“一洞雙機”TBM施工輔助洞室規(guī)劃影響因素分析

齊夢學(xué)

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

全斷面巖石隧道掘進機(TBM)為依靠刀盤旋轉(zhuǎn)推進、通過盤形滾刀破巖實現(xiàn)隧道全斷面一次開挖成型、采用主機帶式輸送機出渣的大型機械設(shè)備，具有技術(shù)先進、速度快、安全環(huán)保、工作環(huán)境好、對圍巖擾動小等優(yōu)點，是目前最先進的隧道施工設(shè)備之一[1-3]。TBM法隧道施工技術(shù)近年來日益得到相關(guān)行業(yè)的認可，應(yīng)用范圍不斷擴大，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利水電、軌道交通、鐵路、礦山、綜合管廊、公路等行業(yè)，同時施工的TBM數(shù)量已達40余臺(套)，有TBM施工業(yè)績的企業(yè)近20家，發(fā)展前景十分光明[4-5]。

以往由于應(yīng)用規(guī)模較小，我國TBM在同一工程中的應(yīng)用基本上是“單打獨斗”模式，1～2臺TBM施工的項目較多，如西南鐵路桃花鋪一號隧道和磨溝嶺隧道、青海引大濟湟工程、云南那邦電站、甘肅省引洮供水工程7#洞和9#洞等分別采用1臺TBM施工，西康鐵路秦嶺隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、四川錦屏二級引水隧洞、陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段等分別采用2臺TBM施工，遼寧省大伙房輸水工程采用3臺TBM同時施工。隨著TBM總體應(yīng)用規(guī)模的擴大，呈現(xiàn)“集群化”態(tài)勢，如遼西北供水工程同時采用8臺TBM，青島地鐵一號線和四號線分別同時采用4臺、6臺TBM，新疆EH工程同時使用20臺TBM施工，川藏鐵路雅安—林芝段投入的TBM數(shù)量預(yù)計達到近30臺，正在前期研究過程中的瓊州海峽海底隧道、渤海灣海底隧道(煙臺—大連或者蓬萊—大連)預(yù)計分別采用10余臺TBM。

通常，不論TBM在隧道進出口組裝，還是通過支洞進入洞內(nèi)組裝，大多數(shù)情況下1個通道只為1臺TBM服務(wù)，如西康鐵路秦嶺隧道2臺TBM分別由進出口共同承擔(dān)I線隧道施工、蘭渝鐵路西秦嶺隧道2臺TBM分別從左右線隧道出口開始掘進施工、引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段2臺TBM分別通過3#和6#支洞進入組裝洞施工正洞，這樣的規(guī)劃2臺TBM形成完全獨立的2個工作區(qū)，施工相互干擾少，有利于TBM施工組織。

然而蘭渝鐵路西秦嶺隧道2臺TBM進入第二階段施工時，皮帶機出渣、通風(fēng)、施工物料與人員運輸?shù)裙ぷ餍枰餐褂昧_家理斜井這一施工通道，但大部分施工材料仍然從隧道出口運抵工作面；新疆EH工程XE隧洞、KS隧洞共有5個支洞需要分別同時為2臺TBM施工服務(wù)，即2臺TBM均通過同一支洞運至正洞組裝洞室完成組裝調(diào)試后背向掘進施工正洞；大瑞鐵路高黎貢山隧道大小2臺TBM共用擴大斷面的同一個隧道出口作為施工通道；即將開工建設(shè)的川藏鐵路部分隧道2臺TBM將通過同一斜井(或者同一雙斜井)進入正洞組裝洞室完成組裝調(diào)試后同向掘進施工左右線隧道。上述工況，稱之為“一洞雙機”TBM施工，其難度相對較大，對規(guī)劃設(shè)計、施工組織、施工管理、施工技術(shù)提出了更高要求。本文重點研究“一洞雙機”TBM施工輔助洞室規(guī)劃設(shè)計，總結(jié)其布置形式，分析輔助洞室的功能，闡述輔助洞室的規(guī)劃與設(shè)計要點，為今后TBM施工提供助力。

1 “一洞雙機”TBM施工輔助洞室的布置形式

不同的隧道建設(shè)條件，根據(jù)施工通道(支洞或者正洞)與TBM掘進隧道的位置關(guān)系決定了不同的TBM施工通道規(guī)劃布置。

1.1 “T”型布置

如圖1所示，2臺TBM背向掘進同時施工同一隧道的不同區(qū)段，共用同一支洞作為施工通道，稱之為“T”型布置。新疆EH工程的5組“一洞雙機”TBM施工均為該布置形式。

圖1 某工程“一洞雙機”“T”型布置簡線圖

1.2 “Y”型布置

很多工程需要2座平行布置的隧道，有的工況條件下在洞口區(qū)域兩座隧道合并為一座隧道，大瑞鐵路高黎貢山隧道出口段就是如此。如圖2所示，全長34.5 km的高黎貢山隧道由怒江特大橋分左右線進入，平行布置，在距離隧道出口約500 m處合并為大斷面隧道，以利于車站布置。該隧道出口段正洞和平導(dǎo)分別以直徑9.6 m、6 m的敞開式TBM施工為主，由出口洞外組裝后步進到掌子面開始同向掘進施工，所有工序都需要以出口段的隧道作為通道[6]。

圖2 高黎貢山隧道“一洞雙機”“Y”型布置簡線圖

2臺TBM以同一隧道洞口進入組裝洞室或者始發(fā)洞，分左右線同向掘進施工，并且全部或者大部分相關(guān)工序都以上述同一洞口作為通道，稱之為“Y”型布置。

1.3 “干”型布置

全長28.23 km的蘭渝鐵路西秦嶺隧道出口段左右線分別采用1臺TBM施工，距離洞口約10 km處設(shè)有羅家理斜井，如圖3所示。TBM施工分為2個階段，第一階段TBM在洞口場地組裝調(diào)試后步進到掌子面開始掘進施工，到達羅家理斜井后開始第二階段施工，TBM第二階段施工時以羅家理斜井作為施工通道[7]。

圖3 西秦嶺隧道“一洞雙機”“干”型布置簡線圖

圖3所示羅家理斜井與正洞的布置方式，稱之為“干”型布置。

1.4 “開”型布置

2臺TBM利用同一支洞同向或者背向施工左右線隧道，為了減少干擾、提高工效，將設(shè)計2座并行的施工支洞。該工況稱之為“開”型布置，詳見圖4。

圖4 “一洞雙機”TBM施工“開”型布置示意圖

即將開工的川藏鐵路部分采用TBM法施工的隧道計劃采用該布置形式。

2 主要輔助洞室及其功能

為TBM施工服務(wù)的洞內(nèi)空間，統(tǒng)稱為輔助洞室，包括始發(fā)洞、步進洞、組裝洞、調(diào)頭洞室、施工支洞等。

2.1 始發(fā)洞

始發(fā)洞有時稱為出發(fā)洞，是為TBM開始掘進施工提供必要條件的輔助洞室，為TBM以準確的位置、正確的姿態(tài)開始掘進創(chuàng)造條件，對于具有撐靴的敞開式和雙護盾TBM需要滿足撐靴撐緊洞壁提供掘進反力的要求，步進機構(gòu)(如果有)將在TBM始發(fā)后被拆除并臨時存放于此。

2.2 步進洞

步進洞是布置在始發(fā)洞和組裝洞之間的輔助洞室，同時也是主體隧道構(gòu)筑物的一部分，TBM組裝后通過該洞室步進到始發(fā)洞。在TBM開始掘進之前，步進洞內(nèi)需要安裝必要的TBM配套施工設(shè)備(如皮帶機)，TBM掘進初期，步進洞主要用于臨時容納TBM；TBM正常掘進期間，步進洞內(nèi)需要布置通風(fēng)管、皮帶機、軌道、電力電纜、照明線路與燈具、通訊線路、供水管路、排水通道等；步進洞的空間通常較大，可作為部分材料存儲空間、列車調(diào)度空間，也可以布置施工廢水沉淀池。

2.3 組裝洞

組裝洞是TBM洞內(nèi)組裝的作業(yè)空間，用以臨時存放少量TBM部件并及時按設(shè)計圖拼裝組合形成一個整體，根據(jù)對應(yīng)的TBM區(qū)域不同可分為主機組裝洞和后配套組裝洞，也可以共用一個組裝洞。通常情況下TBM主機與連接橋在主機組裝洞內(nèi)組裝，后配套臺車在后配套組裝洞內(nèi)組裝或待主機向前步進后在主機組裝洞內(nèi)組裝。組裝洞內(nèi)需配置起重設(shè)備、工具、備品備件等臨時存放空間。

TBM掘進時，組裝洞成為施工材料中轉(zhuǎn)站、列車調(diào)度站，也是連續(xù)皮帶機主驅(qū)動安裝間，同時為其他管線等設(shè)備設(shè)施提供安裝和工作空間。

2.4 調(diào)頭洞室

洞內(nèi)空間相對狹小，往往無法滿足組裝前期TBM部件、施工期鋼軌鋼管等物資與設(shè)備運輸車輛調(diào)頭需求，因此應(yīng)合理規(guī)劃用于車輛調(diào)頭的洞室。

2.5 施工支洞

不具備條件直接以隧道進口或者出口作為施工通道時，需要設(shè)置施工支洞，鐵路行業(yè)通常稱之為斜井、豎井，水利水電行業(yè)根據(jù)坡度不同稱之為平支洞、緩斜井、斜井、豎井[8]。結(jié)合通常工況條件，為了便于研究，本文以最大坡度不超過13%的施工支洞作為主要研究對象，并統(tǒng)稱為施工支洞。

支洞為TBM施工提供一系列通道，具備如下功能：

(1)運輸功能。支洞需要實現(xiàn)前期洞內(nèi)鉆爆法施工運輸，洞內(nèi)輔助設(shè)施設(shè)備運輸，TBM部件運輸，TBM施工物料及人員運輸、出渣等運輸功能。

(2)給排水功能。支洞是施工期供水、排水的主要通道，甚至是唯一通道；支洞還需具備其自身廢水匯集排放功能。

(3)通風(fēng)排污功能。支洞是施工通風(fēng)的主要甚至唯一通道，需要合理配置，將新鮮風(fēng)送至工作面，并排出污風(fēng)，為施工生產(chǎn)提供必要的空氣環(huán)境。

(4)供電功能。支洞需為洞內(nèi)施工供電提供線纜敷設(shè)條件。

(5)其他功能。支洞還需提供洞內(nèi)外通訊線纜敷設(shè)、必要通訊設(shè)備安裝條件，洞內(nèi)照明安裝條件。

3 主要輔助洞室規(guī)劃設(shè)計要點

合理適用的輔助洞室規(guī)劃與布置，有利于車流、人流、物流、氣流、水流的順暢運轉(zhuǎn)，是“一洞雙機”TBM順利施工的重要保障，可以稱之為TBM施工的“生命線”。

3.1 總體要求

輔助洞室在TBM施工全過程中都要承擔(dān)“渠道”作用，貫穿始終，而使用期最長的工序是TBM掘進，因此輔助洞室規(guī)劃設(shè)計，在滿足TBM洞內(nèi)組裝的前提下，要為掘進施工提供適宜的空間環(huán)境。

3.2 始發(fā)洞

2臺TBM的始發(fā)洞分別布置，規(guī)劃設(shè)計需要重點關(guān)注以下幾點：一是長度，刀盤接觸掌子面時，撐靴撐緊洞壁，且保證洞壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，撐靴后端到始發(fā)洞起點的距離不小于5 m；二是斷面，始發(fā)洞斷面應(yīng)該略大于TBM開挖直徑，又沒必要太大，通常始發(fā)洞半徑大于TBM刀盤半徑10～20 cm為宜；三是底板形式，要適應(yīng)TBM步進方式與步進機構(gòu)，與步進洞保持相同的形式；四是高程，TBM始發(fā)時，步進機構(gòu)將留在始發(fā)洞內(nèi)，因而始發(fā)洞的底面高程應(yīng)略低于TBM開挖隧道，高差為步進機構(gòu)的底部厚度；五是軸線和TBM掘進隧道保持一致；六是坡度，需要和TBM初始掘進段保持一致。始發(fā)洞設(shè)計示例如圖5所示。

圖5 始發(fā)洞橫斷面設(shè)計示例(單位：mm)

3.3 步進洞

(1)為了便于TBM步進通過，步進洞斷面略大于TBM開挖直徑，間距以不小于20 cm為宜。

(2)底板結(jié)構(gòu)應(yīng)與TBM步進機構(gòu)相適應(yīng)，并且充分考慮TBM掘進期間軌線布置、物料存儲等需求，建議采用平面結(jié)構(gòu)，標高與始發(fā)洞起點相同。

(3)坡度與TBM初始掘進段保持一致為宜。

(4)盡量避免水平小曲率半徑轉(zhuǎn)彎，以直線為宜；無法避免水平曲線時應(yīng)合理考慮隧道連續(xù)皮帶機正常運行的需求，現(xiàn)有技術(shù)條件下轉(zhuǎn)彎半徑不小于800 m，最好能夠按不小于1 000 m規(guī)劃設(shè)計。

(5)線型與成洞保持一致，中線與隧道中線重合。

(6)通常情況下2臺TBM的步進洞分別設(shè)置，其最小長度需要根據(jù)TBM整機長度、隧道連續(xù)皮帶機初始長度、洞內(nèi)物料運輸中轉(zhuǎn)的必要長度，結(jié)合始發(fā)洞、組裝洞等洞室長度綜合確定，TBM始發(fā)時盡量形成正常生產(chǎn)的格局，避免中間長時間停機。步進洞橫斷面設(shè)計如圖6所示。

圖6 TBM步進洞橫斷面設(shè)計示例(單位：mm)

3.4 組裝洞

(1)主支洞呈“T”型布置時，為減小大斷面洞室施工工程量，2臺TBM可以共用組裝洞；主支洞呈“開”型布置時，不論TBM直徑大小，都應(yīng)分別設(shè)置組裝洞；主支洞或者兩主洞呈“Y”型布置時，根據(jù)布置形式、轉(zhuǎn)彎半徑考慮共用或者分別設(shè)置組裝洞，也可以TBM洞外組裝后步進到掌子面開始掘進施工。

(2)組裝洞底板必須設(shè)計為平坡、水平平面，標高與步進洞相同。

(3)組裝洞應(yīng)設(shè)計為水平直線。

(4)組裝洞長度需要考慮如下因素：TBM主機長度，連接橋長度，刀盤臨時存放、拼裝與焊接空間，刀盤與組裝好的驅(qū)動組件之間的安全距離(不小于1.5 m)，起重設(shè)備前后兩端的工作盲區(qū)。

(5)組裝洞寬度需要同時滿足下列條件：一是單側(cè)超出TBM開挖輪廓線不少于1.5 m；二是配置的TBM組裝用起重設(shè)備(如橋式吊機)吊鉤有效工作范圍不小于TBM開挖輪廓線；三是TBM掘進期間，滿足皮帶機出渣系統(tǒng)、列車運行軌道系統(tǒng)(軌線數(shù)量按施工組織需要布置)、物料存儲空間布置且各區(qū)域間合理預(yù)留安全間距。

(6)組裝洞高度設(shè)計由下述因素決定：一是刀盤直徑；二是TBM組裝時吊索最小垂直高度；三是起重設(shè)備最大起升高度較前二者之和大20 cm以上；四是吊鉤及起重設(shè)備安裝高度；五是根據(jù)上述條件，按相關(guān)規(guī)范確定拱頂結(jié)構(gòu)形式與尺寸。

(7)組裝洞中線不必與成洞中線重合，宜適當(dāng)偏心布置，皮帶機出渣系統(tǒng)安裝側(cè)滿足安裝、運行、檢修空間需求即可，盡量減小皮帶機出渣系統(tǒng)至洞壁之間的距離，避免空間浪費。

組裝洞橫斷面設(shè)計示例見圖7。

圖7 TBM組裝洞橫斷面設(shè)計示例(單位：mm)

3.5 調(diào)頭洞室

(1)位置。主支洞呈“T”型布置時，調(diào)頭洞室宜布置在主支洞交叉口正對支洞處，以便于車輛調(diào)頭駕駛操作；主支洞呈“干”型、“開”型布置時，洞室布置已經(jīng)具備了車輛調(diào)頭條件，但需要結(jié)合車輛轉(zhuǎn)彎半徑合理規(guī)劃洞門擴大；主支洞或者兩主洞呈“Y”型布置時，如果洞內(nèi)設(shè)組裝洞則調(diào)頭洞室宜設(shè)置在組裝洞附近，如果沒有組裝洞則不需調(diào)頭洞室，有軌運輸延伸至洞外。

(2)長度。調(diào)頭洞室長度需要根據(jù)計劃采用的運輸車輛長度、轉(zhuǎn)彎半徑、運輸物資與設(shè)備尺寸等因素，結(jié)合正洞寬度等因素，計算機模擬后綜合確定。

(3)斷面。綜合考慮運輸車輛的限界尺寸、安全間距確定調(diào)頭洞室凈空尺寸，安全間距不小于50 cm。

(4)高程與坡度。調(diào)頭洞室洞口底板高程與正洞保持一致，以便于車輛進出；為了避免積水，調(diào)頭洞室宜設(shè)計為內(nèi)高外低，坡度約為1.5%。

(5)調(diào)頭洞室內(nèi)不宜放置其他設(shè)備、物資。

調(diào)頭洞室布置示例見圖8。

圖8 調(diào)頭洞室設(shè)計示例(單位：mm)

3.6 施工支洞

“一洞雙機”工況下，2臺TBM共用同一施工支洞，支洞內(nèi)設(shè)備與設(shè)施較多，運輸工作量大且集中，需充分考慮各影響因素，兼顧安全與效率，確定其規(guī)劃與設(shè)計。

(1)條件允許、洞長對總體投資影響不嚴重時盡量減小支洞縱坡，最大坡度最好調(diào)整為2.5%以下以便于有軌運輸列車在洞外裝車后正常運行至洞內(nèi)并運抵TBM工作區(qū)域；否則就要無軌運輸至洞內(nèi)再轉(zhuǎn)換為有軌運輸方式，影響施工效率。

(2)支洞內(nèi)應(yīng)參照相關(guān)規(guī)范合理設(shè)置平坡段或者緩坡段，以利運輸安全。

(3)綜合考慮設(shè)備設(shè)施安裝、安全間距、運輸通道等因素，確定支洞凈寬。通常情況下皮帶機出渣系統(tǒng)以支架安裝在洞壁或以吊鏈懸掛在洞頂，合理提高安裝高度，與洞壁間距不小于30 cm；供排水管路宜鋪設(shè)在皮帶機下方，以托架上下布置；高壓電纜、照明、通訊線纜等宜布置在皮帶機對側(cè)，豎向排布；中間布置運輸通道，無軌運輸按雙車道(上行與下行分離)規(guī)劃，有軌運輸布置四軌雙線制軌道，列車編組與其他設(shè)備設(shè)施安全間距不小于30 cm，無軌運輸車輛運行安全間距不小于50 cm，兼顧施工期最寬部件(如軟風(fēng)管儲存筒)運輸、人員躲避等要求。確實不具備雙車道通行條件，則必須合理設(shè)置錯車洞，以免影響運輸效率，錯車洞應(yīng)布置在皮帶機對側(cè)。

如果支洞較短(如數(shù)百米或更短)，可以不必強制要求無軌運輸雙車道布置。

(4)重點考慮通風(fēng)軟管尺寸與安裝位置、運輸線路規(guī)劃及限界尺寸，確定支洞凈高。通風(fēng)軟管到洞頂(或洞壁)間距不小于20 cm；停風(fēng)軟管下垂時最低點與運輸限界最高點的間距不小于20 cm；緩坡段或者平坡段風(fēng)管懸掛應(yīng)順直，風(fēng)管與運輸限界的間距仍需滿足上述要求。

(5)支洞皮帶機配置輔助驅(qū)動系統(tǒng)時，應(yīng)合理規(guī)劃擴大洞室，滿足皮帶機順直布置要求；同時規(guī)劃輔助驅(qū)動專用的變壓器洞室。

(6)根據(jù)排水規(guī)劃，合理布置梯級排水泵站專用洞室，宜布置在支洞皮帶機同側(cè)；集水倉容積滿足設(shè)計要求，斷面滿足水泵拆裝、變壓器安裝、控制柜安裝要求，并合理考慮電氣設(shè)備安裝高度，避免水淹。

施工支洞設(shè)計示例見圖9。

圖9 施工支洞典型橫斷面設(shè)計示例(單位：mm)

4 結(jié)束語

采用TBM法施工的隧道，在適宜的地質(zhì)條件下一定要充分發(fā)揮TBM的優(yōu)勢，努力實現(xiàn)持續(xù)、均衡、快速施工[5]，因而“一洞雙機”模式下需要高度重視具有“渠道”作用的輔助洞室的規(guī)劃設(shè)計。一是明確輔助洞室是為TBM施工服務(wù)的，其功能務(wù)必得以保障，需要合理的規(guī)劃與設(shè)計；二是確保長期使用過程中輔助洞室的安全，需要保證輔助洞室支護設(shè)計的長期可靠性；三是切忌為了節(jié)約局部成本而盲目壓縮輔助洞室的有效空間，從而制約其功能的正常發(fā)揮，降低TBM施工效率，這是得不償失的。