引漢濟渭工程嶺北TBM無擴大洞室刀盤邊塊更換技術

呂二超

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

隨著我國長大深埋隧道TBM施工案例的增多，在長大深埋隧道施工中由于地質、施工環境愈加復雜[1－3]，導致TBM設備故障增多，甚至出現需要更換關鍵部件的工程實例[4]。在不具備進行洞室擴挖、安裝橋吊等常規方法進行關鍵部件更換的條件下，狹小空間給TBM部件的更換提出了新的挑戰[5－6]。本文以引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段為依托，研究大直徑TBM刀盤邊塊在狹小空間內的更換技術。

2 工程概述

陜西省引漢濟渭工程是陜西省省內南水北調工程，秦嶺隧洞是整個調水工程的咽喉，隧洞全長98.3 km，設計流量70 m3/s，縱坡1/2 500，隧洞最大埋深2 012 m，屬高地應力隧洞；圍巖以花崗巖、閃長巖、變質砂巖為主，圍巖強度普遍較高[7－8]；采用TBM法和鉆爆法進行施工。其中穿越秦嶺主脊段39.08 km，采用兩臺TBM施工，斷面為圓形。

3 刀盤及邊塊情況

項目采用德國海瑞克公司提供的敞開式隧道掘進機施工，開挖直徑為8 060 mm(新刀)/8 020 mm(刀具磨損到極限)。刀盤面板為平面設計，由1個中心塊和4個邊塊組成，共裝有50把刀具，刀盤邊塊重量分別為 25.2 t、25.3 t、26.2 t、26.7 t。

由于長期磨損，TBM刀盤面板區域局部出現較深的溝槽，邊塊母體磨損嚴重，常規修復已不能滿足硬巖條件下掘進時對刀盤剛度和強度的需求。需更換4塊刀盤邊塊并對中心塊進行檢修，刀盤邊塊更換涉及到大件運輸、重件起吊、邊塊旋轉、邊塊拆卸和安裝等[9－10]。但施工區段埋深大、地應力高，高強度巖爆頻繁發生，導致區段圍巖松散，不具備洞內常規方法更換刀盤邊塊條件(即擴挖、起吊設備安裝)[11－12]。在此工況條件下，為實現刀盤邊塊的更換，本文提出了新的邊塊更換方法——基坑法，即在TBM主機區域底部合適位置，施作基坑，在基坑內安裝專用設備，配合TBM自身空推、后退性能，完成刀盤邊塊更換。

4 邊塊更換方案

基坑法邊塊更換方案主要包括施工準備、基坑施工、起吊設備安裝、邊塊更換，邊塊更換完成后調校、焊接，詳細流程如圖1所示。

圖1 邊塊更換流程

4.1 基坑施工

基坑施工需考慮TBM空推、后退時主機重量對基坑穩定性的要求，TBM空推、后退時底護盾的通過性及專用起吊設備的安裝尺寸等方面的要求；同時，因該段落隧洞埋深大、地應力高、巖爆頻發，在滿足以上需求的情況下，需控制基坑尺寸，盡量減小開挖量，降低巖爆發生頻率，保證邊塊更換過程中人員、設備安全。

(1)基坑位置

通過測量本項目刀盤邊塊與后支撐結構尺寸，刀盤邊塊無法從TBM后支撐間通過。考慮盡量減少TBM空推及后退的距離，基坑布置于后支撐后方，縱向布置于掌子面后方25～35 m(K45＋735～K45＋745.2)處，橫向布置于隧道底部開挖輪廓線以外，基坑中線與隧道中心線重合。

(2)基坑尺寸

根據專用起吊設備的安裝尺寸及刀盤邊塊結構尺寸要求，基坑開挖尺寸設計為(10.2×3.5×3.3)m(長×寬×深)，基坑最終成型凈尺寸為(8.8×2.1×2.6)m(長×寬×深)。

(3)開挖前底拱加固

由于該施工段地應力高，巖爆頻發，且隧洞底拱出現巖體向上隆起現象，在基坑開挖前對K45＋716～K45＋755段隧洞底部120°范圍施作5.5 m長?60 mm應力釋放孔，間距0.9×0.9 m(環×縱)，方形布置；并在應力釋放孔內安裝5.5 m長?32 mm中空錨桿，注砂漿錨固，如圖2所示。

圖2 基坑底拱加固示意

(4)基坑開挖

待應力釋放孔和加固砂漿錨桿施作完成后，開始后退TBM，后退至刀盤位于基坑后邊緣且保留適當安全距離。待TBM后退到位以后，在TBM刀盤前方進行基坑開挖。開挖采用小劑量炸藥，分層、多次開挖完成，人工將渣石堆積于基坑前方，待基坑開挖、支護、混凝土邊墻施作完成后，TBM向前空推，并利用刀盤及TBM自身皮帶機系統完成出渣。

(5)基坑支護與襯砌

基坑開挖完成后，基坑支護與襯砌主要考慮TBM空推與后退基坑邊墻承載穩定性。因本項目TBM主機結構件總重743 t，經核算，基坑支護與襯砌采用錨桿＋C30鋼筋混凝土方式進行。錨桿采用?32 mm中空注漿錨桿，鋼筋混凝土厚度70 cm。

4.2 主機段擴挖

基坑位于后支腿后方，更換四塊刀盤邊塊TBM需多次空推、后退。邊塊更換前需對主機區域原有支護體系進行拆除，并適當擴挖，以保證TBM空推、后退順利進行。

根據TBM后退距離，對TBM頂護盾后邊沿至基坑后邊沿段落共37 m(K45＋716.2～K45＋753.2)范圍內進行原有支護體系拆除、擴挖、重新支護。重新支護后保證斷面尺寸不小于8.7 m。

4.3 專用起吊設備

因空間限制，本項目刀盤邊塊更換需根據空間尺寸設計專用起吊設備。專用邊塊起吊設備包括吊耳、提升機構、中轉支撐、轉盤、承托機構和旋轉機構等。

(1)吊耳

吊耳由邊塊供貨方提供，根據邊塊結構尺寸和邊塊安裝螺栓布置的不同而有差別，主要解決邊塊起吊、安裝過程中構件重心穩定問題。

(2)提升機構

提升機構由“結構架＋油缸＋接力桿”組成。結構架安裝在基坑上部兩側基坑邊墻上，油缸安裝于結構架上，接力桿主要考慮洞內空間位置狹小，不能提供一次起吊所需空間高度用于中轉需求，如圖3所示。

圖3 專用起吊設備示意

(3)中轉支撐

中轉支撐由“豎向支撐架＋三角支撐＋微調油缸”組成，主要解決提升機構因洞內空間限制，不能一次起吊倒運到位而提供的中間支撐機構。

(4)轉盤

轉盤由“墊塊＋轉盤”組成。墊塊用于支撐邊塊(邊塊底部為弧形)，以保證邊塊穩固；轉盤內部安裝有滾珠，可用于旋轉邊塊。

(5)承托機構

承托機構采用鋼結構加工焊接而成，其上設計有吊耳和定位槽。

(6)旋轉機構

在轉盤和承托機構之間設計有液壓旋轉機構，可方便對刀盤邊塊進行旋轉，如圖3所示。

4.4 舊邊塊拆卸

舊邊塊拆卸包括拆卸舊邊塊并固定在專用設備上、旋轉后下降入基坑、提升、裝車運輸四大步驟。

(1)舊邊塊拆卸

舊邊塊拆卸包括承托機構安裝、刀盤后退、焊縫刨除、邊塊固定等，如圖4所示，具體步驟如下:

①承托機構安裝

底部基坑開挖、支護、混凝土邊墻施作完成，待混凝土邊墻強度滿足要求后，將刀盤向前空推完成開挖基坑時的棄渣清理。在基坑內安裝中轉支撐和承托機構，滿足再次后退刀盤前將承托機構放置于中轉支撐上，并保證后退刀盤時TBM底護盾與托盤不發生干涉。

②后退刀盤

后退刀盤使刀盤中心與基坑中心位于同一斷面上，旋轉刀盤將1＃邊塊置于水平狀態，保證其重心與專用起吊設備旋轉機構中心在同一斷面上。

③承托機構定位

將承托機構頂升，使轉盤與邊塊緊密貼合，如圖4所示。

圖4 舊邊塊拆卸步驟

④邊塊固定

在利用轉盤及其上的墊塊固定邊塊后，為保證拆卸、起吊等過程中的穩定和安全，在1＃邊塊底部安裝斜撐，保證斜撐底面為水平狀態。

⑤邊塊拆卸

刨除焊縫并拆卸1＃邊塊連接螺栓，完成邊塊與中心塊脫離。

(2)旋轉降入基坑

舊邊塊降入基坑包括后退刀盤、邊塊轉體、提升機構安裝、邊塊起吊降入基坑等，具體步驟如圖5所示。

圖5 舊邊塊降入基坑步驟

①后退刀盤:利用TBM自身性能，通過整機后退，完成刀盤邊塊與中心塊脫離，繼續后退TBM直至刀盤離開基坑后沿位置。

②邊塊轉體:頂升承托機構，使1＃邊塊脫離巖面。然后利用旋轉機構將邊塊進行90°旋轉，保證邊塊輪廓位于基坑輪廓范圍內。

③提升機構安裝:安裝提升機構結構架于基坑邊墻上，同時安裝油缸等提升設備部件。

④邊塊起吊降入基坑:利用提升機構和承托機構上吊耳和定位銷，將“承托機構＋邊塊”提起，拆除中轉支撐結構后，利用提升油缸將“承托機構＋邊塊”放置于基坑底部。保證放入基坑底部的承托機構和刀盤邊塊不高于基坑邊墻高度。

(3)舊邊塊提升

舊邊塊提升采用舊邊塊降入基坑的逆步驟。

①提升機構拆卸:拆除提升機構，保證TBM空推或后退時底護盾不與已降入基坑的舊邊塊發生干涉。

②空推:將TBM向前空推，直至基坑位于TBM后支腿后方。

③安裝提升機構:安裝提升機構結構架于基坑邊墻上，同時安裝油缸等提升設備部件。

④邊塊起吊:利用提升機構和承托機構吊耳與定位銷將“承托機構＋邊塊”起吊，通過中轉支撐中轉后將邊塊提升至脫離基坑位置。

(4)舊邊塊裝車運輸

舊邊塊裝車運輸是將舊邊塊從旋轉機構轉運至運輸板車上并運輸的過程，中間涉及有邊塊提升、軌道安裝、裝車運輸等工序，如圖6所示。

圖6 舊邊塊裝車

①邊塊提升

安裝邊塊上的吊耳及邊塊提升油缸，將轉盤與邊塊進行分離，分離后完成邊塊提升。

②軌道安裝

在承托機構上安裝軌道并與運輸軌道連接。

③邊塊裝車運輸

軌道安裝完成后，將運輸板車推至提升機構下方，完成舊邊塊裝車、固定、運輸。

通過上述方法分4次將4個舊邊塊全部拆卸運輸完成。

4.5 新邊塊安裝

新邊塊安裝采用舊邊塊拆卸的逆步驟完成。

(1)新邊塊降入基坑

采用運輸平板車將新邊塊運輸至基坑上方，然后采用舊邊塊提升的逆步驟，依次執行提升機構安裝、邊塊與運輸板車脫離、邊塊起吊、邊塊中轉、邊塊降入基坑。

(2)新邊塊提升、旋轉、安裝

拆除提升機構，TBM后退直至基坑后沿完全位于TBM刀盤前方，采用舊邊塊降入基坑的逆步驟進行。

依次執行提升機構安裝、承托機構＋邊塊提升、承托機構定位、提升機構拆除、邊塊90°轉體、邊塊定位安裝。

5 總結

本文通過引漢濟渭工程嶺北TBM施工段落在長大深埋隧洞、高地應力、強巖爆、狹小空間，不具備常規更換方法需進行隧洞擴挖條件下，更換刀盤邊塊的案例，介紹了此工況條件下，基坑開挖、支護參數、專用起吊設備設計，舊邊塊拆卸、運輸，新邊塊安裝步驟。成功解決了刀盤邊塊更換困難的難題。同時也證明，該方法安全可行，可為類似工程提供經驗借鑒。