敞開式TBM功效提升新技術及其在大直徑輸水隧洞中的應用

倪自榮

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

隧洞工程具有地質條件復雜、隧洞洞線長、隧洞開挖直徑大、高工壓、全程自流等特點。TBM是一種依靠刀具旋轉掘進的一種方式，廣泛應用于隧道開挖等工程，是一種大型的隧洞施工技術，是大型工廠化施工的高新技術裝備。目前已經有許多學者對TBM掘進輸水隧洞進行了研究，并取得了一定的成果。張紅耀等[1]學者對TBM刀盤刀具、軸承、支護等系統進行了針對性的設計，通過在重慶軌道交通六號線的應用，此種設計可以提高敞開式TBM的適用性。孫振川等[2]調研國內外相關案例，提出了新的TBM連續施工方案和措施，并研究出了一系列理論及參數，為巖溶及軟弱地層等工程提供一定的借鑒和參考。孔祥政[3]通過調整TBM的掘進參數，對于不良地質洞段進行了一定的改進，為類似的工程提供了一些經驗。莫耀升[4]對敞開式TBM在長大輸水隧洞的施工技術進行了研究，取得了一些基本的經驗，對類似工程的施工具有一定的借鑒作用。杜士斌[5]論述了對大伙房輸水隧洞工程中應用的開敞式TBM技術進行了介紹。孫千[6]通過對大伙房水庫輸水隧洞工程的施工現狀進行了研究，對相似的工程具有一定指導作用。

1 TBM在隧洞施工中的應用現狀

自20世紀90年代開始，我國開始應用TBM掘進技術，但與國際水平還有較大的差距。1985年廣西隆林天生橋水電站第一次采用大斷面巖石掘進技術；1991年甘肅省引大入秦大型跨流域灌溉工程是國內第一條成功應用TBM施工的隧洞工程；之后山西省萬家寨引黃工程、西康鐵路秦嶺隧道工程等多個隧洞工程均采用TBM施工。TBM施工在國內水利水電、鐵路、礦業等行業得到了越來越廣泛的應用。

國外TBM技術發展較早，也較為成熟，19世紀中葉開始，TBM施工法第一次發展出來。20世紀50年代美國羅賓斯公司研制出第一臺現代意義的TBM，TBM在世界范圍內得到了長足發展。20世紀80年代以來，TBM施工技術有了長足的發展。

2 敞開式TBM功效提升技術

敞開式TBM使用了20″新結構盤形滾刀，同時應用了新型刀盤耐磨板，有效地保護了刀盤本體。

另外，當掘進段遭遇不良地質時，圍巖在護盾內易發生大塊巖石或小塊大量巖石的坍塌如圖1所示，塌落體出露護盾后有直接掉落的趨勢，常規的TBM護盾后面為了施工的安全加裝了指形護盾。通過對圍巖坍塌情況進行分析，開發了新型的支護系統。新型支護系統由鋼筋排安裝系統(羅賓斯稱之為McNally系統)、高效鋼拱架及鋼筋網片安裝機構、錨桿鉆機以及噴混系統組成。新型圍巖系統作為TBM工法隧洞施工的新型施工工藝，可以保證及時、快速進行頂拱部位支護。

圖1 初露護盾后圍巖坍塌情況

3 敞開式TBM在大直徑輸水隧洞中組裝、步進、始發洞室的設計優化

3.1 TBM擴大洞室設計

根據本工程的實際特點，本著滿足最基本施工要求、降低施工難度、縮短施工工期、節省施工成本支出的原則，立足于統一6臺洞內組裝的TBM擴大洞室設計為出發點，提出了一整套TBM擴大洞室設計優化的方案。擴大洞室布置示意圖如圖2所示，該方案主要特點有以下兩點：①TBM組裝洞由140m縮短為80m；②始發洞長度由20m加長至25m。

圖2 TBM擴大洞室布置示意圖

3.2 TBM組裝區洞室設計

TBM組裝的最長部件為2#連接橋，長度約13～15m、寬度3～4m、高度2m。TBM組裝區為圓頂直墻型洞室設計，洞室底板為平底板設計。洞室凈寬最小為12.5m，至圓頂頂點凈高16.5m，在TBM主機組裝區配置兩臺起重能力100t的橋式起重機，橋吊的軌道預埋在巖錨梁的巖臺混凝土內，行走軌道長80m、橋吊跨度14.1m，主勾最大起吊高度11.0m。另外安裝一臺25t橋式起重機，配合主橋吊完成TBM主機及后配套大部件的吊裝工作。TBM主機組裝區洞室結構圖如圖3所示。TBM超大部件在洞內的擺放布置如圖4所示。

圖3 TBM主機組裝區洞室結構圖

3.3 TBM步進通過洞室設計

TBM通過段洞室設計較為簡單，主要是滿足TBM主機及后配套步進的凈空要求，保證TBM主機及后配套系統能夠順利步進通過。TBM通過段洞室設計為馬蹄形斷面，TBM步進通過段洞室結構如圖5所示。

3.4 TBM始發段洞室設計及優化

為簡化設計、減少工序、降低工程量，設計人員對TBM始發洞做了較大的設計優化：①始發洞長度由20m延長至25m；②始發洞斷面形式由圓形平底板變更為馬蹄型洞室，與步進通過洞室保持相同的斷面尺寸，以減少鉆爆開挖的難度和工程量，加快施工進度；③由于采用滑板式步進方式，平底板混凝土上部的步進導向槽，要一直延伸至掘進斷面掌子面附近10m距離以內；④取消始發洞的全圓襯砌混凝土施工，僅提前鋪設混凝土底板，邊頂拱區域根據地質情況的不同，分別采取不同的支護方式。

圖4 TBM超大部件擺放布置圖

圖5 TBM步進通過段洞室結構圖

4 結語

(1)以長大隧洞TBM設備為研究基礎，從影響TBM施工工效提升的細節入手，研究、應用了一系列保證TBM施工工效提升的技術措施和技術手段。

(2)研究、采用新型TBM刀盤面板耐磨材料，保證了長距離掘進刀盤壽命，減少了掘進過程中刀盤維修量、縮短了刀盤維修時間，提高了設備掘進效率。

(3)從工程施工實際出發，本著功能不變、施工方便、經濟適用、降低成本的原則，結合施工實際，對后配套系統結構進行的全面、系統化的優化，有效降低了設備采購資金、提高了設備的實用性和作業效率，并且及時消除了設備隱患，保證了施工生產的正常進行，創造了較大的經濟效益。