“一洞雙機”TBM組裝洞結構形式優化分析與探討

楊 光

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

目前，世界各國已經在交通運輸、水利水電及城市排污等領域建成多條長度超過10 km的長大隧道，且隨著隧道施工技術的不斷發展，超長、特長隧道工程將不斷涌現。由于TBM的安全、高效、環保等特點[1]，其已被廣泛用于超長、特長隧道工程施工中[2-3]，如已建成的萊索托南水北調工程[4]、英吉利海峽隧道[5]、Vereina鐵路隧道、阿爾卑斯山鐵路隧道[6-8]等。

同時，隨著各超級隧道工程的陸續上馬，為了縮短工期、加大建設力度，TBM施工也已由1臺TBM獨頭施工或者2臺TBM相向施工向多臺TBM交接施工轉變[9]。由此，也出現了“一洞雙機”的特殊施工組織形式，即2臺TBM的前期組裝及后期掘進施工均通過同一個組裝洞進行。

TBM組裝洞作為TBM前期組裝及后期施工的重要功能洞室，對于各類TBM隧道工程，其設計和施工的合理性直接關系到整個工程的施工進度、施工安全及施工成本。采用洞內組裝的TBM隧道工程，多為1個組裝洞配套1臺TBM組織施工，例如引漢濟渭工程秦嶺隧洞[10]、大伙房輸水隧洞工程[11]、錦屏二級水電站引水隧洞工程[12-13]、引松供水工程[14]等?！耙欢措p機”的TBM施工組織模式還尚未出現過。本文所依托的北疆供水2期工程共采用20臺TBM，而本標段所用的2臺TBM組裝及施工均通過同1個組裝洞完成，屬“一洞雙機”項目，這在國內尚屬首例，還無類似經驗可供借鑒。

為此，本文在以往TBM隧道施工經驗的基礎上，結合本工程施工生產需要，從TBM組裝洞及其輔助洞室的結構布置形式和組裝洞關鍵部位的受力計算等方面著手，探索“一洞雙機”TBM組裝洞結構設計的最優形式，并對原設計形式進行分析優化，以期為2臺TBM的同時組裝和同時始發掘進奠定基礎。

1 工程概況

1.1 工程概述

本工程為北疆供水2期工程某標段，主隧洞全長43.847 km，設計縱坡1/2 583。其中，采用鉆爆法施工的洞段長2.732 km，采用TBM法施工的洞段長41.115 km。TBM掘進段采用2臺不同品牌(1臺由中鐵裝備生產制造，1臺由鐵建重工生產制造)的國產TBM施工。開挖斷面為圓形，開挖直徑為7.0 m。根據地質勘探資料，組裝洞及其他功能洞室范圍內，圍巖主要為華力西期紫紅—肉紅色堿性、鉀質花崗巖，圍巖級別為Ⅱ級，圍巖強度高、完整性好。區域內地表水貧乏，主要為冰雪融水和大氣降水補給，蒸發量遠大于降水量，地下不發育，礦化度較高。本工程范圍內50年超越概率為10%，中硬場地地震動峰值加速度位于0.15g區域，對應的地震基本烈度為Ⅶ級。

本工程2臺TBM均通過1個支洞運輸到組裝洞后進行組裝、步進并始發； 2臺TBM通過同一個組裝洞反向掘進，過程中的材料、人員、機械設備的運輸也全部通過同一個組裝洞完成，這就對組裝洞的結構布置形式提出了新的要求。

1.2 設備簡況

本工程所使用的2臺TBM主要參數如表1所示。

表1 TBM設備主要參數

2 原設計組裝洞形式

2.1 原設計組裝洞布置形式

本工程原設計交叉洞段和TBM組裝洞的布置形式，如圖1所示。原設計TBM各功能洞室布置為： 從T2支洞進入主洞段后為30 m的交叉洞段，向上游方向分別為120 m的TBM后配套組裝洞段、210 m的步進洞段和20 m的始發洞段(未在圖中標出)； 向下游方向分別為40 m的連接洞段、80 m的組裝洞段、180 m的步進洞段和20 m的始發洞段。組裝洞起始位置距離主支洞交叉口約55 m。

圖1 原設計TBM組裝洞及其他輔助洞室結構布置形式(單位： mm)

2.2 原設計形式存在的問題

TBM組裝洞的原設計結構布置形式存在一定弊端，主要分析如下：

1)原設計T2支洞軸線與主洞軸線交角為93.86°，近似垂直，轉彎半徑無法滿足TBM組裝及TBM掘進期間車輛大件運輸的順暢轉彎需求，更無法滿足TBM掘進期間平板運輸汽車調頭的需求。

2)原設計主、支洞交叉口空間狹小，上下游2臺TBM皮帶機交匯于交叉口位置時，無法滿足轉渣塔結構布置的空間需求。

3)原設計組裝洞在T2支洞下游約55 m位置處，只能在下游TBM組裝完成并全部步進至步進洞及始發洞后，才能開始上游TBM的組裝，無法保證2臺TBM的同時組裝需要，直接導致工期延長(即1臺TBM的組裝工期，約70 d)。

4)原設計還將導致支洞皮帶必須在上游TBM大件運輸進洞后才能開始組裝，無法開展多工作面施工，進一步延長了工期(約15 d)。

5)原設計組裝洞設置在主支洞交叉口下游約55 m處，在進行上游TBM組裝時，只能按照反向順序將上游TBM的設備構件運輸進洞，并在下游方向按反序擺放以便上游TBM正常組裝，但這既要占據組裝洞空間，又不利于裝機組織的開展。

6)本標段為“一洞雙機”模式，且2臺設備由不同廠家生產，所用設備配件及部分材料物資無法通用。按照原設計，在TBM掘進期間2臺設備所需的材料物資及設備配件需存儲在組裝洞內，不但空間狹小，還容易造成物資分配混亂的現象，無法滿足后期TBM快速掘進施工的需要。

2.3 優化目標

針對上述問題，為確保后期2臺TBM掘進施工的順利、高效，有必要對原設計的組裝洞及其他功能洞室進行設計優化。以期達到的目標主要有以下2個方面： 1)在TBM組裝期間，滿足2臺TBM同時組裝，滿足TBM進場時大型配件的運輸，滿足主支洞交叉口轉渣塔的布置； 2)在TBM掘進期間，滿足大型車輛的運輸通行、調頭及錯車需要，滿足2臺TBM快速掘進的材料及機具設備存儲需要，滿足洞內抽排水需求。

3 優化方案

根據2.2節及2.3節所述問題及優化目標，制定了TBM組裝洞及其他功能洞室結構布置形式的優化方案，總體方案要求如下： 1)將組裝洞設置在主、支洞交叉口處，結構及斷面形式與原設計相同，且交叉洞段與上下游組裝洞段的設計斷面相同，上下游組裝洞進行連通設計。2)交叉口處支洞段向兩側擴大為“喇叭口”形式。3)在主支洞交叉口底部設置300 m3集水倉和倒車洞。4)上下游分別設置附屬設備服務洞室，斷面形式與原設計后配套組裝洞相同。5)TBM步進洞和始發洞維持原設計不變。

優化后TBM組裝洞及其他輔助洞室結構布置形式如圖2所示； 優化前后TBM各功能洞室布置見圖3和圖4。

圖2 優化后TBM組裝洞及其他輔助洞室結構布置形式

圖3 優化前TBM各功能洞室布置圖(單位： m)

Fig. 3 Layout of TBM functional tunnels before optimization (unit: m)

圖4 優化后TBM各功能洞室布置圖(單位： m)

如圖2和圖4所示，優化后從T2支洞進入主洞后為192 m的組裝洞段，向上游方向分別為40 m的服務洞段、210 m的步進洞段和20 m的始發洞段；向下游方向分別為70 m的服務洞段、180 m的步進洞段和20 m的始發洞段。TBM組裝洞即設置在主支洞交叉口處，上下游TBM組裝有效區域分別為90 m和60 m，交叉洞段占42 m。

3.1 TBM組裝洞優化說明

1)將組裝洞設置在交叉口處，并使上下游連通，滿足2臺TBM設備同時組裝需求，可節省1臺TBM組裝工期；且任何1臺TBM組裝、步進完成后均可以安裝對應主洞連續皮帶機，對施工組織及工期有利。

2)2臺TBM大尺寸結構件運輸進洞后即可開始支洞皮帶主要結構件(除轉渣塔外)的安裝，可進行多工作面作業，實現TBM提前掘進。

3)TBM組裝洞較原設計擴大，在掘進施工期間的材料存儲區域相應增大，且2臺TBM所需材料、設備配件等可分開存儲，互不干擾?？蓪崿F延伸材料及備件等物料高效轉運，保障TBM連續快速掘進。

4)交叉洞段與上下游組裝洞段斷面設計相同，吊裝設備行走軌道相通，兩側洞室無論是TBM組裝期間還是TBM掘進期間都能實現資源的相互調配，提高效率、降低風險。

3.2 交叉洞段優化說明

將交叉口擴大為“喇叭口”形式，能夠滿足皮帶機轉渣塔結構的布置需要(轉渣塔長×寬約為7 m×5 m)，且能同時滿足平板運輸汽車的運輸、錯車需要。

3.3 其他洞室優化說明

1)主洞上游順坡排水及下游反坡抽排水匯集于交叉口通過支洞排出，交匯處排水量大，為確保施工安全、順暢，在主支洞交叉口底部設置300 m3集水倉，上下游廢水匯至集水倉內，再排出至洞外。

2)為了實現TBM掘進期間上、下游較長運輸車輛洞內調頭，確保洞內運輸安全及運輸時交叉口范圍設備安全，在交叉口增加倒車洞室，能夠實現洞內會車。

3.4 優化后各功能洞室概述

TBM組裝洞為TBM設備組裝區域以及掘進期間材料儲存區域； TBM服務洞在組裝期間為TBM存機區域，在掘進期間為材料儲存區域；TBM步進洞為設備組裝期間的存機區域；TBM始發洞為設備始發區域。

各功能洞室結構斷面如圖5—8所示。

圖5 TBM組裝洞橫斷面圖(單位： mm)

圖6 TBM服務洞橫斷面圖(單位： mm)

4 優化結構受力計算

對TBM組裝洞及其他功能洞室結構設計進行優化后，上下游組裝洞通過交叉口位置連通，主洞與支洞連接處斷面形式及結構受力與原設計發生變化，一方面交叉口需承載上部圍巖應力，另一方面還需承載上部過軌平臺自重以及在正常施工階段橋吊通過時的靜、動荷載。因此，需對主支洞交叉口范圍結構受力進行驗算。

圖7 TBM步進洞橫斷面圖(單位： mm)

圖8 TBM始發洞橫斷面圖(單位： mm)

4.1 主支洞交叉口支護方案

隧洞整體采用錨網噴支護體系，對主支洞交叉口42 m范圍進行加強支護。其中，主支洞相交處支洞部位采用I200工字鋼進行喇叭口加固，間距為0.6 m; 主洞部位30 m范圍內采用HW150型鋼拱架進行加強支護，間距1.5 m； 過軌平臺采用鋼筋混凝土結構。

4.2 計算目的及條件

為了明確主支洞交叉口在開挖過程中的圍巖應力，吊車鋼筋混凝土過軌平臺、支洞擴大端型鋼拱架支撐的受力情況，以及開挖過程擴大端蘑菇頭上部圍巖的應力狀態，采用有限單元法對施工過程圍巖及支護結構的受力情況進行分析，根據分析結果對已采取的支護方式進行優化。

交叉口支護部位的結構荷載主要考慮上部圍巖應力、鋼筋混凝土過軌平臺自重及傳導的上部荷載； 主洞部位的結構荷載主要考慮上部圍巖應力、橋吊荷載以及型鋼拱架傳導的應力。

4.3 有限元模型的建立

采用MIDAS/GTS有限元計算軟件，對主支洞交叉口部位建立三維有限元模型。用板單元模擬噴射混凝土，用植入式桁架線單元模擬錨桿，用梁單元模擬型鋼拱架。圍巖采用自由網格劃分和映射網格劃分，對主支洞交叉口處進行網格細化。主支洞交叉口結構斷面如圖9所示，所建有限元模型如圖10所示。

4.4 材料參數

1)支護材料物理力學參數如表2所示。

圖9 主支洞交叉口結構斷面圖
Fig. 9 Structural cross-section of connection section between main and branch tunnels

圖10 主支洞交叉口有限元模型(單位: m)
Fig. 10 Finite element model of connection section between main and branch tunnels (unit: m)

表2 支護材料物理力學參數

2)根據地質勘測資料及設計圖紙，隧洞所在地主要為硬巖，圍巖等級為Ⅱ級，數值分析時巖土層材料選用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)彈塑性模型，結構材料選用彈性(Elastic)模型，具體的材料屬性見表3。

表3 Ⅱ級圍巖物理力學參數

4.5 數值分析模型

主支洞交叉口支護結構數值分析模型如圖11和圖12所示。

圖11 主支洞交叉口混凝土層及錨桿模型

Fig. 11 Concrete layer and anchor model of connection section between main and branch tunnels

圖12 主支洞交叉口鋼拱架模型

Fig. 12 Steel arch model of connection section between main and branch tunnels

4.6 計算結果分析

1)在圍巖自重和吊車荷載作用下，支護結構位移最大值為9.44 mm，混凝土襯砌的混凝土應力為9.49 MPa，錨桿軸向拉應力小于鋼材的強度設計值，鋼拱架應力也小于設計強度。

2)在圍巖自重和吊車荷載作用下，主支洞交叉口擴大段支護結構位移最大值為9.87 mm，混凝土襯砌混凝土應力為9.49 MPa，鋼拱架軸向壓應力為85.15 MPa，彎曲應力為137 MPa，小于鋼筋的強度設計值315 MPa。

3)在吊車荷載作用下，過軌平臺混凝土層位移為9.7 mm，壓應力為1.57 MPa，小于混凝土抗壓強度16.1 MPa。

4)在吊車荷載作用下，支洞喇叭口處預留的圍巖位移為9.7 mm，圍巖剪應力為4.2 MPa，塑性應變為0.004； 圍巖沒有出現塑性區。

綜上所述，優化后的交叉洞段在原有支護條件下，洞室結構均能保持穩定，滿足施工生產需要。

5 結論與建議

本文以北疆供水2期工程某標段為例，對“一洞雙機”模式下，TBM組裝洞的結構布置形式進行分析，提出了原設計方案存在的弊端和優化方案，并對關鍵部位進行了受力驗算。據此，得出“一洞雙機”TBM組裝洞結構布置形式的要點。

1)將TBM組裝洞設置在主支洞交叉口處，自支洞進入主洞后可分別在上游側和下游側同步進行2臺TBM的組裝施工。

2)對交叉口處斷面形式與上下游組裝區域的斷面形式進行統一，上部蘑菇頭擴大部分進行連通設計，可實現吊裝設備的上下調配使用，節省資源。

3)將支洞與主洞相交部位的支洞部分進行擴大設計，方便轉渣結構的布置及TBM組裝期、掘進期的運輸需求。

4)根據后期掘進施工的需要，配置其他功能性輔助洞室(如集水倉、倒車洞等)。

按照優化方案完成TBM組裝洞及其他功能洞室的施工后，在TBM組裝期間，2臺TBM實際進場時間相差約15 d，但進場后均按計劃完成了同步組裝任務。2臺TBM組裝、步進并調試完成共計用時65 d，相比2臺TBM依次組裝用時(約140 d)大幅減少。另外，截至目前本標段TBM已掘進施工5個月(其中，前3個半月為試掘進期)，共計開挖約6 000 m，平均單臺TBM單月進尺約600 m。若不考慮試掘進，在正式掘進期，平均單臺TBM單月進尺可達到750 m左右，且洞內人員、材料、設備配件等運輸周轉良好，未出現過因運輸問題而停機待料的現象，總體達到了2臺TBM同時組裝及連續快速掘進施工的目的。

由于工期緊張，組裝洞優化方案仍然存在一定的缺陷，主要有以下幾點：

1)上游TBM步進洞長度無法滿足TBM整機長度的要求(上游步進洞210 m，TBM整機長度335 m)，TBM步進完成后，尾端60 m仍在組裝洞內，占用了主洞連續皮帶機的空間。下游TBM整機長度200 m，不存在此類問題。

2)未考慮洞內攪拌系統，在掘進過程中，噴射混凝土出現了供應不足的情況。

3)主支洞交叉口轉渣塔下未考慮皮帶機掉落廢渣的收集區，導致交叉口文明施工工作存在較大難度。

4)洞底300 m3集水倉上部空間高度設計過小，大型水泵安裝高度不足。

5)對組裝洞進行優化后，主體工程量有所增加，經核算，總投資增加約480萬元，存在較大的變更風險。

6)由于優化后組裝洞等功能洞室主體工程量有所增加，施工工期也有相應增加，經對比，優化后方案較原設計方案工期延長約60 d，但總體施工工期還需根據后期TBM掘進施工情況進行對比驗證。

在今后類似工程施工過程中，可針對上述幾點問題，對TBM組裝洞進行進一步優化。