西秦嶺隧道TBM掘進步進施工技術(shù)

李南川

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

西秦嶺特長隧道全長28 236 m，其中左線掘進總長度為12 934 m，為國內(nèi)鐵路界最長的TBM施工隧道。TBM掘進施工包含TBM組裝、步進、始發(fā)掘進、正常掘進、貫通掘進等工序［1］。西秦嶺隧道的施工則包含3個步進段(包括TBM掘進最終貫通以后將步進至TBM拆卸洞)和2個掘進段作業(yè)。而TBM第2個步進段所需設(shè)備在洞內(nèi)安裝難度大，作業(yè)空間小等技術(shù)難題都將是施工難點。文獻［2］介紹了TBM步進速度對工程建設(shè)進度的影響;文獻［3］通過介紹油缸推進、弧形滑道步進與電機驅(qū)動、整體托架步進這幾種步進方法的技術(shù)特點、控制重點和詳細的施工方法并對各自的優(yōu)缺點進行比對，提出TBM經(jīng)過鉆爆施工段的步進方案;文獻［4］以西秦嶺隧道為工程實例，從施工進度、弧面質(zhì)量、經(jīng)濟效益等方面進行方案比選，最終選擇了TBM弧形步進滑槽的快速施工方法;文獻［5］分析了TBM步進對隧道施工工期的影響;文獻［6］闡述了仰拱塊供應(yīng)對TBM步進的影響，并提出提高仰拱塊生產(chǎn)效率的一系列先進施工技術(shù);文獻［7］以蘭渝鐵路西秦嶺隧道為例，介紹了TBM步進模式以及狹小場地內(nèi)TBM快速組裝、調(diào)試技術(shù)。TBM隧道內(nèi)二次步進在國內(nèi)尚無先例，步進設(shè)備運輸以及隧道內(nèi)安裝是施工難點。本文以蘭渝鐵路西秦嶺隧道為例，分析TBM隧道內(nèi)二次步進施工及技術(shù)難題，并闡述提高TBM步進效率的施工方法。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程XQLS2標(biāo)位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)。西秦嶺特長隧道全長28.236 km(DIK395+116～DIK423+352)，為左右線分設(shè)的2條單線隧道，隧道最大埋深約1 400 m。隧道界限時速200 km客貨共線設(shè)計。

本隧道采用鉆爆法與TBM掘進聯(lián)合施工，其中隧道出口在圍巖好的地段分2段采用φ10.23 m TBM掘進施工:第1段長5 594 m(DIK421+239～DIK415+645)，第2段長7 340m(DIK410+930～DIL403+590)，其余地段均采用鉆爆法施工。本隧道施工工期非常緊張，線下工程總工期為61.5月。為使工程能按時順利竣工，TBM的步進與掘進都是項目的關(guān)鍵性工序。

2 TBM步進原理及施工工序

2.1 TBM步進原理

由于TBM主機與弧形鋼板的摩擦因數(shù)小于弧形鋼板與混凝土面的摩擦因數(shù)，當(dāng)推進油缸時，TBM主機會在弧形鋼板上向前滑行，滑行支撐架與撐靴在導(dǎo)向筒上向前滑行。步進推進油缸與推進油缸同時伸長1.8m后，舉升油缸舉升TBM主機，后支撐支腿伸長至下部巖壁，舉升滑行支架，步進推進油缸收縮牽引弧形鋼板前行1.8 m，推進油缸收縮牽引撐靴和滑行支撐架前行1.8 m后，收縮舉升油缸和后支撐支腿，完成1個步進循環(huán)。

1)刀盤與鋼板的摩擦力

式中:F1為滑動摩擦力;μ為滑動摩擦力因數(shù)，有潤滑時為0.1～0.12，無潤滑時取0.15;N 為接觸面的正壓力，TBM主機質(zhì)量為800t，重力加速度為10g/m2。

將數(shù)值代入式(1)，得:

2)鋼板與混凝土地面之間的摩擦力

式中:F2為靜摩擦力;μ為摩擦力因數(shù)，取0.2～0.3;N為接觸面的正壓力，TBM主機質(zhì)量為800 t，重力加速度為10 g/m2;n為鋼板的尺寸，7 688.5 mm×6 038 mm ×70 mm; ρ為鋼板的密度，取7.85 g/cm3。

將各值代入式(2)，得:

由式(1)和式(2)可知:鋼板與混凝土地面的摩擦力大于TBM主機與弧形鋼板的摩擦力，故能夠滿足步進時提供的反推力的要求。

2.2 TBM步進施工工序

施工準(zhǔn)備—弧形滑道施工—弧形鋼板就位—TBM組裝調(diào)試—滑行支撐架安裝—步進推進油缸與弧形鋼板連接—步進推進油缸、主機推進油缸伸長推進TBM前進1.8 m—舉升油缸舉升TBM主機、后支撐支腿伸長—步進推進油缸收縮牽引弧形鋼板前進1.8 m、主機推進油缸收縮牽滑行支撐架前進1.8 m—舉升油缸收縮、后支撐支腿收縮—下一個換步循環(huán)［3］。

3 TBM步進機構(gòu)安裝

3.1 弧形鋼板

主機下弧形鋼板采用70 mm厚鋼板加工，尺寸為7 688.5 mm ×6 038 mm ×70 mm(長 ×寬 × 厚)，以半徑5 115 mm彎成弧形。

3.2 滑行支撐架安裝

TBM步進時撐靴都已收回，在撐靴下安裝1個滑行支撐架，用于支撐TBM主機及支撐靴?；兄渭茉赥BM組裝時一起安裝完成，當(dāng)TBM步進時滑行支架向前滑行?；兄渭馨惭b如圖1所示。

圖1 滑行支撐架安裝Fig.1 Installation of sliding supporting frame

3.3 舉升油缸安裝

在護盾兩側(cè)對應(yīng)的位置焊接舉升受力鋼板，如圖2所示。

圖2 舉升油缸安裝Fig.2 Installation of lifting cylinder

3.4 步進推進油缸安裝

步進推進油缸共4組，每側(cè)2組。步進推進油缸前部與護盾連接，后側(cè)與弧形鋼板連接，步進推進油缸推力2 000 kN，行程1.8 m，具體見圖3。

圖3 步進推進油缸安裝Fig.3 Installation of stepping thrust cylinder

4 TBM步進

準(zhǔn)備工作完成后，TBM步進開始。TBM主機通過2組4根TBM步進推進油缸(2 000 kN×4，行程1.8 m)伸長推進TBM主機向前行進，TBM步進推進油缸伸長的同時，主機推進油缸一同伸長，具體如圖4所示。

圖4 步進推進油缸伸長將主機向前推移1.8 mFig.4 TBM moving forward for 1.8m due to extension of stepping thrust cylinder

步進推進油缸伸展1.8 m后，用設(shè)在TBM主機護盾下方的2組舉升油缸(每組3根1 500 kN油缸)把主機進行舉升，舉升油缸將TBM護盾提升3～4 cm，具體如圖5所示，后支撐伸長至下部巖壁，舉升滑行支架。

圖5 舉升油缸將主機抬起Fig.5 Lifting of TBM by lifting cylinder

TBM主機被舉升后，通過TBM步進推進油缸(2 000 kN×4，行程1.8 m)收縮帶動弧形鋼板前行，同時主機推進油缸收縮，后配套牽引油缸伸長，帶動滑行支撐架前行。步進油缸收縮完成后，舉升油缸和后支撐支腿收縮，把TBM主機放置在弧形鋼板上及滑行支架放置在下部混凝土面上，完成一個步進循環(huán)，具體如圖6所示。

圖6 舉升油缸與步進推進油缸復(fù)位Fig.6 Reposition of lifting cylinder and stepping thrust cylinder

5 TBM掘進后再步進中技術(shù)難題的解決

5.1 TBM滑行支撐架位置確定

蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM掘進施工第1階段貫通點里程為DIK415+645，由于TBM掘進斷面為圓形，而TBM步進所需安裝的結(jié)構(gòu)件中的滑行支撐架必須放置在混凝土平面上?；兄渭馨惭b示意圖如圖7所示。

圖7 滑行支撐架安裝示意圖Fig.7 Sketch of installation of sliding supporting frame

5.1.1 施工方案

為使滑行支撐架能夠順利進行安裝，提出2個討論方案。

1)方案1。將滑行支撐架的安裝位置至第1階段貫通點處的圍巖進行開挖，使之能滿足滑行支撐架的安裝及步進要求。

2)方案2。將TBM繼續(xù)向前移動，直至將滑行支撐架的安裝位置(水平支撐靴)移動至第1階段貫通點位置。TBM在貫通以后，還可以繼續(xù)向前掘進，當(dāng)撐靴移動到貫通點位置時，由于撐靴油缸行程的關(guān)系，撐靴已經(jīng)不能再抵達巖壁，此時TBM則不能繼續(xù)向前移動。當(dāng)TBM到達這個位置時，依然沒有足夠的空間進行滑行支撐架的安裝。

5.1.2 方案比選

若采用方案1，則需要進行開挖的隧道縱向距離約為4.6 m(撐靴的寬度2.6 m+滑行支撐架超出撐靴后的長度3.8 m－撐靴換步前移距離1.8 m)。也就是說，采用方案1就需要在隧道兩側(cè)起拱線位置往下部分進行人工開挖，開挖的距離至少4.6 m，開挖方量約為36 m3。此方案工程量太大，且施工難度大。

若采用方案2，則需要將TBM向前移動至少4.6 m。因此，考慮依舊使用撐靴將TBM橋架部分抬起，模擬正常掘進的方法使TBM向前移動。

經(jīng)過多方面考慮以及可行性分析，最終采用方案2進行施工。

5.1.3 方案2施工方法

1)將TBM正常掘進直至撐靴抵達貫通點位置。

2)將后支撐落地，支撐起TBM的質(zhì)量。

3)收回撐靴油缸，使撐靴離開巖面后進行正常換步，向前移動撐靴1.8 m。

4)將撐靴油缸對稱伸出，控制伸出量，當(dāng)油缸行程還剩15 cm時，停止伸出。

5)在撐靴支撐范圍內(nèi)鋪設(shè)大量方木，方木沿隧道縱向進行鋪設(shè)，鋪設(shè)時盡量塞緊。

6)方木鋪設(shè)完畢后，開始伸出撐靴油缸，當(dāng)撐靴油缸壓力上升至8 MPa左右時，改用高壓伸出，然后觀察撐靴油缸的行程及壓力變化。若壓力達到28 MPa同時油缸行程仍有余量且穩(wěn)定不變后，則開始進行第7)步。若有一項不符合，則收回撐靴油缸，重新由4)開始。

7)將刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)至1 r/min左右(刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整是為了減小啟動刀盤時撐靴受到扭矩，避免造成撐靴下滑)，啟動皮帶機(轉(zhuǎn)動刀盤的必要條件)，轉(zhuǎn)動刀盤(若不進行此項操作，TBM高壓推進無法實現(xiàn)，則不能推動TBM前進)。

8)待刀盤驅(qū)動電機電流穩(wěn)定且刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，觀察撐靴油缸壓力及行程情況，若無異常則進行9)，若有異常，與6)相同處理。

9)緩緩收起后支撐，若無異常，將推進油缸的流量控制調(diào)整為30%左右，伸出推進油缸，使TBM向前移動。若有異常，立即落下后支撐，停止前進，觀察情況后再進行施工。

經(jīng)過3個循環(huán)的模擬掘進，TBM順利抵達指定位置。此方案在施工中用時14 h，為TBM步進構(gòu)件安裝提供了空間與時間保障。

5.2 弧形鋼板的焊接拼裝

弧形鋼板是TBM步進不可或缺的重要結(jié)構(gòu)件之一。在第1次步進結(jié)束時，由于其外形體積太大，不能運出隧道外，不得不被分割成幾個小塊。在第1階段貫通前，為節(jié)省時間和拼裝難度，將大部分運至斜井鉆爆段進行提前拼裝焊接。此次焊接任務(wù)精度要求高，焊接質(zhì)量要求高且焊接量大，是TBM二次步進順利進行的關(guān)鍵工序。項目部抽調(diào)電焊精英進行焊接，質(zhì)量上嚴格把關(guān)，歷時10 d圓滿完成焊接任務(wù)，最終通過了TBM步進的嚴峻考驗。

5.3 滑動支撐架的運輸及安裝

蘭渝鐵路西秦嶺隧道所使用的TBM直徑為10.23m，步進所需滑動支撐架體積大、質(zhì)量大，安裝空間狹小，使得該結(jié)構(gòu)件的運輸以及安裝難度都非常大。

為不影響隧道內(nèi)其他工序的正常施工，TBM步進所需結(jié)構(gòu)件的運輸時間、運輸順序都必須經(jīng)過反復(fù)研究，由分管運輸?shù)恼{(diào)度室進行全線協(xié)調(diào)，重點督促，使得這些超寬、超高、超重結(jié)構(gòu)件按從下到上、從前到后的順序運輸進入TBM，依次進行安裝，保質(zhì)保量地完成滑動支撐架的運輸及安裝。

6 TBM步進技術(shù)的改進及效果

6.1 TBM二次步進仰拱塊運輸方案調(diào)整

由于二次步進的最小運輸距離為7 800 m(剛開始步進時)，隨著TBM不斷向前步進，運輸距離逐漸加大，加之項目部所配置的運輸設(shè)備是按照正常掘進考慮，只配備了12臺仰拱塊運輸車，TBM步進速度遠高于正常掘進速度;因此，仰拱塊的運輸問題成了制約TBM正常步進的關(guān)鍵因素。為使TBM能夠加快步進速度，經(jīng)過多次試驗，現(xiàn)將原有的6臺運輸噴漿料的平板車加入運輸編組，每臺內(nèi)燃機車掛設(shè)4臺仰拱塊運輸車之外再增加2臺噴漿料運輸平板車，這樣每列機車將可以運輸6塊仰拱塊，共3列。機車到達TBM后卸掉2塊仰拱塊，將空平板車脫鉤放置在TBM后配套拖車后面的另一條軌道，再卸掉2塊仰拱塊，直至將6塊全部卸完，機車將6臺空平板車帶出隧道外繼續(xù)裝車。實踐中，此方案每班(12 h)將多運輸仰拱塊18塊，由此將使得TBM步進距離提高32 m，大大提高TBM的步進效率，為實現(xiàn)項目階段性目標(biāo)打下堅實的基礎(chǔ)。

6.2 仰拱安裝機實現(xiàn)水平90°旋轉(zhuǎn)

TBM所配置的仰拱安裝機最初設(shè)計并沒有將仰拱塊水平旋轉(zhuǎn)90°的功能。安裝仰拱塊時需要人工將仰拱塊在運輸平板車上水平旋轉(zhuǎn)90°后(如圖8所示)才能使用仰拱安裝機進行吊運拼裝，既增加了工作量，同時也降低了工作效率;加之操作空間狹小，稍有不慎就可能造成人員被仰拱塊擠壓受傷。經(jīng)討論研究決定，在設(shè)備原有功能不變的情況下增加仰拱安裝機吊裝設(shè)備水平旋轉(zhuǎn)90°的功能。此項功能實現(xiàn)后，減小了施工工作量，安全、快捷且操作簡單，如圖9所示。在實際施工中，此方案的實施，使得仰拱塊拼裝效率有效提高，進而提高了TBM整體掘進施工能力。

圖8 人工旋轉(zhuǎn)仰拱塊Fig.8 Invert segment turning by hand

圖9 仰拱安裝機改造后吊裝仰拱塊Fig.9 Invert segment lifting by modified invert segment installing machine

6.3 TBM步進用舉升油缸座改造

TBM步進用舉升油缸座原始設(shè)計如圖10所示，該組成部分A和B是沒有連接的2個單獨部分，當(dāng)舉升油缸泄壓時，TBM自重將舉升油缸壓回，TBM向前步進時，焊接于A部分的2根軸C帶動固定于B部分的2個套筒D，從而使得B部分也隨TBM同步前進。此設(shè)計方案在第1次步進時，由于舉升油缸內(nèi)存在壓力以及混凝土弧形槽有誤差而導(dǎo)致B部分與地面摩擦力較大，使此基座的部分焊縫出現(xiàn)裂紋甚至脫落，嚴重影響了TBM正常步進。

圖10 改造前的舉升油缸基座Fig.10 Lifting cylinder foundation before modification

在二次步進開始前，決定對該基座進行改造。采用襯砌臺車上使用的小油缸來連接A和B部分，實現(xiàn)步進時將B部分整體提起，離開地面。改造后的基座，在步進時成功實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，從此，該基座沒有發(fā)生一次故障，成功降低了TBM步進故障率，為TBM早日步進至掌子面提供堅實基礎(chǔ)。改造后的基座如圖11所示。

圖11 改造后的舉升油缸基座Fig.11 Modified lifting cylinder foundation

7 結(jié)論與討論

TBM貫通后都需要繼續(xù)前進才能進行下一道工序，比如二次步進前步進設(shè)備的安裝通過模擬正常掘進，TBM在鉆爆加大斷面隧道內(nèi)前進，為步進設(shè)備(滑行支撐架)在隧道內(nèi)安裝提供足夠的空間，成功解決了步進設(shè)備在隧道內(nèi)安裝的難題。通過對步進設(shè)備的改造，提高了TBM步進效率。TBM步進設(shè)備體積龐大，安裝與拆卸都相當(dāng)困難，且絕大部分連接都采用焊接，在不影響使用的情況下可以考慮采用小件拼裝、螺栓連接。TBM上部分設(shè)備的布置在實際施工中還存在不便之處，可以根據(jù)施工需要進一步優(yōu)化。在不同地質(zhì)情況與環(huán)境下TBM施工會有不同的技術(shù)難點，研究并解決TBM施工中的技術(shù)難點必將是一項長期的工作。

［1］ 戴潤軍，楊永強.西秦嶺隧道連續(xù)皮帶機出碴下的同步襯砌施工組織管理［J］.隧道建設(shè)，2011，31，(4):494 －499.(DAI Runjun，YANG Yongqiang.Construction organization management for synchronous lining casting in the case of continuous belt conveyor mucking system:Case study on West Qinling tunnel［J］.Tunnel Construction，2011，31，(4):494 －499.(in Chinese))

［2］ 王峻武，陳大軍.蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM步進施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2011(5):101 －106.(WANG Junwu，CHEN Dajun.Lan-Yu railway Xiqinling tunnel TBM step construction technology［J］.Railway Construction Technology，2011(5):101 －106.(in Chinese))

［3］ 陳大軍.蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM步進技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010，31(2):162 － 168，178.(CHEN Dajun.Case study on TBM stepping modes in West Qinling tunnel on Lanzhou-Chongqing railway［J］.Tunnel Construction，2010，31(2):162 －168，178.(in Chinese))

［4］ 鄭孝福.TBM弧形步進的滑槽快速施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2011，31(2):252 －255.(ZHENG Xiaofu.Technology for rapid casting of arc-shaped cradles for TBM stepping［J］.Tun-nel Construction，2010，31(2):252 －255.(in Chinese))

［5］ 趙清泊.西秦嶺特長隧道TBM步進段弧形基礎(chǔ)的設(shè)計與施工［J］.路基工程，2011(2):175 －177.(ZHAO Qingbo.Arc foundation design and construction in TBM stepping section of West Qinglin extra-long tunnel［J］.Subgrade Engineering，2011(2):175－177.(in Chinese))

［6］ 徐贊.西秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2011，31(2):256 － 261.(XU Zan.Invert block precasting technology:Case study on West Qinling tunnel［J］.Tunnel Construction，2010，31(2):256 －261.(in Chinese))

［7］ 趙戰(zhàn)欣.西秦嶺隧道掘進機步進模式的探討［J］.鐵道建筑技術(shù)，2009(11):21 －23.(ZHAO Zhanxin.Discussion on the TBM stepping mode of West Qinling tunnel［J］.Railway Construction Technology，2009(11):21－23.(in Chinese))