張 俊 卿

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

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

而在各超級(jí)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(shí)掘進(jìn)”的特殊施工組織形式。即通過一條支洞及組裝洞進(jìn)行TBM的組裝及掘進(jìn)，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(yàn)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(gè)方面，對(duì)“單支洞雙向主洞TBM同時(shí)掘進(jìn)”模式附屬系統(tǒng)進(jìn)行了探討，為2臺(tái)TBM的同時(shí)快速、高效掘進(jìn)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(biāo)段，主隧洞全長(zhǎng)43 847 m，斷面φ7.0 m，設(shè)計(jì)縱坡1/2 583，其中鉆爆法施工洞段長(zhǎng)2 732 m，TBM法施工洞段長(zhǎng)41 115 m(本工程隧洞平面布置圖如圖1所示)。2臺(tái)TBM共用同一條支洞及同一個(gè)組裝洞，完成組裝、步進(jìn)并始發(fā)，分別向上下游反向掘進(jìn)。TBM施工過程中的材料、人員、機(jī)械設(shè)備的運(yùn)輸也全部通過同一個(gè)組裝洞完成，這就對(duì)掘進(jìn)施工的各個(gè)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(jìn)施工期間的運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等環(huán)節(jié)的高效運(yùn)行，對(duì)原設(shè)計(jì)的組裝洞結(jié)構(gòu)布置形式進(jìn)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(jì)相同，且交叉洞段與上下游組裝洞段的設(shè)計(jì)斷面相同，上下游組裝洞進(jìn)行連通設(shè)計(jì)；2)交叉口處支洞段向兩側(cè)擴(kuò)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(jìn)洞和始發(fā)洞維持原設(shè)計(jì)不變。原設(shè)計(jì)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(dá)到的有利效果主要有以下兩個(gè)方面：

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

2)TBM掘進(jìn)期間，滿足大型車輛的運(yùn)輸通行、調(diào)頭及錯(cuò)車需要；滿足2臺(tái)TBM快速掘進(jìn)的材料及機(jī)具設(shè)備存儲(chǔ)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(duì)后期TBM掘進(jìn)施工的運(yùn)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(yùn)行的，而“單支洞雙向主洞TBM同時(shí)掘進(jìn)”現(xiàn)場(chǎng)施工組織具有三個(gè)基本特點(diǎn)：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(jìn)、支護(hù)、出渣、運(yùn)輸?shù)?，間接系統(tǒng)主要為風(fēng)、水、電等輔助系統(tǒng)。

3.1 出渣系統(tǒng)

TBM掘進(jìn)就是刀盤旋轉(zhuǎn)—推進(jìn)—破巖的過程，切削下來(lái)的巖石通過皮帶機(jī)倒運(yùn)出去。對(duì)于“單支洞雙向主洞TBM同時(shí)掘進(jìn)”施工組織模式，上、下游2臺(tái)TBM反向掘進(jìn)施工，兩個(gè)方向的巖渣通過連續(xù)皮帶機(jī)匯集至主支洞交岔口處，再通過支洞皮帶機(jī)輸送至洞外。

1)TBM掘進(jìn)。

掘進(jìn)是TBM法施工的核心作業(yè)工序，它決定著整個(gè)工程的施工進(jìn)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(jìn)時(shí)間。

2)皮帶機(jī)出渣。

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

a.皮帶機(jī)運(yùn)量計(jì)算。

在制定TBM皮帶機(jī)出渣方案時(shí)，對(duì)皮帶機(jī)出渣能力進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并考慮了一定的富裕度(按照每臺(tái)TBM每小時(shí)進(jìn)尺5.4 m計(jì)算)。最終確定主洞皮帶運(yùn)量為600 t/h，對(duì)應(yīng)支洞連續(xù)皮帶運(yùn)量為1 200 t/h，以滿足最大負(fù)荷條件下掘進(jìn)出渣需要。

b.主支洞交岔口處皮帶機(jī)布置。

對(duì)主支洞交岔口處的皮帶機(jī)布置形式進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)，確保2臺(tái)TBM皮帶機(jī)在此處的順利交匯并從支洞向洞外轉(zhuǎn)運(yùn)。

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

3.2 物料運(yùn)輸系統(tǒng)

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

1)無(wú)軌運(yùn)輸與有軌運(yùn)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(chǔ)量可滿足TBM最高掘進(jìn)進(jìn)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(yùn)抵洞內(nèi)。在掘進(jìn)過程中無(wú)軌運(yùn)輸系統(tǒng)僅考慮汽車將噴射混凝土直接運(yùn)輸至TBM組裝洞，卸車后二次轉(zhuǎn)裝在有軌運(yùn)輸編組列車上。

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

2)材料儲(chǔ)存區(qū)域的規(guī)劃。

對(duì)材料、機(jī)具、設(shè)備等存儲(chǔ)區(qū)域的合理規(guī)劃同樣是洞內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

針對(duì)“單支洞雙向主洞TBM同時(shí)掘進(jìn)”的特點(diǎn)，在上下游TBM組裝區(qū)分別規(guī)劃掘進(jìn)施工所需材料、機(jī)具、設(shè)備的存儲(chǔ)區(qū)域。

3)洞內(nèi)有軌運(yùn)輸。

日常機(jī)具材料的使用，均從各存放區(qū)域通過有軌運(yùn)輸?shù)惯\(yùn)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(yùn)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(shí)掘進(jìn)”TBM掘進(jìn)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(jī)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(yùn)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(jī)，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(tái)TBM同時(shí)掘進(jìn)，特在洞口處修建1 000 m3生產(chǎn)水池，以應(yīng)對(duì)特殊情況下的施工需要。兩臺(tái)采用獨(dú)立供水系統(tǒng)，互不干擾。TBM4段為上坡掘進(jìn)，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(cāng)內(nèi)，TBM5下坡掘進(jìn)，反坡排水，水通過水泵逐級(jí)抽排至主支交叉口處的積水倉(cāng)內(nèi)，由支洞水倉(cāng)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(tái)TBM各1路)、排水系統(tǒng)采用單路10 kV高壓、皮帶機(jī)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(jìn)洞方向右側(cè)邊墻上，各系統(tǒng)分別采用專線供電，互相獨(dú)立，互不干擾。并在2臺(tái)TBM供電線路上各增加一套帶有過流保護(hù)的高壓開關(guān)柜，確保某一臺(tái)TBM高壓線路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響到另一臺(tái)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(shí)掘進(jìn)”的施工模式，2臺(tái) TBM掘進(jìn)施工分別配置3個(gè)掘進(jìn)班和1個(gè)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(dòng)力資源，同時(shí)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(xiàng)目施工組織管理的重要組成部分，加強(qiáng)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(jī)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(jìn)施工以來(lái)，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(dá)到46%，設(shè)備完好率從最初的88%提升至95%，平均完好率達(dá)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(dá)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(dá)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(xiàng)目主要采取以下措施：

1)本工程2臺(tái)TBM來(lái)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(hù)材料及配套附屬材料的規(guī)格型號(hào)，確?，F(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)工序有序開展。

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

3)項(xiàng)目修建了大型倉(cāng)儲(chǔ)中心，TBM4，TBM5所用油脂油料及配件，分別存放至倉(cāng)儲(chǔ)中心，各類材料物資均利用施工空閑期及時(shí)倒運(yùn)至組裝洞內(nèi)，極大的節(jié)省了倒運(yùn)時(shí)間，有效的提高了現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(tái)TBM的施工，項(xiàng)目主要采取了以下措施：

1)在2臺(tái)TBM設(shè)備上和支洞連續(xù)皮帶機(jī)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(duì)講機(jī)中繼站，使得洞內(nèi)人員可通過無(wú)線和有線兩種方式直接與洞外取得聯(lián)系。

2)建立了標(biāo)準(zhǔn)化信息中心，具有完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并在TBM主機(jī)室內(nèi)覆蓋了WIFI信號(hào)，確保洞內(nèi)情況能夠?qū)崟r(shí)傳輸?shù)蕉赐?，如遇突發(fā)狀況，保證在第一時(shí)間通知到相關(guān)人員，并能夠時(shí)刻掌握事情發(fā)展動(dòng)態(tài)。

5 結(jié)論與建議

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

1)合理設(shè)計(jì)洞內(nèi)皮帶機(jī)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(yùn)輸?shù)那疤嵯?，確保TBM在最佳掘進(jìn)能力狀態(tài)下的出渣量；

2)合理設(shè)計(jì)運(yùn)輸系統(tǒng)，尤其是從洞外到洞內(nèi)無(wú)軌運(yùn)輸與有軌運(yùn)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(tái)TBM的各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。

按照本工程“單支洞雙向主洞TBM同時(shí)掘進(jìn)”的施工模式，自2臺(tái)TBM同時(shí)始發(fā)掘進(jìn)后，累積掘進(jìn)10個(gè)月、累計(jì)進(jìn)尺12 000 m，平均單臺(tái)TBM每月進(jìn)尺600 m，最高單月進(jìn)尺達(dá)到1 000 m，施工生產(chǎn)能夠有序、高效地進(jìn)行。

鑒于本工程為全國(guó)首例“單支洞雙向主洞TBM同時(shí)掘進(jìn)”施工組織模式，尚無(wú)可供借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)，也無(wú)成熟實(shí)例進(jìn)行對(duì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)，并在與今后出現(xiàn)的類似工程進(jìn)行模式對(duì)比，以形成更為成熟的“單支洞雙向主洞TBM同時(shí)掘進(jìn)”施工組織管理技術(shù)。