總重N為444.4 t；摩擦系數(shù)μ取0.6；安全系數(shù)λ取1.2。

2) 油缸推力計(jì)算

TBM空推步進(jìn)采用油缸提供推力，并利用底部布設(shè)的預(yù)制仰拱塊提供反力向前推進(jìn)。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的《CREC771設(shè)備操作手冊(cè)》[12]可知推進(jìn)油缸的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)計(jì)算得到油缸推力F2。

油缸無(wú)桿腔面積：

推進(jìn)系統(tǒng)最大操作壓力35 MPa,單個(gè)油缸的最大推力Fd為：

Fd=PS=350×706.5=247.275 t 。

TBM空推步進(jìn)時(shí)在4#、5#、6#、7#4個(gè)油缸共同作用下，最大推力F2為：

F2=4Fd=4×247.275=989.1 t 。

綜上，對(duì)比可知F2>F1，說(shuō)明油缸推力可滿足TBM空推步進(jìn)的施工需求。

4.5 TBM空推步進(jìn)施工

TBM隧洞與鉆爆段隧洞連通后，利用調(diào)節(jié)液壓承重輪通過(guò)TBM法和鉆爆法臨界面，僅用底部4#、5#、6#、7#4組輔推油缸提供驅(qū)動(dòng)力，由仰拱預(yù)制塊提供盾體推進(jìn)所需的反力，具體施工步驟如下。

1) 當(dāng)TBM機(jī)到達(dá)預(yù)定位置后，回收底部4#、5#、6#、7#4組輔推油缸，使其底部滿足預(yù)制塊放置空間(預(yù)制塊寬度為700 mm，當(dāng)空間大于等于900 mm時(shí)，滿足放置條件)。

2) 采用葫蘆吊機(jī)將仰拱塊吊運(yùn)至指定位置，并放置穩(wěn)定。

3) 伸出輔推油缸，并使其頂緊預(yù)制塊，經(jīng)檢查確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后，逐步加大底部油缸壓力使設(shè)備向前移動(dòng)(當(dāng)?shù)撞坑透讐毫Φ竭_(dá)50 bar時(shí)，需停止對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)任何阻礙后繼續(xù)加大推力并全過(guò)程監(jiān)測(cè))。

4) 使用Ф25 mm鋼筋將仰拱塊吊筋連接(采用焊接方式)，增加受力整體性。

在空推步進(jìn)過(guò)程中，按照上述步驟1～3循環(huán)進(jìn)行，每循環(huán)步進(jìn)700 mm，仰拱塊間需用Ф25 mm的鋼筋連接成整體，施工中，應(yīng)對(duì)底部清理干凈，仰拱塊放置牢固，高程保持一致，軌道安裝孔位中心線在一條直線上，在仰拱塊吊運(yùn)過(guò)程中，應(yīng)多次檢查吊索具及起重設(shè)備，對(duì)不符合要求的相關(guān)部件及時(shí)更換，確保施工安全，TBM主機(jī)步進(jìn)后，后配套跟進(jìn)主機(jī)同步前進(jìn)，依序鋪設(shè)鋼枕梁、三角支腿和鋼軌，鋼軌鋪設(shè)為運(yùn)輸軌及后配套軌(如圖8所示)。

圖8 TBM空推步進(jìn)施工示意

4.6 應(yīng)用效果

榕江關(guān)埠引水工程T3隧洞段TBM空推步進(jìn)施工，采用TBM變洞徑空推技術(shù)后TBM空推步進(jìn)效率由原設(shè)計(jì)30 m/d提高至90 m/d，優(yōu)于國(guó)內(nèi)其他類似工程[13]，TBM空推段1.036 km施工工期共30 d，相較于原計(jì)劃共節(jié)約工期40 d。TBM空推步進(jìn)施工順利，施工期間未發(fā)生質(zhì)量安全事故，變洞徑空推步進(jìn)技術(shù)應(yīng)用效果較好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托工程施工實(shí)踐，對(duì)TBM變洞徑空推步進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)改變配套承重輪結(jié)構(gòu)，利用預(yù)制仰拱塊代替拼裝管片提供推進(jìn)反力等措施，解決了TBM變洞徑空推步進(jìn)撐靴失效、軌距偏離等技術(shù)難題。本技術(shù)優(yōu)化了TBM空推步進(jìn)施工工藝，解決了TBM變洞徑空推步進(jìn)效率低的施工技術(shù)難題，提高了TBM空推步進(jìn)施工的適用性，實(shí)現(xiàn)了TBM安全高效空推步進(jìn)施工。