單支洞雙向主洞TBM同時掘進施工附屬系統(tǒng)探析

張 俊 卿

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，我國修建長大隧洞工程的數(shù)量越來越多，難度[1，2]也越來越大。而TBM以其安全、快速、高效、環(huán)保等特點，被廣泛應(yīng)用于長大隧洞的施工中。

而在各超級隧洞工程中，為了縮短工期，TBM施工也出現(xiàn)了“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”的特殊施工組織形式。即通過一條支洞及組裝洞進行TBM的組裝及掘進，其施工組織的高效性、合理性就顯得更為重要。

本文在以往施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從TBM組裝洞布置優(yōu)化、輔助配套系統(tǒng)和施工保障系統(tǒng)三個方面，對“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”模式附屬系統(tǒng)進行了探討，為2臺TBM的同時快速、高效掘進奠定了基礎(chǔ)。

1 工程概況

本工程為北疆供水二期工程某標段，主隧洞全長43 847 m，斷面φ7.0 m，設(shè)計縱坡1/2 583，其中鉆爆法施工洞段長2 732 m，TBM法施工洞段長41 115 m(本工程隧洞平面布置圖如圖1所示)。2臺TBM共用同一條支洞及同一個組裝洞，完成組裝、步進并始發(fā)，分別向上下游反向掘進。TBM施工過程中的材料、人員、機械設(shè)備的運輸也全部通過同一個組裝洞完成，這就對掘進施工的各個環(huán)節(jié)提出了較高的要求。

2 組裝洞布置優(yōu)化

為確保TBM掘進施工期間的運輸、通風(fēng)、排水等環(huán)節(jié)的高效運行，對原設(shè)計的組裝洞結(jié)構(gòu)布置形式進行了優(yōu)化。優(yōu)化方案為：1)將組裝洞設(shè)置在主支洞交叉口處，結(jié)構(gòu)及斷面形式與原設(shè)計相同，且交叉洞段與上下游組裝洞段的設(shè)計斷面相同，上下游組裝洞進行連通設(shè)計；2)交叉口處支洞段向兩側(cè)擴大為“喇叭口”形式；3)在主支洞交叉口底部設(shè)置300 m3蓄水池和倒車洞；4)TBM步進洞和始發(fā)洞維持原設(shè)計不變。原設(shè)計與優(yōu)化后的組裝洞布置形式如圖2，圖3所示。

優(yōu)化后達到的有利效果主要有以下兩個方面：

1)TBM組裝期間，滿足2臺TBM同時組裝；滿足主支洞交叉口轉(zhuǎn)渣塔的布置。

2)TBM掘進期間，滿足大型車輛的運輸通行、調(diào)頭及錯車需要；滿足2臺TBM快速掘進的材料及機具設(shè)備存儲需要；滿足洞內(nèi)抽排水的需求。

經(jīng)優(yōu)化后，組裝洞各功能洞室對后期TBM掘進施工的運輸、出渣、排水等均提供了良好的保障。

3 輔助配套系統(tǒng)

TBM施工是以工廠化的施工系統(tǒng)運行的，而“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”現(xiàn)場施工組織具有三個基本特點：協(xié)調(diào)性、連續(xù)性、密集性。施工系統(tǒng)分為直接系統(tǒng)與間接系統(tǒng)兩部分，直接系統(tǒng)主要為TBM掘進、支護、出渣、運輸?shù)龋g接系統(tǒng)主要為風(fēng)、水、電等輔助系統(tǒng)。

3.1 出渣系統(tǒng)

TBM掘進就是刀盤旋轉(zhuǎn)—推進—破巖的過程，切削下來的巖石通過皮帶機倒運出去。對于“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”施工組織模式，上、下游2臺TBM反向掘進施工，兩個方向的巖渣通過連續(xù)皮帶機匯集至主支洞交岔口處，再通過支洞皮帶機輸送至洞外。

1)TBM掘進。

掘進是TBM法施工的核心作業(yè)工序，它決定著整個工程的施工進度，這就決定了TBM法施工的全部過程均圍繞TBM設(shè)備的完好率和利用率展開，以最大限度地提升TBM的掘進時間。

2)皮帶機出渣。

出渣是將TBM掘進切削下來的巖石，通過皮帶機傳運出洞外，是TBM法施工的又一核心作業(yè)過程，是影響掘進速度的關(guān)鍵因素之一。若想保證TBM連續(xù)正常掘進，就要確保皮帶機能夠正常運輸。而“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”的組織模式，皮帶機完好率的重要性更為突出。尤其是支洞皮帶機的正常運行，更是皮帶管理工作的重中之重。若支洞皮帶機發(fā)生故障，將會導(dǎo)致上、下游2臺TBM均不能正常掘進施工。為確保皮帶機的運送能力，本工程主要從皮帶機的運輸能力及維保管理兩個方面進行重點研究。

a.皮帶機運量計算。

在制定TBM皮帶機出渣方案時，對皮帶機出渣能力進行了詳細的計算，并考慮了一定的富裕度(按照每臺TBM每小時進尺5.4 m計算)。最終確定主洞皮帶運量為600 t/h，對應(yīng)支洞連續(xù)皮帶運量為1 200 t/h，以滿足最大負荷條件下掘進出渣需要。

b.主支洞交岔口處皮帶機布置。

對主支洞交岔口處的皮帶機布置形式進行了專項設(shè)計，確保2臺TBM皮帶機在此處的順利交匯并從支洞向洞外轉(zhuǎn)運。

按照上述皮帶機的設(shè)計形式，既不影響施工車輛的運輸，又能確保上下游2臺TBM在最佳掘進能力狀態(tài)下的出渣施工，解決了“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”2臺TBM掘進施工的出渣問題。

3.2 物料運輸系統(tǒng)

本工程采用無軌運輸+有軌運輸?shù)木C合運輸方式，在掘進施工過程中，首先采用無軌運輸將所需機具材料及人員經(jīng)支洞運送至TBM輔助洞室，再采用有軌運輸運至TBM掘進工作面。鑒于“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”的施工模式，本工程運輸系統(tǒng)的關(guān)鍵在于無軌運輸與有軌運輸?shù)目焖巽暯右约吧舷掠蝺蓚?cè)有軌運輸?shù)膮f(xié)調(diào)互補。

1)無軌運輸與有軌運輸?shù)你暯印?/p>

利用TBM組裝洞室空間提前存放鋼枕、鋼軌、錨桿、網(wǎng)片、拱架、供排水管等材料，確保材料存儲量可滿足TBM最高掘進進尺的施工需求，上述材料均在TBM設(shè)備保養(yǎng)期間一次性運抵洞內(nèi)。在掘進過程中無軌運輸系統(tǒng)僅考慮汽車將噴射混凝土直接運輸至TBM組裝洞，卸車后二次轉(zhuǎn)裝在有軌運輸編組列車上。

上游TBM4掘進段配置一臺5 t橋式起重機和一臺200 t橋式起重機，分別承擔(dān)日常機具、材料以及大型設(shè)備的吊裝工作。下游TBM掘進段則配置一臺5 t橋式起重機和一臺60 t橋式起重機，進行各類材料、機具、設(shè)備的吊裝作業(yè)。若在起重機出現(xiàn)故障或其他特殊情況時，上下游可以進行臨時調(diào)配，以滿足現(xiàn)場施工的需要。

2)材料儲存區(qū)域的規(guī)劃。

對材料、機具、設(shè)備等存儲區(qū)域的合理規(guī)劃同樣是洞內(nèi)運輸系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

針對“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”的特點，在上下游TBM組裝區(qū)分別規(guī)劃掘進施工所需材料、機具、設(shè)備的存儲區(qū)域。

3)洞內(nèi)有軌運輸。

日常機具材料的使用，均從各存放區(qū)域通過有軌運輸?shù)惯\至TBM設(shè)備上，上下游互不干擾，在最大程度上保證上下游材料物資高效運送。

上下游組裝洞均為雙線設(shè)置，為滿足“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”TBM掘進施工的需要，在交叉口位置將雙軌轉(zhuǎn)為單軌并將上下游連通，上下游內(nèi)燃機車可以互相調(diào)配，滿足各類情況下兩側(cè)人員、材料、設(shè)備的運輸需要。

3.3 風(fēng)、水管線布置

1)通風(fēng)系統(tǒng)。

本工程TBM4-1，TBM5在通過豎井前，采用壓入式通風(fēng)，在T2支洞口設(shè)置兩套風(fēng)機，通過兩套風(fēng)管將新鮮風(fēng)分別壓入TBM4,TBM5作業(yè)面，污風(fēng)從T2支洞排出。

2)供排水系統(tǒng)。

為滿足兩臺TBM同時掘進，特在洞口處修建1 000 m3生產(chǎn)水池，以應(yīng)對特殊情況下的施工需要。兩臺采用獨立供水系統(tǒng)，互不干擾。TBM4段為上坡掘進，順坡排水，施工段不設(shè)排水管，水通過自流至主支交叉口處的積水倉內(nèi)，TBM5下坡掘進，反坡排水，水通過水泵逐級抽排至主支交叉口處的積水倉內(nèi)，由支洞水倉泵站一站式抽排至洞外沉淀池，凈化合格后循環(huán)利用。

3)供電系統(tǒng)。

TBM供電采用2路20 kV高壓(2臺TBM各1路)、排水系統(tǒng)采用單路10 kV高壓、皮帶機供電采用單路10 kV高壓，各供電線路均統(tǒng)一懸掛在支洞進洞方向右側(cè)邊墻上，各系統(tǒng)分別采用專線供電，互相獨立，互不干擾。并在2臺TBM供電線路上各增加一套帶有過流保護的高壓開關(guān)柜，確保某一臺TBM高壓線路出現(xiàn)故障時，不會影響到另一臺TBM施工。

4 施工保障系統(tǒng)

4.1 人員保障

根據(jù)“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”的施工模式，2臺 TBM掘進施工分別配置3個掘進班和1個保養(yǎng)班，其他配合型班組以及后勤管服人員均配置一套，為掌子面提供統(tǒng)一的管理和服務(wù)。這樣可以在最大限度節(jié)省勞動力資源，同時還能保證施工生產(chǎn)的需要。

4.2 設(shè)備保障

設(shè)備管理是項目施工組織管理的重要組成部分，加強設(shè)備的配置、使用管理，充分發(fā)揮設(shè)備的資產(chǎn)效益，能夠極大地降低工程成本。通過機械設(shè)備的科學(xué)使用、維修保養(yǎng)，提高施工質(zhì)量和施工效率，為更快更好地完成工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。自TBM掘進施工以來，TBM4設(shè)備利用率從最初的41%提升至51%，平均設(shè)備利用率達到46%，設(shè)備完好率從最初的88%提升至95%，平均完好率達到92%。TBM5設(shè)備利用率從最初的34%提升至53%，平均設(shè)備利用率達到43%，設(shè)備完好率從最初的68%提升至97%，平均設(shè)備完好率達到89%。

4.3 物資保障

為保障施工連續(xù)性，協(xié)調(diào)好各類施工物料組織同樣重要。在物資供應(yīng)方面項目主要采取以下措施：

1)本工程2臺TBM來自不同廠家(中鐵裝備和鐵建重工)，性能上均存在一定的差異。為了便于管理、利于施工，最大限度上統(tǒng)一各類支護材料及配套附屬材料的規(guī)格型號，確保現(xiàn)場各項工序有序開展。

2)為保證掌子面的施工生產(chǎn)，現(xiàn)場施工除噴射混凝土外，其余材料均按百米用量在組裝洞儲備。

3)項目修建了大型倉儲中心，TBM4，TBM5所用油脂油料及配件，分別存放至倉儲中心，各類材料物資均利用施工空閑期及時倒運至組裝洞內(nèi)，極大的節(jié)省了倒運時間，有效的提高了現(xiàn)場施工效率。

4.4 通訊信息保障

完整的通訊系統(tǒng)，能指導(dǎo)現(xiàn)場更好地開展施工生產(chǎn)，有助于資源共享化、利益最大化，能使各工序銜接更加緊密。為保證2臺TBM的施工，項目主要采取了以下措施：

1)在2臺TBM設(shè)備上和支洞連續(xù)皮帶機上均安裝了高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭和固定電話，并在支洞安裝了對講機中繼站，使得洞內(nèi)人員可通過無線和有線兩種方式直接與洞外取得聯(lián)系。

2)建立了標準化信息中心，具有完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并在TBM主機室內(nèi)覆蓋了WIFI信號，確保洞內(nèi)情況能夠?qū)崟r傳輸?shù)蕉赐猓缬鐾话l(fā)狀況，保證在第一時間通知到相關(guān)人員，并能夠時刻掌握事情發(fā)展動態(tài)。

5 結(jié)論與建議

本文分析了“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”模式下TBM施工組織形式，提出了該模式下的出渣、運輸、管線等系統(tǒng)的組織方案，據(jù)此得出了幾方面要點，具體如下：

1)合理設(shè)計洞內(nèi)皮帶機出渣系統(tǒng)，特別是主支洞交叉口處的轉(zhuǎn)渣系統(tǒng)，要在不影響交通運輸?shù)那疤嵯拢_保TBM在最佳掘進能力狀態(tài)下的出渣量；

2)合理設(shè)計運輸系統(tǒng)，尤其是從洞外到洞內(nèi)無軌運輸與有軌運輸?shù)目焖巽暯樱?/p>

3)風(fēng)水管線系統(tǒng)盡可能按照兩路布置，使2臺TBM的各系統(tǒng)獨立運行，互不干擾。

按照本工程“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”的施工模式，自2臺TBM同時始發(fā)掘進后，累積掘進10個月、累計進尺12 000 m，平均單臺TBM每月進尺600 m，最高單月進尺達到1 000 m，施工生產(chǎn)能夠有序、高效地進行。

鑒于本工程為全國首例“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”施工組織模式，尚無可供借鑒的施工經(jīng)驗，也無成熟實例進行對比，因此，本工程所采用的施工組織模式還需在今后的施工過程中不斷進行統(tǒng)計總結(jié)，并在與今后出現(xiàn)的類似工程進行模式對比，以形成更為成熟的“單支洞雙向主洞TBM同時掘進”施工組織管理技術(shù)。