齊夢(mèng)學(xué)
(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司,重慶 400700)
全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)為依靠刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)、通過盤形滾刀破巖實(shí)現(xiàn)隧道全斷面一次開挖成型、采用主機(jī)帶式輸送機(jī)出渣的大型機(jī)械設(shè)備,具有技術(shù)先進(jìn)、速度快、安全環(huán)保、工作環(huán)境好、對(duì)圍巖擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),是目前最先進(jìn)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(rèn)可,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)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(shí)施工的TBM數(shù)量已達(dá)40余臺(tái)(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(dú)斗”模式,1~2臺(tái)TBM施工的項(xiàng)目較多,如西南鐵路桃花鋪一號(hào)隧道和磨溝嶺隧道、青海引大濟(jì)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(tái)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(jí)引水隧洞、陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞越嶺段等分別采用2臺(tái)TBM施工,遼寧省大伙房輸水工程采用3臺(tái)TBM同時(shí)施工。隨著TBM總體應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大,呈現(xiàn)“集群化”態(tài)勢(shì),如遼西北供水工程同時(shí)采用8臺(tái)TBM,青島地鐵一號(hào)線和四號(hào)線分別同時(shí)采用4臺(tái)、6臺(tái)TBM,新疆EH工程同時(shí)使用20臺(tái)TBM施工,川藏鐵路雅安—林芝段投入的TBM數(shù)量預(yù)計(jì)達(dá)到近30臺(tái),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(tái)—大連或者蓬萊—大連)預(yù)計(jì)分別采用10余臺(tái)TBM。
通常,不論TBM在隧道進(jìn)出口組裝,還是通過支洞進(jìn)入洞內(nèi)組裝,大多數(shù)情況下1個(gè)通道只為1臺(tái)TBM服務(wù),如西康鐵路秦嶺隧道2臺(tái)TBM分別由進(jìn)出口共同承擔(dān)I線隧道施工、蘭渝鐵路西秦嶺隧道2臺(tái)TBM分別從左右線隧道出口開始掘進(jìn)施工、引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞越嶺段2臺(tái)TBM分別通過3#和6#支洞進(jìn)入組裝洞施工正洞,這樣的規(guī)劃2臺(tái)TBM形成完全獨(dú)立的2個(gè)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(tái)TBM進(jìn)入第二階段施工時(shí),皮帶機(jī)出渣、通風(fēng)、施工物料與人員運(yùn)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(yùn)抵工作面;新疆EH工程XE隧洞、KS隧洞共有5個(gè)支洞需要分別同時(shí)為2臺(tái)TBM施工服務(wù),即2臺(tái)TBM均通過同一支洞運(yùn)至正洞組裝洞室完成組裝調(diào)試后背向掘進(jìn)施工正洞;大瑞鐵路高黎貢山隧道大小2臺(tái)TBM共用擴(kuò)大斷面的同一個(gè)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(tái)TBM將通過同一斜井(或者同一雙斜井)進(jìn)入正洞組裝洞室完成組裝調(diào)試后同向掘進(jìn)施工左右線隧道。上述工況,稱之為“一洞雙機(jī)”TBM施工,其難度相對(duì)較大,對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工組織、施工管理、施工技術(shù)提出了更高要求。本文重點(diǎn)研究“一洞雙機(jī)”TBM施工輔助洞室規(guī)劃設(shè)計(jì),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(jì)要點(diǎn),為今后TBM施工提供助力。
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(jìn)隧道的位置關(guān)系決定了不同的TBM施工通道規(guī)劃布置。
如圖1所示,2臺(tái)TBM背向掘進(jìn)同時(shí)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(jī)”TBM施工均為該布置形式。
圖1 某工程“一洞雙機(jī)”“T”型布置簡線圖
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(jìn)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(jìn)到掌子面開始同向掘進(jìn)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(jī)”“Y”型布置簡線圖
2臺(tái)TBM以同一隧道洞口進(jìn)入組裝洞室或者始發(fā)洞,分左右線同向掘進(jìn)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。
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(tái)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(gè)階段,第一階段TBM在洞口場地組裝調(diào)試后步進(jìn)到掌子面開始掘進(jìn)施工,到達(dá)羅家理斜井后開始第二階段施工,TBM第二階段施工時(shí)以羅家理斜井作為施工通道[7]。
圖3 西秦嶺隧道“一洞雙機(jī)”“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。
2臺(tái)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(jì)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(jī)”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(jì)劃采用該布置形式。
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(jìn)洞、組裝洞、調(diào)頭洞室、施工支洞等。
始發(fā)洞有時(shí)稱為出發(fā)洞,是為TBM開始掘進(jìn)施工提供必要條件的輔助洞室,為TBM以準(zhǔn)確的位置、正確的姿態(tài)開始掘進(jìn)創(chuàng)造條件,對(duì)于具有撐靴的敞開式和雙護(hù)盾TBM需要滿足撐靴撐緊洞壁提供掘進(jìn)反力的要求,步進(jìn)機(jī)構(gòu)(如果有)將在TBM始發(fā)后被拆除并臨時(shí)存放于此。
步進(jìn)洞是布置在始發(fā)洞和組裝洞之間的輔助洞室,同時(shí)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(jìn)到始發(fā)洞。在TBM開始掘進(jìn)之前,步進(jìn)洞內(nèi)需要安裝必要的TBM配套施工設(shè)備(如皮帶機(jī)),TBM掘進(jìn)初期,步進(jìn)洞主要用于臨時(shí)容納TBM;TBM正常掘進(jìn)期間,步進(jìn)洞內(nèi)需要布置通風(fēng)管、皮帶機(jī)、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(jìn)洞的空間通常較大,可作為部分材料存儲(chǔ)空間、列車調(diào)度空間,也可以布置施工廢水沉淀池。
組裝洞是TBM洞內(nèi)組裝的作業(yè)空間,用以臨時(shí)存放少量TBM部件并及時(shí)按設(shè)計(jì)圖拼裝組合形成一個(gè)整體,根據(jù)對(duì)應(yīng)的TBM區(qū)域不同可分為主機(jī)組裝洞和后配套組裝洞,也可以共用一個(gè)組裝洞。通常情況下TBM主機(jī)與連接橋在主機(jī)組裝洞內(nèi)組裝,后配套臺(tái)車在后配套組裝洞內(nèi)組裝或待主機(jī)向前步進(jìn)后在主機(jī)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(shí)存放空間。
TBM掘進(jìn)時(shí),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(jī)主驅(qū)動(dòng)安裝間,同時(shí)為其他管線等設(shè)備設(shè)施提供安裝和工作空間。
洞內(nèi)空間相對(duì)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(yùn)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。
不具備條件直接以隧道進(jìn)口或者出口作為施工通道時(shí),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(duì)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(yùn)輸功能。支洞需要實(shí)現(xiàn)前期洞內(nèi)鉆爆法施工運(yùn)輸,洞內(nèi)輔助設(shè)施設(shè)備運(yùn)輸,TBM部件運(yùn)輸,TBM施工物料及人員運(yùn)輸、出渣等運(yùn)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。
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(yùn)轉(zhuǎn),是“一洞雙機(jī)”TBM順利施工的重要保障,可以稱之為TBM施工的“生命線”。
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(jìn),因此輔助洞室規(guī)劃設(shè)計(jì),在滿足TBM洞內(nèi)組裝的前提下,要為掘進(jìn)施工提供適宜的空間環(huán)境。
2臺(tái)TBM的始發(fā)洞分別布置,規(guī)劃設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn):一是長度,刀盤接觸掌子面時(shí),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(diǎn)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(jìn)方式與步進(jìn)機(jī)構(gòu),與步進(jìn)洞保持相同的形式;四是高程,TBM始發(fā)時(shí),步進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)構(gòu)的底部厚度;五是軸線和TBM掘進(jìn)隧道保持一致;六是坡度,需要和TBM初始掘進(jìn)段保持一致。始發(fā)洞設(shè)計(jì)示例如圖5所示。
圖5 始發(fā)洞橫斷面設(shè)計(jì)示例(單位:mm)
(1)為了便于TBM步進(jìn)通過,步進(jìn)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(jìn)機(jī)構(gòu)相適應(yīng),并且充分考慮TBM掘進(jìn)期間軌線布置、物料存儲(chǔ)等需求,建議采用平面結(jié)構(gòu),標(biāo)高與始發(fā)洞起點(diǎn)相同。
(3)坡度與TBM初始掘進(jìn)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(shí)應(yīng)合理考慮隧道連續(xù)皮帶機(jī)正常運(yùn)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(jì)。
(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(tái)TBM的步進(jìn)洞分別設(shè)置,其最小長度需要根據(jù)TBM整機(jī)長度、隧道連續(xù)皮帶機(jī)初始長度、洞內(nèi)物料運(yùn)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(shí)盡量形成正常生產(chǎn)的格局,避免中間長時(shí)間停機(jī)。步進(jìn)洞橫斷面設(shè)計(jì)如圖6所示。
圖6 TBM步進(jìn)洞橫斷面設(shè)計(jì)示例(單位:mm)
(1)主支洞呈“T”型布置時(shí),為減小大斷面洞室施工工程量,2臺(tái)TBM可以共用組裝洞;主支洞呈“開”型布置時(shí),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(shí),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(jìn)到掌子面開始掘進(jìn)施工。
(2)組裝洞底板必須設(shè)計(jì)為平坡、水平平面,標(biāo)高與步進(jìn)洞相同。
(3)組裝洞應(yīng)設(shè)計(jì)為水平直線。
(4)組裝洞長度需要考慮如下因素:TBM主機(jī)長度,連接橋長度,刀盤臨時(shí)存放、拼裝與焊接空間,刀盤與組裝好的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jī))吊鉤有效工作范圍不小于TBM開挖輪廓線;三是TBM掘進(jìn)期間,滿足皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)、列車運(yùn)行軌道系統(tǒng)(軌線數(shù)量按施工組織需要布置)、物料存儲(chǔ)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(jì)由下述因素決定:一是刀盤直徑;二是TBM組裝時(shí)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(jī)出渣系統(tǒng)安裝側(cè)滿足安裝、運(yùn)行、檢修空間需求即可,盡量減小皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)至洞壁之間的距離,避免空間浪費(fèi)。
組裝洞橫斷面設(shè)計(jì)示例見圖7。
圖7 TBM組裝洞橫斷面設(shè)計(jì)示例(單位:mm)
(1)位置。主支洞呈“T”型布置時(shí),調(diào)頭洞室宜布置在主支洞交叉口正對(duì)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(shí),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(kuò)大;主支洞或者兩主洞呈“Y”型布置時(shí),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(yùn)輸延伸至洞外。
(2)長度。調(diào)頭洞室長度需要根據(jù)計(jì)劃采用的運(yùn)輸車輛長度、轉(zhuǎn)彎半徑、運(yùn)輸物資與設(shè)備尺寸等因素,結(jié)合正洞寬度等因素,計(jì)算機(jī)模擬后綜合確定。
(3)斷面。綜合考慮運(yùn)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(jìn)出;為了避免積水,調(diào)頭洞室宜設(shè)計(jì)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(jì)示例(單位:mm)
“一洞雙機(jī)”工況下,2臺(tái)TBM共用同一施工支洞,支洞內(nèi)設(shè)備與設(shè)施較多,運(yùn)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(jì)。
(1)條件允許、洞長對(duì)總體投資影響不嚴(yán)重時(shí)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(yùn)輸列車在洞外裝車后正常運(yùn)行至洞內(nèi)并運(yùn)抵TBM工作區(qū)域;否則就要無軌運(yùn)輸至洞內(nèi)再轉(zhuǎn)換為有軌運(yùn)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(yùn)輸安全。
(3)綜合考慮設(shè)備設(shè)施安裝、安全間距、運(yùn)輸通道等因素,確定支洞凈寬。通常情況下皮帶機(jī)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(jī)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(jī)對(duì)側(cè),豎向排布;中間布置運(yùn)輸通道,無軌運(yùn)輸按雙車道(上行與下行分離)規(guī)劃,有軌運(yùn)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(yùn)輸車輛運(yùn)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(chǔ)存筒)運(yùn)輸、人員躲避等要求。確實(shí)不具備雙車道通行條件,則必須合理設(shè)置錯(cuò)車洞,以免影響運(yùn)輸效率,錯(cuò)車洞應(yīng)布置在皮帶機(jī)對(duì)側(cè)。
如果支洞較短(如數(shù)百米或更短),可以不必強(qiáng)制要求無軌運(yùn)輸雙車道布置。
(4)重點(diǎn)考慮通風(fēng)軟管尺寸與安裝位置、運(yùn)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(shí)最低點(diǎn)與運(yùn)輸限界最高點(diǎn)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(yùn)輸限界的間距仍需滿足上述要求。
(5)支洞皮帶機(jī)配置輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí),應(yīng)合理規(guī)劃擴(kuò)大洞室,滿足皮帶機(jī)順直布置要求;同時(shí)規(guī)劃輔助驅(qū)動(dòng)專用的變壓器洞室。
(6)根據(jù)排水規(guī)劃,合理布置梯級(jí)排水泵站專用洞室,宜布置在支洞皮帶機(jī)同側(cè);集水倉容積滿足設(shè)計(jì)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(jì)示例見圖9。
圖9 施工支洞典型橫斷面設(shè)計(jì)示例(單位:mm)
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(shì),努力實(shí)現(xiàn)持續(xù)、均衡、快速施工[5],因而“一洞雙機(jī)”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(jì)。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(jì);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(hù)設(shè)計(jì)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。