西秦嶺隧道TBM掘進(jìn)步進(jìn)施工技術(shù)

李南川

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

西秦嶺特長隧道全長28 236 m，其中左線掘進(jìn)總長度為12 934 m，為國內(nèi)鐵路界最長的TBM施工隧道。TBM掘進(jìn)施工包含TBM組裝、步進(jìn)、始發(fā)掘進(jìn)、正常掘進(jìn)、貫通掘進(jìn)等工序［1］。西秦嶺隧道的施工則包含3個步進(jìn)段(包括TBM掘進(jìn)最終貫通以后將步進(jìn)至TBM拆卸洞)和2個掘進(jìn)段作業(yè)。而TBM第2個步進(jìn)段所需設(shè)備在洞內(nèi)安裝難度大，作業(yè)空間小等技術(shù)難題都將是施工難點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］介紹了TBM步進(jìn)速度對工程建設(shè)進(jìn)度的影響;文獻(xiàn)［3］通過介紹油缸推進(jìn)、弧形滑道步進(jìn)與電機(jī)驅(qū)動、整體托架步進(jìn)這幾種步進(jìn)方法的技術(shù)特點(diǎn)、控制重點(diǎn)和詳細(xì)的施工方法并對各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比對，提出TBM經(jīng)過鉆爆施工段的步進(jìn)方案;文獻(xiàn)［4］以西秦嶺隧道為工程實(shí)例，從施工進(jìn)度、弧面質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行方案比選，最終選擇了TBM弧形步進(jìn)滑槽的快速施工方法;文獻(xiàn)［5］分析了TBM步進(jìn)對隧道施工工期的影響;文獻(xiàn)［6］闡述了仰拱塊供應(yīng)對TBM步進(jìn)的影響，并提出提高仰拱塊生產(chǎn)效率的一系列先進(jìn)施工技術(shù);文獻(xiàn)［7］以蘭渝鐵路西秦嶺隧道為例，介紹了TBM步進(jìn)模式以及狹小場地內(nèi)TBM快速組裝、調(diào)試技術(shù)。TBM隧道內(nèi)二次步進(jìn)在國內(nèi)尚無先例，步進(jìn)設(shè)備運(yùn)輸以及隧道內(nèi)安裝是施工難點(diǎn)。本文以蘭渝鐵路西秦嶺隧道為例，分析TBM隧道內(nèi)二次步進(jìn)施工及技術(shù)難題，并闡述提高TBM步進(jìn)效率的施工方法。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程XQLS2標(biāo)位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)。西秦嶺特長隧道全長28.236 km(DIK395+116～DIK423+352)，為左右線分設(shè)的2條單線隧道，隧道最大埋深約1 400 m。隧道界限時速200 km客貨共線設(shè)計。

本隧道采用鉆爆法與TBM掘進(jìn)聯(lián)合施工，其中隧道出口在圍巖好的地段分2段采用φ10.23 m TBM掘進(jìn)施工:第1段長5 594 m(DIK421+239～DIK415+645)，第2段長7 340m(DIK410+930～DIL403+590)，其余地段均采用鉆爆法施工。本隧道施工工期非常緊張，線下工程總工期為61.5月。為使工程能按時順利竣工，TBM的步進(jìn)與掘進(jìn)都是項(xiàng)目的關(guān)鍵性工序。

2 TBM步進(jìn)原理及施工工序

2.1 TBM步進(jìn)原理

由于TBM主機(jī)與弧形鋼板的摩擦因數(shù)小于弧形鋼板與混凝土面的摩擦因數(shù)，當(dāng)推進(jìn)油缸時，TBM主機(jī)會在弧形鋼板上向前滑行，滑行支撐架與撐靴在導(dǎo)向筒上向前滑行。步進(jìn)推進(jìn)油缸與推進(jìn)油缸同時伸長1.8m后，舉升油缸舉升TBM主機(jī)，后支撐支腿伸長至下部巖壁，舉升滑行支架，步進(jìn)推進(jìn)油缸收縮牽引弧形鋼板前行1.8 m，推進(jìn)油缸收縮牽引撐靴和滑行支撐架前行1.8 m后，收縮舉升油缸和后支撐支腿，完成1個步進(jìn)循環(huán)。

1)刀盤與鋼板的摩擦力

式中:F1為滑動摩擦力;μ為滑動摩擦力因數(shù)，有潤滑時為0.1～0.12，無潤滑時取0.15;N 為接觸面的正壓力，TBM主機(jī)質(zhì)量為800t，重力加速度為10g/m2。

將數(shù)值代入式(1)，得:

2)鋼板與混凝土地面之間的摩擦力

式中:F2為靜摩擦力;μ為摩擦力因數(shù)，取0.2～0.3;N為接觸面的正壓力，TBM主機(jī)質(zhì)量為800 t，重力加速度為10 g/m2;n為鋼板的尺寸，7 688.5 mm×6 038 mm ×70 mm; ρ為鋼板的密度，取7.85 g/cm3。

將各值代入式(2)，得:

由式(1)和式(2)可知:鋼板與混凝土地面的摩擦力大于TBM主機(jī)與弧形鋼板的摩擦力，故能夠滿足步進(jìn)時提供的反推力的要求。

2.2 TBM步進(jìn)施工工序

施工準(zhǔn)備—弧形滑道施工—弧形鋼板就位—TBM組裝調(diào)試—滑行支撐架安裝—步進(jìn)推進(jìn)油缸與弧形鋼板連接—步進(jìn)推進(jìn)油缸、主機(jī)推進(jìn)油缸伸長推進(jìn)TBM前進(jìn)1.8 m—舉升油缸舉升TBM主機(jī)、后支撐支腿伸長—步進(jìn)推進(jìn)油缸收縮牽引弧形鋼板前進(jìn)1.8 m、主機(jī)推進(jìn)油缸收縮牽滑行支撐架前進(jìn)1.8 m—舉升油缸收縮、后支撐支腿收縮—下一個換步循環(huán)［3］。

3 TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)安裝

3.1 弧形鋼板

主機(jī)下弧形鋼板采用70 mm厚鋼板加工，尺寸為7 688.5 mm ×6 038 mm ×70 mm(長 ×寬 × 厚)，以半徑5 115 mm彎成弧形。

3.2 滑行支撐架安裝

TBM步進(jìn)時撐靴都已收回，在撐靴下安裝1個滑行支撐架，用于支撐TBM主機(jī)及支撐靴?；兄渭茉赥BM組裝時一起安裝完成，當(dāng)TBM步進(jìn)時滑行支架向前滑行?；兄渭馨惭b如圖1所示。

圖1 滑行支撐架安裝Fig.1 Installation of sliding supporting frame

3.3 舉升油缸安裝

在護(hù)盾兩側(cè)對應(yīng)的位置焊接舉升受力鋼板，如圖2所示。

圖2 舉升油缸安裝Fig.2 Installation of lifting cylinder

3.4 步進(jìn)推進(jìn)油缸安裝

步進(jìn)推進(jìn)油缸共4組，每側(cè)2組。步進(jìn)推進(jìn)油缸前部與護(hù)盾連接，后側(cè)與弧形鋼板連接，步進(jìn)推進(jìn)油缸推力2 000 kN，行程1.8 m，具體見圖3。

圖3 步進(jìn)推進(jìn)油缸安裝Fig.3 Installation of stepping thrust cylinder

4 TBM步進(jìn)

準(zhǔn)備工作完成后，TBM步進(jìn)開始。TBM主機(jī)通過2組4根TBM步進(jìn)推進(jìn)油缸(2 000 kN×4，行程1.8 m)伸長推進(jìn)TBM主機(jī)向前行進(jìn)，TBM步進(jìn)推進(jìn)油缸伸長的同時，主機(jī)推進(jìn)油缸一同伸長，具體如圖4所示。

圖4 步進(jìn)推進(jìn)油缸伸長將主機(jī)向前推移1.8 mFig.4 TBM moving forward for 1.8m due to extension of stepping thrust cylinder

步進(jìn)推進(jìn)油缸伸展1.8 m后，用設(shè)在TBM主機(jī)護(hù)盾下方的2組舉升油缸(每組3根1 500 kN油缸)把主機(jī)進(jìn)行舉升，舉升油缸將TBM護(hù)盾提升3～4 cm，具體如圖5所示，后支撐伸長至下部巖壁，舉升滑行支架。

圖5 舉升油缸將主機(jī)抬起Fig.5 Lifting of TBM by lifting cylinder

TBM主機(jī)被舉升后，通過TBM步進(jìn)推進(jìn)油缸(2 000 kN×4，行程1.8 m)收縮帶動弧形鋼板前行，同時主機(jī)推進(jìn)油缸收縮，后配套牽引油缸伸長，帶動滑行支撐架前行。步進(jìn)油缸收縮完成后，舉升油缸和后支撐支腿收縮，把TBM主機(jī)放置在弧形鋼板上及滑行支架放置在下部混凝土面上，完成一個步進(jìn)循環(huán)，具體如圖6所示。

圖6 舉升油缸與步進(jìn)推進(jìn)油缸復(fù)位Fig.6 Reposition of lifting cylinder and stepping thrust cylinder

5 TBM掘進(jìn)后再步進(jìn)中技術(shù)難題的解決

5.1 TBM滑行支撐架位置確定

蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM掘進(jìn)施工第1階段貫通點(diǎn)里程為DIK415+645，由于TBM掘進(jìn)斷面為圓形，而TBM步進(jìn)所需安裝的結(jié)構(gòu)件中的滑行支撐架必須放置在混凝土平面上?；兄渭馨惭b示意圖如圖7所示。

圖7 滑行支撐架安裝示意圖Fig.7 Sketch of installation of sliding supporting frame

5.1.1 施工方案

為使滑行支撐架能夠順利進(jìn)行安裝，提出2個討論方案。

1)方案1。將滑行支撐架的安裝位置至第1階段貫通點(diǎn)處的圍巖進(jìn)行開挖，使之能滿足滑行支撐架的安裝及步進(jìn)要求。

2)方案2。將TBM繼續(xù)向前移動，直至將滑行支撐架的安裝位置(水平支撐靴)移動至第1階段貫通點(diǎn)位置。TBM在貫通以后，還可以繼續(xù)向前掘進(jìn)，當(dāng)撐靴移動到貫通點(diǎn)位置時，由于撐靴油缸行程的關(guān)系，撐靴已經(jīng)不能再抵達(dá)巖壁，此時TBM則不能繼續(xù)向前移動。當(dāng)TBM到達(dá)這個位置時，依然沒有足夠的空間進(jìn)行滑行支撐架的安裝。

5.1.2 方案比選

若采用方案1，則需要進(jìn)行開挖的隧道縱向距離約為4.6 m(撐靴的寬度2.6 m+滑行支撐架超出撐靴后的長度3.8 m－撐靴換步前移距離1.8 m)。也就是說，采用方案1就需要在隧道兩側(cè)起拱線位置往下部分進(jìn)行人工開挖，開挖的距離至少4.6 m，開挖方量約為36 m3。此方案工程量太大，且施工難度大。

若采用方案2，則需要將TBM向前移動至少4.6 m。因此，考慮依舊使用撐靴將TBM橋架部分抬起，模擬正常掘進(jìn)的方法使TBM向前移動。

經(jīng)過多方面考慮以及可行性分析，最終采用方案2進(jìn)行施工。

5.1.3 方案2施工方法

1)將TBM正常掘進(jìn)直至撐靴抵達(dá)貫通點(diǎn)位置。

2)將后支撐落地，支撐起TBM的質(zhì)量。

3)收回?fù)窝ビ透?，使撐靴離開巖面后進(jìn)行正常換步，向前移動撐靴1.8 m。

4)將撐靴油缸對稱伸出，控制伸出量，當(dāng)油缸行程還剩15 cm時，停止伸出。

5)在撐靴支撐范圍內(nèi)鋪設(shè)大量方木，方木沿隧道縱向進(jìn)行鋪設(shè)，鋪設(shè)時盡量塞緊。

6)方木鋪設(shè)完畢后，開始伸出撐靴油缸，當(dāng)撐靴油缸壓力上升至8 MPa左右時，改用高壓伸出，然后觀察撐靴油缸的行程及壓力變化。若壓力達(dá)到28 MPa同時油缸行程仍有余量且穩(wěn)定不變后，則開始進(jìn)行第7)步。若有一項(xiàng)不符合，則收回?fù)窝ビ透?，重新?)開始。

7)將刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)至1 r/min左右(刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整是為了減小啟動刀盤時撐靴受到扭矩，避免造成撐靴下滑)，啟動皮帶機(jī)(轉(zhuǎn)動刀盤的必要條件)，轉(zhuǎn)動刀盤(若不進(jìn)行此項(xiàng)操作，TBM高壓推進(jìn)無法實(shí)現(xiàn)，則不能推動TBM前進(jìn))。

8)待刀盤驅(qū)動電機(jī)電流穩(wěn)定且刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，觀察撐靴油缸壓力及行程情況，若無異常則進(jìn)行9)，若有異常，與6)相同處理。

9)緩緩收起后支撐，若無異常，將推進(jìn)油缸的流量控制調(diào)整為30%左右，伸出推進(jìn)油缸，使TBM向前移動。若有異常，立即落下后支撐，停止前進(jìn)，觀察情況后再進(jìn)行施工。

經(jīng)過3個循環(huán)的模擬掘進(jìn)，TBM順利抵達(dá)指定位置。此方案在施工中用時14 h，為TBM步進(jìn)構(gòu)件安裝提供了空間與時間保障。

5.2 弧形鋼板的焊接拼裝

弧形鋼板是TBM步進(jìn)不可或缺的重要結(jié)構(gòu)件之一。在第1次步進(jìn)結(jié)束時，由于其外形體積太大，不能運(yùn)出隧道外，不得不被分割成幾個小塊。在第1階段貫通前，為節(jié)省時間和拼裝難度，將大部分運(yùn)至斜井鉆爆段進(jìn)行提前拼裝焊接。此次焊接任務(wù)精度要求高，焊接質(zhì)量要求高且焊接量大，是TBM二次步進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵工序。項(xiàng)目部抽調(diào)電焊精英進(jìn)行焊接，質(zhì)量上嚴(yán)格把關(guān)，歷時10 d圓滿完成焊接任務(wù)，最終通過了TBM步進(jìn)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

5.3 滑動支撐架的運(yùn)輸及安裝

蘭渝鐵路西秦嶺隧道所使用的TBM直徑為10.23m，步進(jìn)所需滑動支撐架體積大、質(zhì)量大，安裝空間狹小，使得該結(jié)構(gòu)件的運(yùn)輸以及安裝難度都非常大。

為不影響隧道內(nèi)其他工序的正常施工，TBM步進(jìn)所需結(jié)構(gòu)件的運(yùn)輸時間、運(yùn)輸順序都必須經(jīng)過反復(fù)研究，由分管運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度室進(jìn)行全線協(xié)調(diào)，重點(diǎn)督促，使得這些超寬、超高、超重結(jié)構(gòu)件按從下到上、從前到后的順序運(yùn)輸進(jìn)入TBM，依次進(jìn)行安裝，保質(zhì)保量地完成滑動支撐架的運(yùn)輸及安裝。

6 TBM步進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)及效果

6.1 TBM二次步進(jìn)仰拱塊運(yùn)輸方案調(diào)整

由于二次步進(jìn)的最小運(yùn)輸距離為7 800 m(剛開始步進(jìn)時)，隨著TBM不斷向前步進(jìn)，運(yùn)輸距離逐漸加大，加之項(xiàng)目部所配置的運(yùn)輸設(shè)備是按照正常掘進(jìn)考慮，只配備了12臺仰拱塊運(yùn)輸車，TBM步進(jìn)速度遠(yuǎn)高于正常掘進(jìn)速度;因此，仰拱塊的運(yùn)輸問題成了制約TBM正常步進(jìn)的關(guān)鍵因素。為使TBM能夠加快步進(jìn)速度，經(jīng)過多次試驗(yàn)，現(xiàn)將原有的6臺運(yùn)輸噴漿料的平板車加入運(yùn)輸編組，每臺內(nèi)燃機(jī)車掛設(shè)4臺仰拱塊運(yùn)輸車之外再增加2臺噴漿料運(yùn)輸平板車，這樣每列機(jī)車將可以運(yùn)輸6塊仰拱塊，共3列。機(jī)車到達(dá)TBM后卸掉2塊仰拱塊，將空平板車脫鉤放置在TBM后配套拖車后面的另一條軌道，再卸掉2塊仰拱塊，直至將6塊全部卸完，機(jī)車將6臺空平板車帶出隧道外繼續(xù)裝車。實(shí)踐中，此方案每班(12 h)將多運(yùn)輸仰拱塊18塊，由此將使得TBM步進(jìn)距離提高32 m，大大提高TBM的步進(jìn)效率，為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目階段性目標(biāo)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

6.2 仰拱安裝機(jī)實(shí)現(xiàn)水平90°旋轉(zhuǎn)

TBM所配置的仰拱安裝機(jī)最初設(shè)計并沒有將仰拱塊水平旋轉(zhuǎn)90°的功能。安裝仰拱塊時需要人工將仰拱塊在運(yùn)輸平板車上水平旋轉(zhuǎn)90°后(如圖8所示)才能使用仰拱安裝機(jī)進(jìn)行吊運(yùn)拼裝，既增加了工作量，同時也降低了工作效率;加之操作空間狹小，稍有不慎就可能造成人員被仰拱塊擠壓受傷。經(jīng)討論研究決定，在設(shè)備原有功能不變的情況下增加仰拱安裝機(jī)吊裝設(shè)備水平旋轉(zhuǎn)90°的功能。此項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)后，減小了施工工作量，安全、快捷且操作簡單，如圖9所示。在實(shí)際施工中，此方案的實(shí)施，使得仰拱塊拼裝效率有效提高，進(jìn)而提高了TBM整體掘進(jìn)施工能力。

圖8 人工旋轉(zhuǎn)仰拱塊Fig.8 Invert segment turning by hand

圖9 仰拱安裝機(jī)改造后吊裝仰拱塊Fig.9 Invert segment lifting by modified invert segment installing machine

6.3 TBM步進(jìn)用舉升油缸座改造

TBM步進(jìn)用舉升油缸座原始設(shè)計如圖10所示，該組成部分A和B是沒有連接的2個單獨(dú)部分，當(dāng)舉升油缸泄壓時，TBM自重將舉升油缸壓回，TBM向前步進(jìn)時，焊接于A部分的2根軸C帶動固定于B部分的2個套筒D，從而使得B部分也隨TBM同步前進(jìn)。此設(shè)計方案在第1次步進(jìn)時，由于舉升油缸內(nèi)存在壓力以及混凝土弧形槽有誤差而導(dǎo)致B部分與地面摩擦力較大，使此基座的部分焊縫出現(xiàn)裂紋甚至脫落，嚴(yán)重影響了TBM正常步進(jìn)。

圖10 改造前的舉升油缸基座Fig.10 Lifting cylinder foundation before modification

在二次步進(jìn)開始前，決定對該基座進(jìn)行改造。采用襯砌臺車上使用的小油缸來連接A和B部分，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)時將B部分整體提起，離開地面。改造后的基座，在步進(jìn)時成功實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，從此，該基座沒有發(fā)生一次故障，成功降低了TBM步進(jìn)故障率，為TBM早日步進(jìn)至掌子面提供堅實(shí)基礎(chǔ)。改造后的基座如圖11所示。

圖11 改造后的舉升油缸基座Fig.11 Modified lifting cylinder foundation

7 結(jié)論與討論

TBM貫通后都需要繼續(xù)前進(jìn)才能進(jìn)行下一道工序，比如二次步進(jìn)前步進(jìn)設(shè)備的安裝通過模擬正常掘進(jìn)，TBM在鉆爆加大斷面隧道內(nèi)前進(jìn)，為步進(jìn)設(shè)備(滑行支撐架)在隧道內(nèi)安裝提供足夠的空間，成功解決了步進(jìn)設(shè)備在隧道內(nèi)安裝的難題。通過對步進(jìn)設(shè)備的改造，提高了TBM步進(jìn)效率。TBM步進(jìn)設(shè)備體積龐大，安裝與拆卸都相當(dāng)困難，且絕大部分連接都采用焊接，在不影響使用的情況下可以考慮采用小件拼裝、螺栓連接。TBM上部分設(shè)備的布置在實(shí)際施工中還存在不便之處，可以根據(jù)施工需要進(jìn)一步優(yōu)化。在不同地質(zhì)情況與環(huán)境下TBM施工會有不同的技術(shù)難點(diǎn)，研究并解決TBM施工中的技術(shù)難點(diǎn)必將是一項(xiàng)長期的工作。

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