關于雙護盾TBM始發技術的研究

周　清

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710032）

關于雙護盾TBM始發技術的研究

周清

（中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710032）

摘要：本文以蘭州水源地工程為例，針對工業廣場的地利限制條件，對雙護盾TBM工程的結構特點、始發技術、皮帶出渣、皮帶支架的安裝、輔助條件工作進行了詳細地說明，論述了雙護盾TBM快速始發的技術方案。通過對TBM始發方案的探討，對整個工程的完成有著促進意義。

雙護盾TBM；始發技術；輔助條件

近年來，先進的全斷面掘進機（TBM）在地下工程中愈來愈顯示其功能的優越性。尤其是雙護盾TBM，在隧道施工中（如開挖、出渣、襯砌灌漿等平行作業）實現一次成洞，有效地利用隧道空間，使施工作業達到安全、高效和快速施工的目的。在一定的地質條件下，雙護盾TBM掘進機能很好地解決巖石的非穩定性及涌水問題，其結構形式和特點越來越受到廣大施工單位的青睞。針對蘭州水源地建設工程，引進國內首臺自主設計制造雙護盾TBM，采用有效的始發方案，快速完成TBM的正常掘進條件，也為未來施工建設開拓更寬廣的市場做好鋪墊。

全斷面隧道掘進機按支護形式可分為開敝式、單護盾、雙護盾3種類型。開敝式TBM一般用于硬巖層的掘進施工，單護盾常用于軟巖層及地下水位較高的不穩定地層施工，雙護盾TBM又稱伸縮盾TBM，具有硬、軟巖層的倔強施工，工程建設中運用得很廣泛，對山體斷層多，地質復雜的情況能很好地順利施工。通過對雙護盾TBM結構特點及始發方案的準確把握，為工程順利建設有著促進意義。

本工程標段范圍為T16+160～T30+931輸水主洞TBM施工洞段，采用一臺雙護盾TBM進行施工，開挖洞徑5.49m。TBM在主洞口外的TBM工業廣場組裝，從主洞（樁號T30+630）直接步行通過鉆爆施工段，始發逆坡向上游進行主洞掘進至通氣井（樁號T16+160）處，在洞內拆卸后出洞，TBM2施工控制段長度14.1km，掘進長度12.1km，滑行安裝管片長度2.0km。

1.雙護盾TBM結構特點

本工程項目的雙護盾TBM主要結構為：刀盤、盾體、連接橋、后配套等組成，整個設備全長約為310m。

1.1 刀盤

刀盤采用低合金高強度鋼板焊接扁平式結構，分上、下兩部，面板上布滿網狀式的耐磨焊條，通過高強度螺栓將刀盤法蘭與主驅動連接，刀盤面板上布置有多個背裝式注水噴嘴，可很好地解決刀盤除塵及降溫。

該設備采用大容積的刮渣鏟斗，能保證石渣通過溜渣槽進入接渣斗，并用皮帶輸送機排除到主機外。

1.2 盾體

盾體主要由前盾、伸縮盾、撐緊盾、尾盾組成，采用錐形設計，為焊接結構件，并在底部增加耐磨條保護。盾體結構如圖1所示。

1.3 連接橋

連接橋由連接橋一及連接橋二組成，通過管片拼裝機上兩個φ250mm的拖拉油缸相連接，安裝著主泵站、主控室、管片吊機等，為管片的拼裝及鋼軌儲存預留了足夠的操作空間；通過在連接橋上增添后配套皮帶機，可將主機運輸出的石渣標高降低，轉運到連續皮帶機上，運出洞口。

1.4 后配套

整個雙護盾TBM后配套有25節臺車，主要配套液壓系統、豆礫石系統、水泥注漿系統、電氣系統、水系統、通風系統、輔助系統等，通過一系列后配套系統的配合為掘進機正常運行提供了保障。

2.雙護盾TBM始發總體方案

TBM主機組裝完成后，采用一臺32t卷揚機牽引的方法進洞。TBM滑行至掌子面后，安裝反力架始發掘進。

圖1　盾體結構示意圖

鉆爆段主洞為200m，TBM整機長約310m，即TBM滑行至掌子面后依然有部分后配套在隧洞外；此時連續皮帶機皮帶儲存倉因安裝位置不夠無法安裝，須TBM完全通過擴大洞室后才能安裝連續皮帶機皮帶儲存倉。因此，TBM的始發分兩步進行：①TBM后配套在洞外時的始發；②TBM后配套在擴大洞室時的始發。待TBM掘進機通過上述區域后，再安裝連續皮帶機的皮帶儲存倉、皮帶主驅動后才開始正常掘進。

2.1 始發前的準備

（1）TBM進洞前，在洞外組裝及滑行基座上預埋鋼軌。

（2）檢查TBM滑軌，對損壞、變形必須修復。

（3）檢查滑軌安裝位置，如不符合要求，必須進行調整。

（4）準備編組列車，滿足始發期間鋼軌、電纜、風水管延伸等需要。

（5）在滑行鋼軌上涂抹潤滑脂，減少步進的阻力。

（6）在護盾后部兩側盾殼與預埋鋼軌接觸部位各焊接一塊止轉塊，防止護盾在滑行過程中扭轉。

2.2 雙護盾TBM始發

雙護盾TBM具備兩種掘進模式，即雙護盾和單護盾掘進模式，雙護盾掘進模式利用撐靴撐緊洞壁提供掘進反力，單護盾模式利用輔助油缸頂推管片提供掘進反力。根據始發段的地質條件，選擇雙護盾模式始發。

2.2.1 始發前的準備

（1）始發基座的位置要使TBM軸線與隧道設計軸線基本保持一致，保證始發階段隧道內襯不超限。基座在始發前做好，結構為混凝土仰拱內預埋鋼軌，始發前混凝土基座要達到足夠的強度。

（2）反力架安裝位置要精確，在洞壁內預埋足夠數量的預埋件，預埋件與反力架連接后的強度要能夠承受TBM始發時的反力，并且預埋位置能保證反力架精確定位。反力架安裝位置如圖2所示。

（3）反力架做成環形鋼結構件，環向采用6組預埋件與反力架連接達到滿足掘進機始發所需的強度、剛度和定位精度。反力架主框架箱型結構，主要板材采用高強度的20mm鋼板，確保其強度、剛度能承受始發的反力并具有一定的保險系數。反力架通過與預埋鋼件在縱向和軸向位置上的可靠固定，滿足推進油缸推進時的作用力。

（4）利用掘進機上配備的導向系統，調整TBM主機的姿態，使TBM主機的軸線和隧道軸線的誤差在要求范圍之內。

（5）掘進機刀盤切削巖體時產生巨大的扭矩，為了防止掘進機殼體在始發基座上發生偏轉，必須在兩側的殼體上焊接止轉塊，在基座上鋪設鋼板條。隨著掘進機的前行，止轉塊在鋼板條上滑動，當止轉塊靠近洞口時將之拆除。

（6）安裝好洞門的橡膠密封裝置。

2.2.2 始發過程

推進油缸全部收回，安裝反力架，通過螺栓和焊接的方式使反力架與預埋件牢固固定；在反力架上拼裝第一環負環管片，采取先下部管片，在兩側最后上部的拼裝順序拼裝管片，在環向上通過管片上螺栓孔相互連接牢固，縱向上管片通過反力架上加工的螺栓孔與反力架連接牢固，推進油缸頂緊管片；負環管片拼裝完畢后啟動TBM向前掘進，推進行程結束，開始拼裝第二環負環管片，拼裝時管片與管片之間的密封墊和螺栓連接處的密封圈必須安裝。繼續掘進，直到第七環管片安裝完畢后，護盾此時全部進入TBM開挖洞內，停止掘進，從管片的注漿孔內進行注漿，注漿結束后，TBM開始繼續向前掘進，完成TBM的始發。

2.2.3 始發注意事項

（1）TBM始發時要根據反力架和負環管片的承載能力，制定掘進參數，避免掘進扭矩超過反力架和負環管片承受的扭矩，通過目視和監測反饋數據及時調整掘進參數。

（2）嚴格控制掘進機姿態，防止旋轉、上飄。

（3）起始環管片應準確定位，連接牢靠，不變形，上下左右對稱，誤差不大于1mm。起始環處管片襯砌同圍巖之間的環形空隙，使用快硬性混凝土或水泥砂漿等材料填塞密實，以利閉漿。

（4）注漿時，要對首環管片的尾端密封嚴實，反力架與砂漿接觸的部位涂抹脫模劑，防止跑漿和黏膜。嚴格控制注漿量和注漿壓力防止砂漿反灌入護盾外側區域，造成板結，影響掘進。

2.3 TBM始發階段出渣方案

TBM開始掘進時，由于場地限制，TBM后配套一部分在洞外，此時TBM連續出渣皮帶系統尚未形成，需采用臨時出渣方案出渣。

2.3.1 TBM后配套在洞外時的出渣

TBM整機長約310m，鉆爆洞室長度200m，TBM主機皮帶出渣系統形成。出料口在TBM機260m處，即TBM滑行至掌子面開試掘進時，需在洞外出渣60m，出料口才能進入擴大洞室。

出料口在洞外時，采用直接棄渣的方案。將出料口溜槽加長，掘進時通過連續皮帶直接將渣料甩到洞口，通過裝載機，裝到自卸汽車運至永久棄渣場。出渣位置如圖3所示。

2.3.2 TBM后配套在洞內時的出渣

圖2　反力架安裝位置示意圖

圖3　出渣位置示意圖

圖4　皮帶支架安裝示意圖

在TBM掘進至出料口進入擴大洞室后，將出料口溜槽方向改為向內，直接排至軌道上的渣料罐。制作5×1.5×1.5m渣料罐，每罐可裝載10m3渣料，共制作5個，可裝載TBM掘進一個行程（1.5m）所產生的渣料。掘進時，用小火車將渣料罐運到TBM上裝載渣料，裝滿后運出洞外。通過龍門吊或汽車吊將渣料罐裝到運輸汽車運至永久棄渣場。

2.3.3 TBM后配套皮帶架的安裝

擴大洞室總長140m，當TBM后配套完全通過該區域后，安裝連續皮帶機即可開始正常掘進。

皮帶支架采用吊架進行延伸，在預制管片時，在管片上預埋墊板或是螺栓，進行皮帶支架的固定。

皮帶驅動采用“頭+尾”方式驅動，頭部驅動的功率為630kW，尾部驅動的功率為315kW。皮帶的帶寬為：700mm。

2.3.4 皮帶的硫化

皮帶硫化在洞內進行，采用雙頭硫化的工藝，縮短皮帶硫化時間。具體工藝如下：

（1）制作皮帶攤放臺車，該臺車可以在小火車軌道上行走，同時還可左右移動。皮帶支架安裝如圖4所示。

（2）在洞外利用汽車吊將皮帶攤放到臺車上。

（3）用小火車將皮帶臺車運輸到洞內皮帶硫化區側面，用4臺壓機將皮帶臺車頂升與小火車軌道脫離，在皮帶硫化工位（皮帶主驅動與皮帶儲存倉之間）鋪設橫向軌道與皮帶臺車橫向對齊，使皮帶臺車落到橫向軌道上。

（4）利用杠桿原理，兩人分別持一根撬杠撬左右行走輪處，將皮帶臺車推至皮帶硫化工位。

（5）分兩頭同時開始硫化皮帶。

3.輔助條件的準備

3.1 通風布置

采用軸流風機獨頭壓入式通風方案。風管采用Φ1600mm、采用每節300m長的低泄漏、無縫、拉鏈式軟風管。風機的功率為180kW。

通風軟管布置在距離洞頂約200mm以下，用Φ8的鋼絲繩連接，可以通過在管片上預埋墊板或是螺栓進行連接。

3.2 供水布置

供水從離施工現場約4km處的供水管網引接，在工業廣場的指定位置處設置兩個約800m3的低位水池，通過DN150的管路將水供至低位水池。

在征地范圍內的最高處建立一座約300m3的水池，用增壓泵將低位水池的水供至高位水池，并從高位水池通過DN125的管路供應TBM用水。

TBM供水管布置在進洞口的左側（皮帶架下方）洞壁，距底管片軌道安裝面0.6m高處，供水管采用管箍連接。

3.3 排水布置

洞口布置兩個沉淀池。由于TBM是逆坡掘進，順坡排水，水可以通過自流的方式流向洞外的沉淀池。

3.4 供電布置

在洞口附近建立一座35kV的變電站，其中設置一臺4000kVA的變壓器，由35kV降壓至20kV，設置另一臺8000kVA的變壓器，由35kV降壓至10kV。

（1）TBM的供電直接從提供的20kV電源通過3×95的高壓電纜引接。3×95高壓電纜安裝在供水管上方，距底管片軌道安裝面1.2m處，采用電纜掛鉤固定在隧道左側洞壁上。

（2）在35kV的變電站旁布置兩臺800kVA的變壓器，由10kV降壓至400V。一路專門給皮帶主驅動供電，一路給通風、主洞照明、排水及工業廣場供電。

（3）照明線路采用35mm2三相五線阻燃絕緣電線，照明線支架利用管片的螺栓固定在隧洞右側洞壁，距底管片軌道安裝面1.5m處。線路布置如圖5所示。

圖5　線路布置示意圖

結語

通過對雙護盾TBM始發方案技術的研究，積累了雙護盾TBM經驗知識，為蘭州水源地引水工程的順利完成奠定了基礎，更對整個工程的如期完成提供了保證。

[1]杜士斌.開敞式TBM的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2011：60-85.

[2]山西省萬家寨引黃工程管理局.雙護盾TBM的應用與研究[M].北京：中國水利水電出版社，2011：100-120.

[3]掘進機隧道掘進概論[M].北京：科學出版社，2014：86-90.

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