水利工程TBM隧洞出渣技術(shù)方案分析

李帥 廣東水電二局股份有限公司

樂(lè)灘引水工程TBM 隧洞施工段從北干渠渠首分水閘后明渠開(kāi)始直到屯武渡槽進(jìn)口截止，全程總長(zhǎng)30.45km，進(jìn)口位置約2450m明渠，出口明渠長(zhǎng)度為3199m，合計(jì)為5649m。有五個(gè)施工段是隧洞，其中3個(gè)是鉆爆法施工，2個(gè)是TBM隧洞。該工程結(jié)合以往類(lèi)似隧洞的作業(yè)過(guò)程，采取TBM的作業(yè)方式。為了保障TBM推進(jìn)過(guò)程順利，本文將重點(diǎn)對(duì)常用的兩種長(zhǎng)距離洞內(nèi)運(yùn)輸進(jìn)行分析，獲取最佳運(yùn)輸方案。

1.TBM出渣運(yùn)輸方案的基本原則要求

為了有效控制運(yùn)輸成本，要對(duì)運(yùn)輸車(chē)數(shù)量進(jìn)行合理計(jì)算。按照設(shè)計(jì)方案中隧洞斷面的出碴要求，TBM運(yùn)行的后配套能力要有足夠的富余儲(chǔ)備。庫(kù)存風(fēng)管不少于120m，高壓水管庫(kù)存不少于60m，高壓電纜長(zhǎng)度必須保障240m，軌線(xiàn)和鋼枕的庫(kù)存不少于60m，噴水泥漿保障儲(chǔ)備在8.0m3以上。相關(guān)材料或者物資的儲(chǔ)備情況，直接決定TBM掘進(jìn)的效率和工作時(shí)間。

2.TBM運(yùn)渣方案中所存在的優(yōu)勢(shì)和不足之處

2.1 TBM運(yùn)渣方案中的優(yōu)勢(shì)

在該工程TBM隧洞運(yùn)渣采用內(nèi)燃機(jī)車(chē)、出渣車(chē)及液壓翻車(chē)機(jī)等多種設(shè)備進(jìn)行組合操作策略。該方案優(yōu)點(diǎn)在第二段TBM隧洞掘進(jìn)期間，棄渣可以在短時(shí)間和短距離上取得優(yōu)勢(shì)，有效提升掘進(jìn)效率；另外，在第二段TBM隧洞掘進(jìn)期間，北泗檢測(cè)支洞到隧洞出口處2802m鉆爆法隧洞作業(yè)，能夠緩解TBM貫通后的施工負(fù)荷。綜合TBM掘進(jìn)速度為1.5h完成2個(gè)循環(huán)，每循環(huán)出渣量約為176.8m3。

2.2 TBM運(yùn)渣方案中的不足之處

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)數(shù)據(jù)顯示，北泗檢測(cè)支洞坡比i=10%，這一區(qū)域的支洞與主洞之間貫穿連接回轉(zhuǎn)半徑大約為R=44m，難以滿(mǎn)足編組列車(chē)爬坡通過(guò)的需求。按照過(guò)往全斷面隧道TBM掘進(jìn)的數(shù)據(jù)積累來(lái)看，利用內(nèi)燃機(jī)車(chē)拖動(dòng)滿(mǎn)載出渣車(chē)并順利通過(guò)10%坡道是不可能做到的，計(jì)算公式測(cè)算為：

粘著牽引力

μ：機(jī)車(chē)粘著系數(shù)0.24；

P：機(jī)車(chē)粘重 400KN；

Wq/：機(jī)車(chē)單位起動(dòng)阻力5 N/KN；

iq：坡道阻力系數(shù) 100‰；

計(jì)算結(jié)果顯示，僅用40噸內(nèi)燃機(jī)車(chē)編組列車(chē)無(wú)法完成運(yùn)輸任務(wù)，要結(jié)合實(shí)際，對(duì)TBM隧洞策劃出渣方案作深入完善。

3.內(nèi)燃機(jī)車(chē)出渣優(yōu)化方案

若沿用原策劃方案，在組合運(yùn)輸模式基礎(chǔ)上，由六浪隧道出渣路線(xiàn)來(lái)替代原本TBM隧洞第二施工段在北泗檢測(cè)洞的方式。

3.1 投入出渣設(shè)備及購(gòu)置費(fèi)

運(yùn)輸路程：12100m（第一段掘進(jìn)長(zhǎng)度）+4305m（第二段掘進(jìn)長(zhǎng)度）+2900m（鉆爆法長(zhǎng)度）+1120m（鉆爆法長(zhǎng)度）+200m（卸渣平臺(tái)軌道長(zhǎng)度）=20625m。

編組車(chē)在完成一次運(yùn)輸?shù)男谐虝r(shí)間為4.3h，洞內(nèi)裝卸的過(guò)程2.1h，洞外裝卸過(guò)程1.6h，列車(chē)進(jìn)行一個(gè)完整的工作項(xiàng)目正好是8.0h。結(jié)合TBM后配套需求情況，認(rèn)真做好設(shè)備采購(gòu)方案。

3.2 優(yōu)化方案與原策劃方案成本相比

首先，在設(shè)備采購(gòu)成本方面發(fā)生較大的增幅，達(dá)27.3%。

4820.60萬(wàn)元-3505.20萬(wàn)元

=1315.40萬(wàn)元,

1315.40萬(wàn)元÷4820.60萬(wàn)元

=23.3%

其次，對(duì)設(shè)備運(yùn)行成本造成極大的影響。計(jì)算周期1個(gè)月完成650米的隧洞距離，差不多6個(gè)月可以完成整個(gè)目標(biāo)段的建設(shè)，那么真實(shí)的運(yùn)行成本超出額為18900×6×30=340.20（萬(wàn)元）。那么整體的，施工成本投入將超出額為1315.4萬(wàn)元+340.2萬(wàn)元=1655.6萬(wàn)元，增加運(yùn)行成本增加如表1所示。

表1 運(yùn)行成本增加詳情

3.3 優(yōu)化方案與策劃方案施工周期對(duì)比

首先，采用優(yōu)化方案，將會(huì)大幅度增加施工的周期，拖期的風(fēng)險(xiǎn)難以管控。因?yàn)閮?yōu)化方案所采取的替代路線(xiàn)會(huì)讓運(yùn)輸長(zhǎng)度拉長(zhǎng)13km。在各個(gè)掘進(jìn)、運(yùn)輸渣料的轉(zhuǎn)換效率變低，周期變長(zhǎng)。所涉及運(yùn)輸設(shè)備大幅度增加，后果是列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中增加更多的管理難度，所有機(jī)械設(shè)備需更多維修保養(yǎng)工作，設(shè)備故障率也會(huì)隨著負(fù)荷變大明顯上升，因設(shè)備車(chē)輛之間屬于協(xié)同的工作關(guān)系，某一環(huán)節(jié)故障將導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)渣系統(tǒng)癱瘓，TBM隧洞掘進(jìn)的施工周期難以控制。預(yù)估采取優(yōu)化方案TBM隧道打通的周期比策劃周期長(zhǎng)30天以上。

另外，采取TBM二次襯砌的施工周期將會(huì)大幅度拖期。在原策劃方案中TBM第二施工段二次襯砌和掘進(jìn)施工是可以同步完成的。如果采用優(yōu)化方案，必須要等TBM全部打通之后再開(kāi)始二次襯砌作業(yè)，這樣保守估計(jì)施工的周期要延長(zhǎng)100天左右。加上前面的隧道打通周期延誤，那么總體上的施工周期將會(huì)延長(zhǎng)130天。

4.采用連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)渣方案

運(yùn)渣方案的制定要從勘探試驗(yàn)洞就要做好改進(jìn)，內(nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)姆绞叫什桓撸芷谄L(zhǎng)。在掘進(jìn)距離持續(xù)增加情況下，運(yùn)渣效率低反過(guò)來(lái)影響TBM掘進(jìn)，那么，使用連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸就可以處理得妥當(dāng)。

4.1 皮帶輸送機(jī)出渣方案及設(shè)備配置

皮帶輸送出渣的方式，具有很好的連貫性，運(yùn)輸過(guò)程不受距離限制，中間可以連續(xù)作業(yè)，對(duì)于提升TBM的利用率有很大保障，工作效率高。并且施工過(guò)程中不需要復(fù)雜的管理協(xié)調(diào)，故障率不高。

采取皮帶機(jī)運(yùn)輸方式，要對(duì)洞口的尺寸加大。另外，按TBM第一段掘進(jìn)里程為13km配置皮帶輸送系統(tǒng)，重車(chē)進(jìn)洞平均時(shí)速10km/h，輕車(chē)出洞平均時(shí)速12 km/h，洞內(nèi)卸車(chē)30 min，洞外裝車(chē)及調(diào)度時(shí)間以30 min 作為考慮單位，則每個(gè)車(chē)隊(duì)的運(yùn)行循環(huán)時(shí)間為203 min=(13/10×60+13/12×60+60)min。采用三個(gè)車(chē)隊(duì)可以滿(mǎn)足TBM連續(xù)掘進(jìn)施工，投入設(shè)備及購(gòu)置清單見(jiàn)表2。

表2 投入設(shè)備及購(gòu)置費(fèi)詳情

4.2 與原策劃方案、方案一成本對(duì)比

相比于原策劃方案，采取皮帶運(yùn)輸?shù)姆绞皆O(shè)備購(gòu)置費(fèi)用會(huì)上升2504.8萬(wàn)元，上升的幅度較大，達(dá)到71.5%；相比于優(yōu)化方案一的5160.8萬(wàn)元，本方案成本增加了849.2萬(wàn)元。

4.3 與招標(biāo)方案、方案一施工周期對(duì)比

采用連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)渣，出渣和進(jìn)料運(yùn)輸有效錯(cuò)開(kāi)，TBM在掘進(jìn)過(guò)程中可以連續(xù)不斷地作業(yè)，不受出渣影響，可統(tǒng)籌安排實(shí)施TBM維護(hù)保養(yǎng)、維修、支護(hù)等方面工作。連續(xù)膠帶機(jī)出現(xiàn)意外停機(jī)、托輥損壞頻率以及影響程度極小。

采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣平均每個(gè)月施工進(jìn)度可達(dá)700～900m/月，而采用內(nèi)燃機(jī)車(chē)出渣平均每個(gè)月施工進(jìn)度只有500～700m/月，連續(xù)皮帶機(jī)出渣隧洞貫通至少比方案一可提前3個(gè)月，總工期提前6個(gè)月。方案一、方案二在施工周期上差異明顯；優(yōu)化的方案一在施工周期上最長(zhǎng)，達(dá)到26個(gè)月以上，總體的施工周期會(huì)拉長(zhǎng)130天以上；而采用方案三皮帶運(yùn)輸機(jī)的方式，能夠?qū)⒄麄€(gè)施工周期大幅度縮短，在原策劃方案基礎(chǔ)上提前2個(gè)月完成施工。

經(jīng)過(guò)運(yùn)渣施工方案在技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)性、施工周期等方面分析，雖然采取連續(xù)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)渣方式會(huì)使成本投入大幅度上升，但運(yùn)輸穩(wěn)定性和周期縮短方面有巨大優(yōu)勢(shì)，對(duì)該項(xiàng)目有良好促進(jìn)作用。故采取皮帶運(yùn)輸機(jī)是較好選擇。

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，TBM連續(xù)皮帶運(yùn)輸機(jī)的出渣方案，對(duì)于當(dāng)前滿(mǎn)足TBM掘進(jìn)施工的配套或儲(chǔ)備是最科學(xué)有效的。企業(yè)要認(rèn)真結(jié)合工程實(shí)踐項(xiàng)目，結(jié)合成本管控和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)做好持續(xù)改進(jìn)。