敞開式TBM空推步進技術(shù)在引松供水工程的應(yīng)用

王海軍

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

當(dāng)今中國已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國家。TBM是長度大于20 km特長鐵路、水利隧道高度機械化的開挖設(shè)備，TBM掘進與鉆爆法配合進行快速安全施工是最好的組合方法[1]。例如: 西康鐵路秦嶺隧道全長18.45 km,其中Ⅰ線隧道TBM掘進10.3 km、鉆爆法開挖8.15 km; 西合鐵路桃花鋪1號隧道全長7.23 km,其中TBM掘進6.02 km、鉆爆法開挖1.21 km； 蘭渝鐵路西秦嶺隧道全長28.2 km,其中左線隧道TBM掘進13.6 km、鉆爆法開挖14.6 km,右線隧道TBM掘進14.9 km、鉆爆法開挖13.3 km。大部分工程 TBM 掘進段與鉆爆法施工段交錯布置,TBM必須以適當(dāng)方式通過,業(yè)內(nèi)稱之為“步進”[2]。目前TBM步進方式主要有反力架式、軌行式、滑板式、掘進式等，其中以滑板式、掘進式最為常見。

文獻[2]系統(tǒng)地總結(jié)了現(xiàn)有的TBM步進技術(shù)，重點論述了滑板式步進技術(shù)；文獻[3]以引松工程為依托，詳細(xì)介紹了平面滑板式步進機構(gòu)的組成、步進原理，將步進機構(gòu)和前期基建相結(jié)合，分析步進過程中的要點及注意事項，并對采用平面滑板式步進機構(gòu)的優(yōu)缺點予以總結(jié)概括。滑板式步進機構(gòu)的基本原理是：TBM步進時，鋼材與混凝土之間、鋼材與鋼材之間摩擦因數(shù)的差值向拖拉油缸提供向前頂推TBM的反力[3]。文獻[4]介紹了敞開式TBM洞內(nèi)滑移板步進技術(shù)的工藝流程；文獻[5-7]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道為工程實例，分別就TBM采用油缸推進、弧形滑道步進與電機驅(qū)動、整體托架步進2種方式進行對比分析。西秦嶺隧道TBM步進采用弧形鋼板支撐，以弧形鋼板和弧形槽的摩擦力作為反作用力，推動弧形鋼板帶動刀盤總成前進。文獻[8-10]對滑槽快速施工、弧形基礎(chǔ)的設(shè)計與施工等方面進行闡述；文獻[11]以西藏龐多水利樞紐灌溉輸水洞為例，重點對洞內(nèi)組裝、油缸推進+預(yù)埋鋼軌的滑軌式步進施工進行研究；文獻[12]介紹了遼西北供水工程TBM采用滑板式步進過程中遇到的問題及解決對策；文獻[13]對平底板步進過程中遇到的技術(shù)問題和對策進行分析探討；文獻[14]對滑板式步進方式、滾輪步進方式、推進油缸步進方式進行對比分析，重點介紹滑板式步進方案、流程及保障措施；文獻[15]以重慶市軌道交通6號線工程為依托，介紹了弧底步進過站技術(shù)。

綜上所述，目前學(xué)者大多數(shù)圍繞滑板式步進進行研究，鮮有空推步進的相關(guān)實例以及文獻。本文結(jié)合工程實例，詳細(xì)介紹敞開式TBM空推步進的工藝原理、操作流程，分析步進過程中的注意事項，并與滑板式步進進行優(yōu)缺點與適應(yīng)性的對比分析。

1 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程輸水總干線位于吉林省吉林市永吉縣境內(nèi)，其中豐滿水庫取水口至飲馬河為隧道，長約72 km，開挖直徑為7 900 mm，坡度1/4 300，采用3臺敞開式TBM掘進施工。

引松供水工程4標(biāo)段總長度為23 km，采用1臺敞開式TBM由隧道出口向7#支洞方向掘進。工程主要包括23 km引水隧洞主洞、3#通風(fēng)豎井兼調(diào)壓井、飲馬河調(diào)壓井、7#施工支洞、8#施工支洞和小河沿施工豎井、堿草甸子施工豎井及其他臨時工程。采用TBM施工的主洞掘進共分2個階段，第1階段掘進8 575 m(71+476～68+351，68+204～66+640，66+350～62+464)，第2階段掘進8 913 m(60+618～51+705)，TBM掘進總長17 488 m。施工平面布置如圖1所示,圖中綠色部分為鉆爆法施工，紅色部分為TBM法施工。

圖1 引松供水4標(biāo)施工布置示意圖 (單位： m)

TBM在出口步進段始發(fā)，先后經(jīng)過堿草甸子主洞段、小河沿主洞段、8#支洞接應(yīng)段及檢修段，經(jīng)過第1階段掘進及在8#支洞檢修間轉(zhuǎn)場檢修后，在8#支洞主洞始發(fā)段始發(fā)，在7#支洞接應(yīng)段貫通，而后拆機從7#支洞運出。TBM在出口、堿草甸子、小河沿段均采用滑板式步進，隧洞設(shè)計斷面為馬蹄形，底部為平底板。8#支洞鉆爆接應(yīng)段樁號為62+464～61+093，共計1 371 m，設(shè)計為圓形斷面，空推步進通過。

本工程采用1臺由中鐵工程裝備集團有限公司制造的φ7 900 mm敞開式TBM掘進施工，TBM設(shè)計參數(shù)見表1。

2 步進方案比選

2.1 TBM空推步進工藝原理

圓形斷面隧道底板施工時，刀盤與底部接觸范圍內(nèi)采用混凝土澆筑，混凝土表面弧度與刀盤弧度保持一致，方便刀盤向前推移。TBM步進前將刀盤調(diào)整至抬頭的趨勢避免損壞隧道底部混凝土； 刀盤調(diào)整到位后撐靴撐緊洞壁，收起后支撐，推進油缸向前推進一個行程，然后放下后支撐，收回水平支撐油缸后回收推進油缸，同時帶動撐靴向前移動； 水平撐靴前進一個行程后，將撐靴撐緊洞壁，收起后支撐，由拖拉油缸拖拉后配套前移一個行程，此時TBM整體完成一個循環(huán)的步進。

2.2 滑板式步進技術(shù)工藝原理

滑板式步進系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于大滑板與混凝土底板之間(即鋼材與混凝土之間)以及小滑板與大滑板之間(即鋼與鋼之間)的摩擦因數(shù)不同,前者為0.2 ～0.3，后者為0. 15，且大小滑板之間涂抹潤滑劑后摩擦因數(shù)會更小(0. 1～0. 12),而兩者所承受的壓力基本相同，因此后者所產(chǎn)生的摩擦力遠(yuǎn)小于前者。TBM步進時，步進油缸向前頂推TBM的反力由上述摩擦力的差值承擔(dān)。

表1 TBM主要設(shè)計參數(shù)

(a) 步進系統(tǒng)側(cè)視圖

(b) 刀盤處主視圖 (c) 撐靴處主視圖

1—大滑板； 2—小滑板； 3—底護盾； 4—導(dǎo)向輪； 5—步進油缸； 6—推進油缸； 7—撐靴支架； 8—撐靴； 9—后支撐； 10—舉升油缸。

圖2滑板式步進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig. 2 Structure of sliding-type stepping system

2.3 2種步進方式對比

滑板式步進技術(shù)非常成熟，運行成本低、步進速度快。蘭渝鐵路西秦嶺隧道左線采用滑板式步進技術(shù)，25 d步進2 113 m,平均日步進84.52 m；遼西北供水工程2段4標(biāo)采用滑板式步進技術(shù)，35 d完成4 431.5 m步進，平均日步進126. 6 m[2]。

空推步進方式適合圓形斷面鉆爆段，無需額外投入其他任何材料、設(shè)備即可進行步進，主要特點有： 1)在滿足相同直徑TBM步進的情況下，圓形斷面開挖較平底板斷面開挖工程量少。以本工程為例，采用空推步進方式石方洞挖每延米減少7.51 m3； 2)步進軌枕材料用量比馬蹄形斷面少，馬蹄形專用的步進軌枕底部要增加支腿，而圓形斷面步進軌枕不需要支腿，直接將工字鋼放置在開挖面即可。以本工程為例，材料可節(jié)約43%，每組步進軌排節(jié)約I16工字鋼0.11 t； 3)步進機構(gòu)每套近50萬元，步進機構(gòu)安裝及拆除需要3 d，采用空推步進方式可節(jié)約步進機構(gòu)的購置費以及人工費。2種步進方式比較見表2。

表2 滑板式步進與空推步進方式對比

8#支洞下游段設(shè)計為圓形斷面，經(jīng)過對比認(rèn)為空推步進相對適合此斷面，同時也具有經(jīng)濟合理性，故采取空推步進方式。

3 TBM空推步進施工方法

3.1 弧形底板施工

3.1.1 基礎(chǔ)處理

1)基礎(chǔ)面清理采用人工配合機械的方法，先用挖掘機對底板的石渣進行清理至設(shè)計標(biāo)高5 cm后采用人工清理，防止機械破壞下部基礎(chǔ)造成超挖；超挖處采用與底板同標(biāo)號混凝土補平。

2)底板施工時注意基礎(chǔ)面潔凈，混凝土澆筑前灑少量水使?jié)仓鏉駶櫋?/p>

3)整個圓形斷面應(yīng)滿足TBM刀盤凈空需求，且滿足撐靴行程要求。隧道斷面半徑凈空可比刀盤半徑大12 cm，斷面太小容易出現(xiàn)欠挖情況從而卡住刀盤； 斷面太大則超出撐靴油缸行程，撐靴無法撐緊洞壁。

4)底板與刀盤接觸部位采用混凝土澆筑，其他部位可采用噴射混凝土進行支護?；⌒蔚装迦鐖D3所示。

圖3 弧形底板結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Sketch of arc bottom plate structure

3.1.2 模板工程

1)收面模板采用特制弧形模板，具體形式如圖4所示。

2)該模板主要作用為收面找平，主肋采用2道槽鋼按既定弧度加工，中間采用鋼板連接，兩端采用圓鋼彎鉤置于鋼管軌道上進行定位；考慮底部預(yù)留排水溝，采用2道槽鋼做底模，進行定位。

3)模板在安裝和運輸過程中，應(yīng)防止模板變形與受損。

(a) 主視圖

(b) 俯視圖

Fig. 4 Arc template of bottom plate surface troweling (unit: mm)

3.1.3 混凝土澆筑

1)弧形底板采用C25混凝土，坍落度控制在120±20 mm，由混凝土罐車和移動式輸送泵相結(jié)合的方式運料至工作面。

2)混凝土澆筑過程中底板弧度與中心水溝尺寸符合要求，澆筑完成后對混凝土裸露面及時進行修整、抹平，在初凝前進行二次收面，如圖5所示。

為防止TBM步進過程中，刀盤與弧形底板混凝土接觸面積小導(dǎo)致局部受力，造成混凝土破損等情況，從而影響步進效率，弧形底板混凝土澆筑過程中抹面質(zhì)量非常關(guān)鍵，表面不平整度應(yīng)控制在5 mm之內(nèi)。

3.2 步進前的準(zhǔn)備工作

1)在步進前對圓形斷面進行斷面檢測，并將侵限部分提前處理，以免TBM無法通過；對撐靴部位超挖大于10 cm的部位進行標(biāo)識。

2)如果圓形斷面撐靴部位超挖較大而導(dǎo)致?lián)窝o法撐到洞壁，可進行補噴，或者準(zhǔn)備方木墊在撐靴與初期支護之間。

(a) 收面過程 (b) 收面完成效果

圖5弧形底板混凝土收面效果圖

Fig. 5 Effect of arc bottom plate of concrete surface troweling

3)主司機及前方巡視人員配備對講機，方便步進過程中的通信聯(lián)絡(luò)。

4)保證TBM刀盤步進過程中底護盾的混凝土齡期滿足要求，以滿足步進要求。

3.3 步進

1)TBM步進前將刀盤調(diào)整至抬頭的趨勢，避免損壞隧道底部混凝土。

2)步進： 水平撐靴伸出撐緊洞壁，收回后支撐，推進油缸向前推進一個行程(1.8 m)，如圖6所示。

3)換步： 推進油缸前移一個行程后，放下TBM后支撐，收回?fù)窝ゲ⑾蚯靶羞M一個行程，撐靴前移到位后再次撐緊洞壁并收回后支撐，如圖7所示。

(a) 推進油缸推進(俯視圖) (b) 撐緊撐靴，收起后支撐(俯視圖)

(c) 推進油缸推進(主視圖) (d) 撐緊撐靴，收起后支撐(主視圖)

(a) 換步，放下后支撐(俯視圖) (b) 收回?fù)窝?，前?俯視圖)

(c) 換步，放下后支撐(主視圖) (d) 收回?fù)窝?，前?主視圖)

4)換步完畢后，后配套拖拉油缸牽引后配套向前行走一個循環(huán)。

5)推進油缸再次伸出，開始下一個循環(huán)步進。

3.4 應(yīng)急處理措施

在步進過程中可能會出現(xiàn)超挖、撐靴撐碎洞壁、底板破碎及底部高低不平等問題，建議采取以下措施：

1)出現(xiàn)超挖或撐靴撐碎洞壁，采取加墊方木的方法，如圖8所示。

圖8 撐靴處加墊方木Fig. 8 Square timber padded at gripper

2)若底板受壓破碎，可在破碎處加墊方木、鋼板或鋪墊濕砂，增加該位置的受力面積。

3)若步進段底板存在高低不平的現(xiàn)象，可采取加墊鋼板的方法。

4 應(yīng)用效果

在引松供水8#支洞接應(yīng)段采用空推步進方式，TBM自2016年8月12日貫通，8月15日開始步進，于8月30日步進至交叉口進行檢修，15 d步進1 371 m，平均日步進91.4 m。期間步進較為順利，原施工混凝土底板、刀盤等均無損壞。由于超挖過大造成撐靴無法支撐在初期支護面上，步進通過鋪墊方木的方法進行解決，對步進速度產(chǎn)生了一定的影響，其余無異常情況，空推步進技術(shù)應(yīng)用較好。

5 結(jié)論與建議

本文通過對比幾種不同的步進方式，研究適用于敞開式TBM在圓形鉆爆斷面的步進方法，主要結(jié)論如下。

1)在圓形鉆爆斷面形式下，敞開式TBM可不借用步進機構(gòu)，通過空推步進方式直接進行步進，步進的施工步驟與掘進時相同。

2)為保證TBM順利步進，圓形隧道仰拱初期支護采用混凝土澆筑成弧形底面，TBM刀盤與混凝土直接接觸向前步進即可。

3)空推步進方法不適用于開挖斷面比TBM掘進斷面大(超過撐靴油缸行程)的鉆爆洞室，比如設(shè)備檢修洞、大型的服務(wù)洞室等。

如何保證TBM空推步進的效率，施工過程中要特別注意以下2點：

1)弧形底板混凝土表面平整度控制非常關(guān)鍵，平整度影響TBM刀盤受力面積大小，從而影響TBM步進效率。在混凝土澆筑時務(wù)必進行二次抹面，如果特制鋼模板操作不方便，也可采用弧形木抹子進行抹面。

2)TBM步進前的斷面檢測非常重要。隧道開挖時超挖過大會導(dǎo)致超過撐靴油缸行程，導(dǎo)致?lián)窝o法撐到初期支護面，如果隧道初期支護侵限則會導(dǎo)致TBM刀盤無法通過，后期再進行處理會影響步進速度。