TBM變洞徑空推步進技術(shù)在榕江關(guān)埠引水工程中的應(yīng)用

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)濟社會效益好等優(yōu)點，在國內(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除具有完備的掘進功能外(開挖、支護、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)問題需要TBM掘進與鉆爆法配合進行安全高效施工，如西康鐵路秦嶺隧道全長18.45 km，其中Ⅰ號線隧道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[2]；本公司承建的廣西桂中治旱隧洞引水工程北干一標TBM掘進11.9 km，鉆爆法開挖2.55 km等，在此情況下，TBM需要進行空推步進，即刀盤沒有工作，而盾體在前進的一種推進模式[3-4]。當前對TBM空推步進的研究多集中于不同步進方式的分析，如齊志沖等[5]以引松工程為依托，介紹了平面滑板式步進機的組成和步進原理；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；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、弧形滑到步進與電機驅(qū)動、整體托架步進兩種方式進行對比分析，對TBM變洞徑空推步進的研究較少。由于TBM掘進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，盾體空推施工時容易導(dǎo)致設(shè)備撐靴失效、承重輪偏離等施工安全問題[8]。以往對于貫通面尺寸不一的TBM空推步進施工，常在設(shè)備配套承重輪下加墊工字鋼以解決斷面高差問題[9-10]，如此不僅降低了TBM設(shè)備的空推步進效率，并且由于加墊型鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，盾體空推步進施工過程中存在安全隱患。本文結(jié)合榕江關(guān)埠隧洞引水工程施工實例，詳細介紹了TBM變洞徑空推步進施工的工藝原理、操作流程，分析施工過程中的注意事項，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個子項目之一，輸水隧洞全長為27.055 km，采用雙護盾TBM法施工為主，鉆爆法為輔的施工工法，其中TBM掘進24.588 km，鉆爆法開挖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，圍巖堅硬完整，巖石強度高(平均強度為130 MPa)。施工過程中，TBM掘進第一段6.33 km貫通后，需要空推步進1.036 km后進行TBM二次始發(fā)掘進，TBM隧洞開挖直徑為5.06 m，隧洞開挖完成后，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(見圖1)，鉆爆段開挖橫截面為6.26 m×6.26 m的城門洞型，采用C30混凝土進行襯砌施工，襯砌后洞內(nèi)直徑為5.46 m(見圖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的臺階。該項目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題，這樣不僅大大降低了TBM設(shè)備的空推步進效率，并且由于加墊型鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，TBM空推步進施工過程中存在安全隱患。此外，由于TBM在空推步進時不能通過撐靴撐緊圍巖提供反力使其向前步進，通常情況下，需依靠管片提供反力支撐TBM空推步進，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機向前推進使刀盤坐落于空推段軌道上(見圖3)，待1#連接橋前轉(zhuǎn)向輪到達空推段后，進行臨時支撐加固，并安裝1#連接橋液壓承重輪，隨后拆除臨時支撐，使承重輪坐落于空推段混凝土面圓弧上，TBM機繼續(xù)向前推進，直至1#連接橋后轉(zhuǎn)向輪到達空推段處，完成后承重輪的安裝。隨后TBM機繼續(xù)向前推進，待2#連接橋具有足夠空間位置后，進行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變洞徑空推步進施工過程中，當盾體位于TBM法空推段時(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，通過液壓鎖固定承重輪，由輔推油缸驅(qū)動盾體向前空推步進；當在TBM盾體處于鉆爆法空推段時(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，同樣通過液壓鎖固定承重輪，輔推油缸驅(qū)動盾體繼續(xù)向前空推步進，完成TBM變洞徑空推步進施工。液壓承重輪變洞徑施工示意見圖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機在空推步進時撐靴撐緊力不足等問題，利用預(yù)制仰拱塊代替管片拼裝提供推進反力，參考以往類似工程經(jīng)驗參數(shù)，設(shè)計制作仰拱預(yù)制管片[11]。預(yù)制仰拱塊采用鋼筋混凝土制作(見圖6)，仰拱塊配筋主筋采用HRB400級鋼筋，保護層厚度為50 mm，混凝土強度等級為C30，設(shè)計外形尺寸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)品等級為C級，性能等級為8.8級。為方便預(yù)制塊吊裝及運輸，在1#連接橋上焊接H100型鋼作為跑道，采用1.5 kW電動葫蘆進行垂直調(diào)運及行走控制，該方法省時省力，顯著提高了施工效率(見圖7)。預(yù)制仰拱塊具有良好的穩(wěn)定性，完全滿足TBM空推步進撐緊力的需要，并且工藝簡單、制作成本低，顯著降低了TBM空推步進的施工成本。

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推力計算

1) 盾體所需推力計算

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

盾體所需推力F1計算如下：

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) 油缸推力計算

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

油缸無桿腔面積：

推進系統(tǒng)最大操作壓力35 MPa,單個油缸的最大推力Fd為：

Fd=PS=350×706.5=247.275 t 。

TBM空推步進時在4#、5#、6#、7#4個油缸共同作用下，最大推力F2為：

F2=4Fd=4×247.275=989.1 t 。

綜上，對比可知F2>F1，說明油缸推力可滿足TBM空推步進的施工需求。

4.5 TBM空推步進施工

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)動力，由仰拱預(yù)制塊提供盾體推進所需的反力，具體施工步驟如下。

1) 當TBM機到達預(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，當空間大于等于900 mm時，滿足放置條件)。

2) 采用葫蘆吊機將仰拱塊吊運至指定位置，并放置穩(wěn)定。

3) 伸出輔推油缸，并使其頂緊預(yù)制塊，經(jīng)檢查確認無問題后，逐步加大底部油缸壓力使設(shè)備向前移動(當?shù)撞坑透讐毫Φ竭_50 bar時，需停止對設(shè)備進行檢查，確認無任何阻礙后繼續(xù)加大推力并全過程監(jiān)測)。

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。

在空推步進過程中，按照上述步驟1～3循環(huán)進行，每循環(huán)步進700 mm，仰拱塊間需用Ф25 mm的鋼筋連接成整體，施工中，應(yīng)對底部清理干凈，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，在仰拱塊吊運過程中，應(yīng)多次檢查吊索具及起重設(shè)備，對不符合要求的相關(guān)部件及時更換，確保施工安全，TBM主機步進后，后配套跟進主機同步前進，依序鋪設(shè)鋼枕梁、三角支腿和鋼軌，鋼軌鋪設(shè)為運輸軌及后配套軌(如圖8所示)。

圖8 TBM空推步進施工示意

4.6 應(yīng)用效果

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

5 結(jié)語

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