雙護盾TBM施工法簡述

靳思東

TBM(Tunnel Boring Machine)即隧洞掘進機的英文簡稱,TBM以其掘進速度快(為常規開挖的5倍～10倍)、一次成洞、能提供安全作業環境并能保證隧洞的整體安全等特點,被越來越多的隧洞工程采用,現就雙護盾TBM施工法簡述如下。

1 TBM概況

1.1 TBM的發展及分類

美國工程師Charles Wilson于1851年設計了世界上第一臺掘進機TBM。但由于設計中存在諸多問題和困難,難以與鉆爆法技術相媲美,因此沒有得到應用。1952年,美國人James S.Robbins設計了將索鎬與滾刀相結合的掘進機,沒有試驗成功。1956年,James S.Robbins仿照100年前Charles Wilson的設計,只采用滾刀,此次試驗取得了成功。

TBM技術經過半個多世紀的發展,目前已相當成熟。現今TBM種類很多,以圍巖硬度劃分,有硬巖掘進機,軟硬巖兼容掘進機,軟土掘進機;以護盾形式劃分,有開敞式(單護盾)TBM,雙護盾或多護盾TBM,盾構TBM,硬巖和軟土兼容的混合盾構TBM;以TBM直徑大小劃分,有微型TBM(0.3 m～1.0 m),小型TBM(1.0m～3.0 m),中型TBM(3.0 m～ 8m),大型TBM(＞8m);以開挖斷面形狀劃分,有單一的圓形斷面TBM,雙圓或多圓TBM,不規則斷面TBM;以隧洞的水平—垂直度劃分,有水平掘進TBM,豎井TBM和斜井TBM。隨著技術的發展,根據工程的需求,相信還會出現更多的新型掘進機。

1.2 雙護盾TBM的組成及功能

一套完整的TBM系統由機頭和后配套兩大部分組成,TBM機頭由刀盤、前護盾、伸縮護盾、后護盾和尾盾組成。后配套是承載、輸送、動力和控制平臺,后配套分聯結橋、單軌段、雙軌段和斜坡段。

TBM的各組成部分功能上相互獨立,但又互相依賴形成一個整體,刀盤的主要作用是切削巖體和出渣;前護盾主要是支撐刀盤、穩定刀盤和給刀盤提供動力;伸縮護盾是實現雙護盾模式的主要機構,主推進油缸、刀盤電機、反扭矩油缸全部布置在伸縮護盾內。后護盾在掘進過程中撐開支撐盾,對掘進機起支撐和穩定作用,并通過安裝在后護盾上的輔助推進油缸,對安裝好的管片起支承作用;尾護盾是為管片安裝提供安全保障的區域,管片安裝器設置在尾盾內。TBM主機皮帶機貫穿于刀盤至尾盾的中央空間。后配套聯結橋是聯結TBM機頭和單軌段的裝置,該區域為軌道安裝區域,風筒除塵器可布置于此。后配套單軌段僅設置一條軌道,因此叫單軌段,軌道主要停放管片和豆礫石車,后配套雙軌段是布設兩條軌道的區域,主要為出渣和錯車使用,后配套斜坡段是動力機車上下后配套的必要設施,在該處還進行供水鋼管的安裝。

2 雙護盾TBM掘進施工

2.1 雙護盾模式

雙護盾模式施工即掘進和襯砌同步進行,互不影響,掘進速度快。施工時后盾的支撐盾伸出,先后后前啟動出渣皮帶機,轉動刀盤,主推進油缸向前推進;同時,輔助推進油缸傳遞推力和輔助管片拼裝。當掘進一個行程后(主推進油缸全部伸出),刀盤停止轉動,伸出前穩定器,收回后支承盾,主推進油缸拉回,進行換步,完成換步后,繼續下一行程的掘進。在掘進過程中,由于刀盤向一個方向有阻力旋轉,對機頭產生一定的扭力,伸縮盾中的反扭矩油缸在電腦PLC程序的控制下及時調整消除刀盤扭力所引發的盾體側滾,來保證TBM的運行姿態。

2.2 單護盾模式

由于圍巖的限制,如果撐靴不能頂住巖石或巖體較為軟弱或破碎不適宜使用雙護盾模式時,前護盾和支撐盾合成一體,伸縮護盾完全閉合,主推進油缸完全收回。施工時先后后前啟動出渣皮帶機,轉動刀盤,輔助推進油缸向前推進,當掘進一個行程后,刀盤停止轉動,輔助推進油缸配合管片安裝機進行管片安裝,管片安裝完成后繼續下一行程的掘進。由于掘進時需要輔助推進油缸產生必要的推力,掘進和管片拼裝無法同時進行,前進速度相應降低。

由于在雙護盾模式下,掘進和管片安裝同時進行,掘進速度快,因此我們常在雙護盾模式下工作。當TBM掘進到土洞、煤層段時,如果撐靴不起作用,那么只能靠輔助推進油缸來推動掘進。掘進和管片安裝無法同時進行,掘進速度相應降低。

3 出渣及材料運輸

1)出渣運輸。

TBM出渣運輸系統由三條皮帶機(主機皮帶機、后配套1號、2號皮帶機)、裝渣裝置(扒渣機或移動卸料小車等)和出渣列車組成,每組列車可以裝運TBM一環管片的開挖渣料。裝渣人員可以利用扒渣機將出渣火車推到裝渣點或利用移動卸料小車進行布料,裝渣時不需要利用出渣火車車頭推動,以減小作業空間的空氣污染。

當出渣火車裝滿棄渣并重新加掛管片車和豆礫石車后,將渣車推到洞外至渣車平臺由翻車機械倒空渣斗,然后用常規方式進行渣料的棄運。

2)其他施工材料運輸。

在雙護盾TBM施工中主要材料有管片、豆礫石和水泥,運輸列車最前端為管片車,管片車的數量根據掘進進尺確定;管片車后部為豆礫石車,豆礫石車的容量及數量也由掘進進尺決定;后部為渣斗車,渣斗車的容積總和為每一循環掘進進尺所開挖渣料的虛體積,并有一定的富余度;在渣斗車后掛接平板車,運輸灌漿水泥及其他材料。

3)車輛調度。

采用機車出渣時,為了保證掘進施工的順利進行,施工調度非常關鍵,調度不力將直接影響施工的正常進行,甚至會發生撞車事故。根據隧洞洞徑尺寸和費用等原因,一般洞內只布置單條運輸軌道,在沒有錯車裝置的部位,只能單向行駛,因此單條軌道的長度決定運輸時間。車輛調度分三部分:后配套調度、洞內調度和洞外調度,三部分的調度由洞外調度總控制。

在后配套的調度:在后配套雙軌段平臺上可停放兩組列車,接渣時通過卸料小車的移動將渣斗依次裝滿,卸料小車設置兩個出料口,可分別裝載兩列車輛,一列渣車裝滿后即可掛接空材料車輛駛離后配套。

在洞外的調度:重載列車和空材料車駛出洞,進入調車場摘除材料車后,重載列車駛入翻渣機進行翻渣,每次翻渣兩斗,用時3 min,20 min全部翻完。材料車進入材料場進行材料裝車,在25 min內將管片車和豆礫石罐車裝完。此時空渣車、管片車、豆礫石車重新編組到洞口處等待。

在洞內的調度:主要靠錯車平臺調度。錯車平臺設置雙軌,其長度要滿足列車編組的長度并有一定的余量,錯車平臺兩側有上下平臺的斜坡段。

4 管片的安裝

在雙護盾TBM施工中,襯砌一般采用預制管片形式,預制管片在TBM尾盾中安裝。管片車輸入洞內的管片通過管片吊機吊至管片喂片器上依次擺放,管片安裝器從喂片機上抓取管片,旋轉至所需要安裝的部位,就位后輔助推進油缸頂推,使管片通過設置在管片側壁的定位銷緊密聯結在一起,輔助推進油缸頂推直至下一環該部位管片開始安裝。

5 豆礫石回填和灌漿

5.1 噴豆礫石

在開挖面和管片背面之間存在一環形空腔,必須用豆礫石回填密實并進行水泥灌漿,使管片與洞壁形成一個穩定的整體。管片生產時在適當的位置預留了灌漿孔,安裝時可兼作安裝孔使用(視管片安裝器形式決定),經過篩選的豆礫石用列車的豆礫石車運到洞內,豆礫石車的豆礫石罐可采用安裝在豆礫石泵上端的吊具吊至豆礫石泵接料斗上方。打開豆礫石罐倉門將豆礫石送入風泵,風泵按既定的速率將豆礫石通過管片上的灌漿孔吹入管片后部的環形空隙。豆礫石回填的順序是先底后頂,按照設計孔位和施工工序進行施工。

5.2 灌漿

灌漿在掘進機后部實施,按照既定的施工工藝采用環間分序、環內加密的原則進行。其中每隔20環設封閉環,以達到灌漿起壓效果,保證灌漿結石的強度,受雙護盾施工的影響,封閉環的設置是一個比較困難的問題,目前采用管片預埋灌漿細管,采用高發泡化灌材料形成封閉環效果比較理想。

TBM施工是個龐大的系統工程,各部分都可作為一個獨立的對象進行研究,在施工中總結實踐經驗,改進影響施工進度因素,極大的發揮TBM工作效能,將更好的推進TBM 發展,為安全施工和改善施工環境創造條件。

[1] 陳 淼.盾構機在⑤2層地質條件下進洞技術的研究[J].山西建筑,2009,35(24):336-337.