雙護(hù)盾TBM 施工關(guān)鍵技術(shù)

宋 卿

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安）

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘭州市水源地建設(shè)工程是以劉家峽水庫作為引水水源向蘭州市供水的重大民生工程,被列為“蘭州市一號(hào)工程”,工程由取水、輸水、分水、凈水、配水五部分組成,工程規(guī)模為大(2)型,工程等別為Ⅱ等,總投資59.6億元。

輸水隧洞全長31.1 km,為國內(nèi)首條采用TBM 掘進(jìn)、預(yù)制管片襯砌的有壓引水隧洞,隧洞設(shè)計(jì)縱坡比為0.048%,其中,TBM 施工控制段長24.4 km,人工鉆爆段長6.7 km。

中國水電三局承建的第3 標(biāo)段輸水隧洞全長13 458 m,其中人工鉆爆段長200 m、TBM 掘進(jìn)段長123 26 m、TBM 滑行段長932 m; 施工采用中國水電三局和中國鐵建重工集團(tuán)聯(lián)合研制的國產(chǎn)首臺(tái)雙護(hù)盾TBM[1],最大開挖洞徑5.49 m。

本標(biāo)段于2016 年3 月18 日TBM 始發(fā)掘進(jìn),克服斷層破碎帶及互層狀泥質(zhì)粉砂巖收斂變形卡機(jī)、突涌水等不良地質(zhì)對施工造成的影響, 歷時(shí)2 年, 于2018年3 月12 日實(shí)現(xiàn)全線貫通。

1.2 工程特點(diǎn)

(1) 首次采用國產(chǎn)雙護(hù)盾TBM 掘進(jìn)、預(yù)制管片襯砌的有壓引水隧洞。

(2) 國內(nèi)首次采用TBM 邊組裝、邊滑行、邊掘進(jìn)、邊調(diào)試的施工工法。

(3) 國內(nèi)首次采用平行四邊形預(yù)制管片(5+1)襯砌,管片制造難度大、安裝精度高。

2 TBM 設(shè)備現(xiàn)場組裝

2.1 狹窄場地對設(shè)備組裝、調(diào)試的影響

蘭州水源地建設(shè)工程第3 標(biāo)段工業(yè)廣場沿洞軸線方向有效長度為110 m,而TBM 設(shè)備組裝完成后的全長為318 m,工業(yè)廣場無法滿足設(shè)備整體組裝要求。根據(jù)本標(biāo)段現(xiàn)有場地條件,為滿足TBM 設(shè)備整體組裝要求,主洞采用人工鉆爆法開挖200 m,其中擴(kuò)大洞室(斷面為城門洞型)140 m,通過洞室(斷面為馬蹄型)60 m,TBM 在洞外沿洞軸線方向進(jìn)行組裝;采取“邊組裝、邊滑行、邊調(diào)試”的施工方法,加大了設(shè)備安裝、調(diào)試、滑行的難度;組裝、調(diào)試工期較設(shè)備一次組裝完成的類似工程要長。

由于場地受限導(dǎo)致組裝期試掘進(jìn)時(shí), 連續(xù)出渣系統(tǒng)無法形成,掘進(jìn)初期掘進(jìn)效率低,掘進(jìn)一段時(shí)間后,設(shè)備完全進(jìn)洞、滿足連續(xù)皮帶機(jī)安裝條件后,停止掘進(jìn)安裝連續(xù)出渣系統(tǒng), 對TBM 整體掘進(jìn)工期造成一定影響。

2.2 TBM 設(shè)備現(xiàn)場組裝、滑行

設(shè)備組裝分為五個(gè)階段進(jìn)行:

(1) 第一階段: 進(jìn)行TBM 主機(jī)、1# 連接橋的組裝。

利用布置在洞外的兩臺(tái)變頻控制的32 t 卷揚(yáng)機(jī)拖曳,將組裝好的TBM 主機(jī)及1#連接橋(連接橋底部安裝滑行雪橇), 牽引滑行至始發(fā)洞段。

(2) 第二階段:將2#連接橋、1#～6#拖車的組裝。

將2# 連接橋安裝4組輪對,采用小火車頂推進(jìn)洞與1#連接橋連接, 再將1#～6# 拖車依次采用小火車頂推進(jìn)洞, 與2#連接橋連接成整體。

(3) 第三階段: 進(jìn)行7#～22#拖車組裝, 采用內(nèi)燃機(jī)車依次頂推至通過洞段連接成整體。

(4) 第四階段:TBM連接成整體后, 進(jìn)行電氣、液壓、流體等系統(tǒng)的安裝、調(diào)試。

(5) 第五階段:由于采用卷揚(yáng)機(jī)拖曳,受地錨錨固點(diǎn)位置限制,設(shè)備無法完全到達(dá)掌子面,因此采用安裝底管片步進(jìn)的方式,共安裝12 塊底管片(長度18 m)最終將刀盤步進(jìn)至掌子面,開始組裝期試掘進(jìn)。

卷揚(yáng)機(jī)拖曳分段滑行方案, 是利用布置在洞外的兩臺(tái)32 t 卷揚(yáng)機(jī)(繩容量800 m)作為牽引,利用TBM刀盤下部2 個(gè)對稱布置的吊耳, 作為160 t 動(dòng)滑輪組的固定及牽引點(diǎn);在擴(kuò)大洞室、通過洞室中部、掌子面前部各設(shè)置2 組地錨(每組2 個(gè)),分別作為導(dǎo)向滑輪組的固定點(diǎn)。當(dāng)主機(jī)滑行至第一組地錨位置時(shí),再將2 個(gè)定滑輪組移送至布置在掌子面前部的另外一組地錨處,確保TBM 設(shè)備可繼續(xù)滑行。

采用該滑行方案,實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場雙護(hù)盾TBM 的快速、平穩(wěn)滑行。具有投入少、施工效率高的特點(diǎn),但采用該滑行方案的缺點(diǎn)是由于地錨、動(dòng)滑輪組形位尺寸的原因,不能完全將刀盤拖曳至掌子面,還需采取其他措施將TBM 整體步進(jìn)至掌子面。

3 TBM 掘進(jìn)

3.1 地質(zhì)情況

主輸水隧洞通過地層圍巖主要以Ⅲ、Ⅳ類為主,間有少量的Ⅱ類、Ⅴ類圍巖,巖石抗壓強(qiáng)度15～90 MPa,巖性主要為泥質(zhì)砂巖、變質(zhì)安山巖,最大埋深954 m,巖石硬度適中,適合雙護(hù)盾TBM 掘進(jìn)施工。詳見表1。

表1 TBM 掘進(jìn)段圍巖情況統(tǒng)計(jì)

3.2 組裝期試掘進(jìn)

設(shè)備組裝自2016 年1 月21 日開始至3 月17 日結(jié)束, 歷時(shí)57 天,2016 年3 月18 日開始組裝期試掘進(jìn)。

2016 年3 月18 日至5 月3 日為組裝期試掘進(jìn)階段,由于掘進(jìn)時(shí)后配套拖車占用擴(kuò)大洞室空間,連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)無法安裝, 掘進(jìn)采用內(nèi)燃機(jī)車牽引平板車裝載出渣斗出渣,洞外采用50 t 龍門吊及75 t 汽車吊配合卸渣,再采用裝載機(jī)、自卸車將渣料運(yùn)至渣場,掘進(jìn)效率低,2016 年3 月18 日至5 月3 日共掘進(jìn)282 m。

掘進(jìn)282 m 后, 后配套拖車全部進(jìn)入管片,2016年5 月4 日開始計(jì)劃性停機(jī)14 天,安裝洞內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)及洞外轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)系統(tǒng)。

3.3 掘進(jìn)

TBM 施工控制段,分為2 個(gè)掘進(jìn)段,2 個(gè)掘進(jìn)段之間為一個(gè)滑行段, 第一掘進(jìn)段長5 560 m, 滑行段長932 m,第二掘進(jìn)段長6 765.5 m。

第二掘進(jìn)段掘進(jìn)期間,于2 017 年9 月13 日遭遇斷層破碎帶,采用“化學(xué)灌漿+水泥灌漿”相結(jié)合的處理方法[2],對刀盤前部5 m 處(開挖面)實(shí)施化學(xué)灌漿作業(yè),封堵涌水并形成止?jié){體,對止?jié){體前端及盾體上方的松散巖體(非開挖面)進(jìn)行水泥固結(jié)灌漿處理,歷時(shí)89 天,于2017 年12 月12 日成功通過破碎帶,恢復(fù)掘進(jìn)。詳見圖1、圖2。

圖2 非開挖面孔位布置

2018 年2 月21 日,TBM 掘進(jìn)過程中, 埋深在880 m 時(shí),遭遇互層狀泥質(zhì)粉砂巖,由于圍巖收斂變形造成卡機(jī)[3]。采用對盾體外部圍巖進(jìn)行人工開挖水平導(dǎo)洞,釋放圍巖應(yīng)力的脫困工法, 歷時(shí)13 天,2018 年3 月6日,TBM 成功脫困,恢復(fù)掘進(jìn)。

3.4 各月的掘進(jìn)進(jìn)尺

月進(jìn)尺柱狀圖見圖3。

圖3 月進(jìn)尺柱狀圖

4 設(shè)備性能提升

掘進(jìn)過程中, 先后對TBM 豆礫石吹填及回填灌漿系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)等進(jìn)行了30 余項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化、改進(jìn),提升了設(shè)備性能,提高了掘進(jìn)效率,創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

蘭州水源地工程創(chuàng)造了多項(xiàng)國產(chǎn)設(shè)備掘進(jìn)紀(jì)錄,創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺61.57 m、高月進(jìn)尺1 251.82 m 的國產(chǎn)TBM 設(shè)備掘進(jìn)記錄。

5 TBM 設(shè)備洞內(nèi)拆除

5.1 拆機(jī)洞室設(shè)計(jì)優(yōu)化

拆卸洞室是TBM 掘進(jìn)完成后,設(shè)備解體、拆除的場所, 它的長度和斷面尺寸根據(jù)TBM 的最大外形尺寸、主機(jī)長度、TBM 拆卸的技術(shù)要求及所使用的起吊設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。

最終拆卸洞室設(shè)計(jì)為城門洞型, 長度25 m(TBM主機(jī)長度約14 m)、寬度10 m、頂拱高11.8 m,采用1臺(tái)MG60t-8.8 m 龍門吊對TBM 主機(jī)部分進(jìn)行拆除。

5.2 拆卸洞室底板及TBM 滑行軌道施工優(yōu)化

拆卸洞室底板采用標(biāo)號(hào)C40 混凝土澆筑, 高程低于刀盤下邊緣20 mm,澆筑厚度500 mm,滿足主機(jī)部分600 t 載荷要求, 滑行時(shí)在主機(jī)底部接觸部位的混凝土地面上涂抹黃油,以降低主機(jī)滑行時(shí)的摩擦力;通過安裝底管片步進(jìn)的方式,TBM 順利滑行至預(yù)定拆機(jī)位置。

5.3 TBM 拆除起吊設(shè)備設(shè)計(jì)、選型方案優(yōu)化

定制了1 臺(tái)額定起吊能力為60 t、跨度為8.8 m、最大起升高度為9 m 的單小車雙梁龍門式起重機(jī),設(shè)計(jì)原則為:龍門吊部件運(yùn)輸噸位小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝快捷,為加大起升高度,取消吊鉤,安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭及一個(gè)85 t 卡環(huán),將起升高度增加約500 mm。

龍門吊大梁在場內(nèi)制造時(shí)采用2 段設(shè)計(jì), 一段3 m,一段6.2 m,2 根大梁的分段位置采用不對稱、錯(cuò)位設(shè)計(jì); 分段設(shè)計(jì)的大梁組合面采用M24×50 mm 的銷釘螺栓連接。

隧洞貫通后,安裝底管片分兩次將TBM 步進(jìn)至指定位置, 利用盾體脫離管片后與拆卸洞室之間形成間隙,將拆機(jī)龍門吊部件利用管片吊機(jī)運(yùn)輸至喂片機(jī)上,再采用土法運(yùn)輸至拆卸洞室內(nèi), 龍門吊主要部件全部運(yùn)輸至拆機(jī)洞室后,利用拆機(jī)洞室頂部錨索,進(jìn)行龍門吊部件的吊裝, 龍門吊完成安裝后,TBM 再次步進(jìn)1.5 m, 步進(jìn)至刀盤距拆機(jī)硐室下游側(cè)出口約22 m 位置,將小火車軌道延伸至尾盾, 便于拆卸的部件能夠采用龍門吊裝車外運(yùn),此時(shí)停機(jī)、斷電開始設(shè)備拆除。拆卸硐室斷面及龍門吊外形尺寸見圖4。

圖4 拆卸硐室斷面及龍門吊外形尺寸

5.4 工藝優(yōu)化產(chǎn)生工期及經(jīng)濟(jì)效益

通過施工工藝優(yōu)化加上合理的施工組織安排,施工人員重新進(jìn)行整合調(diào)配, 24 h 不間斷作業(yè), 使設(shè)備拆除速度、施工效率大大提升。

在拆機(jī)的前25 天,集中大量的人員對13.4 km 洞內(nèi)沿線的連續(xù)皮帶機(jī)、通風(fēng)、排水、道岔等設(shè)備進(jìn)行全面、快速拆除;為TBM 設(shè)備本體拆除后的部件運(yùn)輸創(chuàng)造條件,后20 天,預(yù)留部分人員,集中進(jìn)行TBM 設(shè)備本體拆解、運(yùn)輸。洞外安排人員對設(shè)備進(jìn)行清理、分類及外運(yùn)。

采用上述方法,確保了國產(chǎn)首臺(tái)雙護(hù)盾TBM 設(shè)備的安全、高效、快速拆除,僅用45 天完成了TBM 設(shè)備洞內(nèi)拆除的施工任務(wù)并安全運(yùn)輸出洞。

結(jié)束語

國產(chǎn)首臺(tái)雙護(hù)盾TBM 在蘭州水源地項(xiàng)目長距離輸水隧洞掘進(jìn)施工中的成功應(yīng)用, 為今后國產(chǎn)雙護(hù)盾TBM 設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、施工等領(lǐng)域,提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

主要推廣價(jià)值和運(yùn)用前景如下:

(1) 對提升國內(nèi)裝備制造業(yè)的技術(shù)水平具有深遠(yuǎn)意義。

(2) 為后續(xù)使用國產(chǎn)TBM 設(shè)備進(jìn)行引水、鐵路、公路隧洞開挖等工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

(3) 節(jié)約投資、創(chuàng)造業(yè)績。