王建偉

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

隨著我國(guó)公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，長(zhǎng)大隧道(洞)的數(shù)量越來(lái)越多。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TBM)的投入使用也將呈井噴式上升趨勢(shì)，由于TBM的自身體積較大等特點(diǎn)，從試組裝到拆運(yùn)，到場(chǎng)再組裝等工作較為繁瑣，且極為重要，由于地形和場(chǎng)地限制，在洞內(nèi)組裝將常態(tài)化，如何合理地設(shè)計(jì)地下組裝洞室將是TBM組裝效率以及后期施工效率的關(guān)鍵控制因素。本文主要以TBM組裝空間需求以及TBM掘進(jìn)施工過(guò)程的洞室功能需求，對(duì)TBM組裝洞室長(zhǎng)度和斷面進(jìn)行分析，以及對(duì)組裝洞室具體施工方案進(jìn)行闡述[1]。

2 工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭調(diào)水工程是針對(duì)省內(nèi)關(guān)中地區(qū)缺水問(wèn)題提出的南水北調(diào)工程的骨干調(diào)水線(xiàn)路，也是陜西省委、省政府提出的“兩引八庫(kù)”重點(diǎn)水源工程之一。秦嶺隧洞是整個(gè)引水工程的咽喉，隧洞全長(zhǎng)81.779 km，設(shè)計(jì)流量70 m3/s，多年平均輸水量15.0億m3，隧洞平均坡降約1/2 500，采用鉆爆法＋2臺(tái)TBM法施工，工期5.5年[2]。穿越秦嶺主脊段39.08 km采用兩臺(tái)TBM施工，斷面為圓形。

3 TBM配套洞室情況

3.1 TBM設(shè)備參數(shù)

該臺(tái)TBM為全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)，開(kāi)挖直徑8.02 m(刀盤(pán)安裝新刀時(shí)開(kāi)挖直徑為8.06 m，刀具磨損至極限時(shí)開(kāi)挖直徑為8.02 m)，全長(zhǎng)210 m，總重量為1 542.7 t，裝機(jī)總?cè)萘繛? 100 kVA，功率為5 400 kW。主要分為三大部分，即主機(jī)、連接橋和后配套，其中:主機(jī)長(zhǎng)25 m，連接橋長(zhǎng)35 m，后配套長(zhǎng)度為150 m。

3.2 主機(jī)組裝洞室

(1)主機(jī)組裝洞室主要承擔(dān)前期TBM主機(jī)及連接橋組裝工作，組裝完成實(shí)現(xiàn)步進(jìn)后，該場(chǎng)地則安裝皮帶倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)等，后期施工時(shí)承擔(dān)物料存儲(chǔ)、調(diào)運(yùn)及車(chē)輛調(diào)配等功能[3]。所有后期工作基于前期組裝空間基礎(chǔ)上進(jìn)行部署，所以，主機(jī)組裝洞空間尺寸滿(mǎn)足前期組裝及后期物料運(yùn)輸?shù)裙δ芗纯蒣4]。

(2)TBM主機(jī)和連接橋組裝工作中，難度最大、空間需求最大則屬TBM刀盤(pán)組裝工作，TBM刀盤(pán)共分為5部分，四塊邊刀和一塊中心刀。刀盤(pán)焊接整合后直徑為8.06 m，總重量為168 t(含刀具)，綜合考慮刀盤(pán)起吊工作需求，選用2×80 t行吊進(jìn)行吊裝。則該項(xiàng)工作的最大高度決定因素(則行吊起吊高度)為:刀盤(pán)高度8.06 m＋起吊后的上下安全距離2×1 m＋專(zhuān)用吊具高度1.19 m＝11.25 m。該高度為工作需求高度，具體洞室高度還需按照洞室結(jié)構(gòu)，以及頂部弧形結(jié)構(gòu)矢跨比決定。

(3)主機(jī)組裝洞室寬度綜合考慮因素有:TBM主機(jī)組裝、連續(xù)皮帶機(jī)安裝、后期有軌運(yùn)輸軌道布置(不少于雙線(xiàn)軌道)等因素，則主機(jī)組裝洞室最大寬度為:連續(xù)皮帶機(jī)主驅(qū)動(dòng)寬度為6.5 m(側(cè)面局部擴(kuò)挖，仍需占用主洞寬度6.25 m)，主驅(qū)動(dòng)與有軌運(yùn)輸車(chē)輛之間以及有軌運(yùn)輸車(chē)輛之間的安全距離為0.3 m，有軌運(yùn)輸車(chē)輛會(huì)車(chē)處所需最大空間情況為仰拱塊運(yùn)輸車(chē)最大寬度1.9 m與軟風(fēng)管儲(chǔ)存筒運(yùn)輸車(chē)2.6 m，加之物料存儲(chǔ)區(qū)寬度2.1 m，物料與車(chē)輛之間的人員通道寬度0.4 m，故主機(jī)組裝洞室寬度為6.25 m＋0.3 m＋1.9 m＋0.3 m＋2.6 m＋0.4 m＋2.1 m＝13.85 m。

(4)長(zhǎng)度決定因素為:因主機(jī)組裝洞室需要滿(mǎn)足TBM主機(jī)與連接橋的安裝工作，其主機(jī)部分與連接橋長(zhǎng)度為60 m，且主機(jī)前方需預(yù)留能夠擺放和拼裝刀盤(pán)位置，刀盤(pán)分為5塊，由于拼裝前需要很多的準(zhǔn)備工作，每塊之間安全工作空間為1.5 m，則刀盤(pán)占用長(zhǎng)度12 m，并考慮2×80 t橋吊吊鉤前后兩端的工作盲區(qū)各5 m，因此，主機(jī)組裝洞室長(zhǎng)度為60 m＋12 m＋2×5 m＝82 m。

3.3 后配套洞室

(1)后配套洞室主要功能為組裝TBM后配套相關(guān)設(shè)備，施工期間作為無(wú)軌車(chē)輛運(yùn)輸通道。

(2)該洞室最大寬度要求為:TBM后配套寬7.6 m＋兩側(cè)安全距離1.5 m×2＝10.6 m。

(3)最大起吊高度要求:TBM后配套最大件高度7.6 m＋起吊高度1 m＋吊具高度1.15 m＝9.75 m。計(jì)劃選用20 t龍門(mén)吊進(jìn)行吊裝。

(4)最小長(zhǎng)度要求:后配套組裝洞室長(zhǎng)度是由TBM組裝時(shí)電力設(shè)施臺(tái)車(chē)之前的設(shè)備必須組裝完成所需的最小長(zhǎng)度決定的，TBM開(kāi)始步進(jìn)之前，變配電設(shè)備必須完成組裝并達(dá)到工作狀態(tài)，即，完成電力設(shè)施臺(tái)車(chē)前的組裝工作，其長(zhǎng)度為100 m。

3.4 步進(jìn)洞

(1)待組裝完成后，TBM步進(jìn)至該洞段，作為臨時(shí)容納TBM設(shè)備以及TBM掘進(jìn)前必須安裝完成的設(shè)備的場(chǎng)地，待步進(jìn)后將主機(jī)組裝洞室及后配套洞室場(chǎng)地騰空，以便進(jìn)行后期設(shè)備安裝。

(2)其最大高度及寬度要求:TBM刀盤(pán)直徑8.06 m＋兩側(cè)(或上下)安全距離0.25 m×2＝8.56 m。因該臺(tái)TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)利用油缸拉動(dòng)底部鋼板實(shí)現(xiàn)步進(jìn)，所以，步進(jìn)洞斷面需設(shè)計(jì)成圓拱直墻斷面，且確保凈高和凈寬不小于8.56 m。

(3)最小長(zhǎng)度要求:TBM全長(zhǎng)210 m＋道岔25 m＋道岔25 m ＋鋼筋臺(tái)車(chē)10 m＋同步襯砌臺(tái)車(chē)16 m×2臺(tái)＋每臺(tái)設(shè)備間安全距離1 m×5＝307 m。

3.5 始發(fā)洞

(1)始發(fā)洞顧名思義是TBM開(kāi)始受力掘進(jìn)的起始洞，即:TBM撐靴緊壓巖壁，為T(mén)BM掘進(jìn)提供支反作用力的洞段。

(2)該洞最大高度要求:需滿(mǎn)足TBM設(shè)備能夠步進(jìn)至掌子面，所以，高度最低要求與步進(jìn)洞高度要求一致，為8.56 m。最大寬度要求為撐靴油缸伸展所能受力的范圍，即:撐靴軸線(xiàn)距離8.06 m＋2×正常伸長(zhǎng)量0.1 m＝8.26 m。

(3)最小長(zhǎng)度要求:因該臺(tái)TBM撐靴距刀盤(pán)間距為18 m，考慮在巖壁受力時(shí)的穩(wěn)定性，以及巖壁受力影響段落，建議始發(fā)洞長(zhǎng)度為25 m。

4 TBM大斷面組裝洞室施工

TBM主機(jī)及后配套洞室因其斷面及長(zhǎng)度尺寸要求較大，且其開(kāi)挖、支護(hù)工藝復(fù)雜，各工序需嚴(yán)密部署，為了對(duì)施工過(guò)程全程可控，施工方案主要原則為先行導(dǎo)坑法施工，然后進(jìn)行擴(kuò)挖成型，下面主要對(duì)大斷面洞室的施工進(jìn)行闡述[5-7]。

4.1 后配套及主機(jī)組裝洞室斷面圖及支護(hù)參數(shù)

(1)后配套組裝洞室設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮在Ⅲ類(lèi)圍巖中施工，個(gè)別圍巖較差時(shí)可參照Ⅳ類(lèi)圍巖支護(hù)參數(shù)施工[8-9]，后配套組裝洞室具體斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 Ⅲ類(lèi)圍巖TBM后配套洞室襯砌斷面

Ⅲ類(lèi)圍巖后配套洞室初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Ⅲ類(lèi)圍巖后配套洞室初期支護(hù)參數(shù)

(2)主機(jī)組裝洞室因其斷面較大，設(shè)計(jì)段落時(shí)需對(duì)前方圍巖進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，盡量將全部段落集中在Ⅲ類(lèi)圍巖中施工，如在施工中遇到不良地質(zhì)段落，可適當(dāng)調(diào)整后配套組裝洞室長(zhǎng)度，避讓主機(jī)組裝洞室在Ⅳ類(lèi)圍巖中開(kāi)挖，遇特殊地質(zhì)條件，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況酌情參照Ⅳ類(lèi)圍巖支護(hù)參數(shù)施工，主機(jī)組裝洞室襯砌斷面見(jiàn)圖2。

圖2 Ⅲ類(lèi)圍巖TBM主機(jī)組裝洞室襯砌斷面

Ⅲ類(lèi)圍巖主機(jī)組裝洞室初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Ⅲ類(lèi)圍巖主機(jī)組裝洞室初期支護(hù)參數(shù)

4.2 開(kāi)挖、支護(hù)

TBM后配套組裝洞室長(zhǎng)度為100 m，主機(jī)組裝洞室長(zhǎng)度為82 m，后配套組裝洞室斷面采用圓拱直墻形式，主機(jī)組裝洞室斷面則采用蘑菇型，開(kāi)挖斷面較大，一次性爆破成型較為困難，故采用分區(qū)段進(jìn)行施工[10]，結(jié)合實(shí)際情況，將施工區(qū)域劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ八個(gè)區(qū)，鉆爆法施工，光面爆破。組裝洞室開(kāi)挖分區(qū)示意見(jiàn)圖3。

后配套組裝洞室的施工分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)區(qū)域，主機(jī)組裝洞室的施工分為Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ三個(gè)區(qū)域。后配套組裝洞開(kāi)挖采用導(dǎo)洞法，二次擴(kuò)挖成型工藝。主機(jī)組裝洞采用臺(tái)階法施工。

(1)第Ⅰ區(qū):Ⅰ區(qū)分為Ⅰ1區(qū)(里程K63＋050～K63＋000)與Ⅰ2區(qū)(里程 K63＋000～K62＋990)。Ⅰ1區(qū)采用導(dǎo)洞開(kāi)挖方式，導(dǎo)洞斷面為圓拱直墻，寬9.66 m，高7.56 m，Ⅰ1區(qū)導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)按21.38%的反向縱坡向上掘進(jìn)，開(kāi)挖里程接近K63＋000時(shí)，注意導(dǎo)洞頂部線(xiàn)型要逐步漸變?yōu)楹笈涮捉M裝洞蘑菇頂弧線(xiàn)，掘進(jìn)至K63＋000時(shí)須與蘑菇頂拱頂線(xiàn)型重合。開(kāi)挖K63＋000～K62＋990段(Ⅰ2區(qū):Ⅰ區(qū)向Ⅱ區(qū)過(guò)渡段)時(shí)，只對(duì)后配套蘑菇頭部位進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖斷面由9.66 m×7.56 m變?yōu)?4.8 m×6.5 m，坡度改為0°。待開(kāi)挖至K62＋990時(shí)，調(diào)頭將K62＋990～K63＋000段過(guò)渡時(shí)未擴(kuò)挖段進(jìn)行擴(kuò)挖，使得Ⅰ2區(qū)成成洞斷面。

Ⅰ2區(qū)成洞后進(jìn)入第Ⅱ區(qū)的施工。

(2)第Ⅱ區(qū):Ⅱ區(qū)里程范圍為K63＋050～K62＋950，開(kāi)挖高度6.45 m，開(kāi)挖寬度14.8 m，施工K62＋990～K63＋950段時(shí)，利用已施工完成的Ⅰ2蘑菇頭斷面作為通道繼續(xù)掘進(jìn)，開(kāi)挖采取左右導(dǎo)坑光面爆破，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑不小于10 m。Ⅱ區(qū)施工至K62＋950時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行Ⅵ區(qū)施工。

(3)第Ⅵ區(qū):里程 K62＋950～K62＋868，主要開(kāi)挖主機(jī)組裝洞的蘑菇頭，開(kāi)挖高度5.21 m，寬度為17.15 m。開(kāi)挖采取左右導(dǎo)坑光面爆破，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑10 m。開(kāi)挖Ⅵ區(qū)時(shí)，如安全距離符合施工要求，可酌情考慮對(duì)K63＋000～K63＋026.6段導(dǎo)洞兩側(cè)及拱頂逆向進(jìn)行擴(kuò)挖。

(4)Ⅱ區(qū)K63＋000～K63＋030.4段開(kāi)挖完成后，則進(jìn)行Ⅲ區(qū)施工。

(5)第Ⅲ區(qū):里程 K63＋030.4～K63＋050，成洞斷面為11.8 m×4.24 m，利用已開(kāi)挖完成的Ⅰ1導(dǎo)洞作為施工通道，并兼作出渣通道，沿TBM掘進(jìn)方向逆向(大里程方向)進(jìn)行開(kāi)挖施工。開(kāi)挖采用左右導(dǎo)坑光爆，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑10 m。該段需預(yù)留部分渣體作為Ⅱ區(qū)K63＋030.4～K163＋050段臺(tái)車(chē)鋪底，該區(qū)開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意蘑菇頭底部與下部邊墻交匯處邊角的施工，嚴(yán)格控制好超欠挖，以免對(duì)邊角損壞過(guò)大。Ⅲ區(qū)施工完畢后則對(duì)Ⅱ區(qū)K63＋030.4～K163＋050段的蘑菇頂開(kāi)挖。

(6)第Ⅱ區(qū):逆向開(kāi)挖K63＋030.4～K63＋050段，施工平臺(tái)利用Ⅲ區(qū)的部分渣體進(jìn)行鋪底，開(kāi)挖采取左右導(dǎo)坑光面爆破，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑不小于10 m，導(dǎo)洞兼作出渣通道，支護(hù)必須緊跟開(kāi)挖施工。Ⅱ區(qū)施工完成后進(jìn)行Ⅳ區(qū)開(kāi)挖。

(7)第Ⅳ區(qū):里程為K63＋050～K62＋950段，該施工段包括Ⅰ1區(qū)通道兩側(cè)的未擴(kuò)挖段，施工時(shí)先將Ⅰ1區(qū)K63＋050處兩側(cè)的Ⅳ區(qū)范圍擴(kuò)挖至成洞面，斷面為11.8 m×7.3 m，沿成洞面向K62＋950方向左右導(dǎo)分部開(kāi)挖，開(kāi)挖方式同樣采用左右導(dǎo)分部開(kāi)挖，左導(dǎo)先行，右導(dǎo)需滯后前行導(dǎo)坑10 m左右，該區(qū)開(kāi)挖時(shí)應(yīng)注意蘑菇頭底部與下部邊墻交匯處邊角的施工，嚴(yán)格控制好超欠挖，以免對(duì)邊角損壞過(guò)大。Ⅳ區(qū)開(kāi)挖結(jié)束后掌子面繼續(xù)進(jìn)行Ⅶ區(qū)開(kāi)挖，下導(dǎo)第Ⅴ區(qū)也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安排部署進(jìn)行同步開(kāi)挖。

(8)第Ⅶ區(qū):里程 K62＋950～K62＋868，開(kāi)挖寬度15.15 m，高度8.08 m。開(kāi)挖采取先爆中槽，中槽斷面尺寸10 m×8.08 m，中槽開(kāi)挖完畢后，對(duì)中槽兩側(cè)進(jìn)行光面爆破。

(9)第Ⅴ區(qū):里程 K63＋050～K62＋950，開(kāi)挖高度5.05 m，寬度11.9 m，在Ⅶ區(qū)施工未完成時(shí)即可對(duì)Ⅴ區(qū)施工，開(kāi)挖采取左右導(dǎo)坑光爆，左導(dǎo)先行，后行導(dǎo)坑須滯后前行導(dǎo)坑10 m。待Ⅶ區(qū)施工完成后采取先拉中槽再爆兩側(cè)方法進(jìn)行施工。待Ⅴ區(qū)施工完畢后，對(duì)第Ⅷ區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖。

(10)第Ⅷ區(qū):里程K62＋950～K62＋868，開(kāi)挖高度5.05 m，寬度15.15 m。開(kāi)挖采取先爆中槽，再爆兩側(cè)的方式進(jìn)行，光面爆破。

5 安全注意事項(xiàng)

在大斷面洞室施工時(shí)，因其斷面較大，頂部圍巖受力復(fù)雜，因此，施工時(shí)一定要以“穩(wěn)”為主，堅(jiān)持“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。在特殊地質(zhì)段落必須設(shè)置圍巖監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，按照5～10 m間距布設(shè)，其中拱頂下沉量測(cè)點(diǎn)1～3個(gè)，水平收斂量測(cè)點(diǎn)按施工開(kāi)挖方法分臺(tái)階左右側(cè)邊墻各1組，此外還需對(duì)斷面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，以確保安全[11-12]。

6 結(jié)論

引漢濟(jì)渭嶺北TBM組裝洞在尺寸設(shè)計(jì)方面充分考慮了TBM組裝的實(shí)際利用空間，在合理的空間中盡量減少開(kāi)挖工程量，在支護(hù)設(shè)計(jì)方面充分考慮了快速作業(yè)的支護(hù)型式，在施工過(guò)程中，堅(jiān)持工序平行作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)縮短成洞工期的目的。在引漢濟(jì)渭嶺北工程TBM組裝的實(shí)例證明，該設(shè)計(jì)理念以及施工安排是合理的、科學(xué)的、成功的?？蔀榻窈骉BM組裝洞室的設(shè)計(jì)以及施工提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。