楊雙龍，史玉飛，王剛舉

（遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧沈陽 110003）

1 工程概況

遼寧省重點輸供水水源工程，設(shè)計輸水流量77 m3/s，多年平均輸水量16.24億m3，全程有壓自流，壓力0.9 MPa。工程由進水口（巖塞爆破段）、有壓隧洞、檢修豎井、調(diào)壓井、出口電站、供水支線及施工支洞組成。工程主體全長99.98 km，采用以TBM為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合施工方法。TBM施工段采用4臺開敞式TBM（海瑞克、羅賓斯設(shè)備各2臺），開挖洞徑8.50 m，掘進長度為68.99 km，占主體隧洞總長的69%；水源工程TBM施工段為工程的關(guān)鍵線路，對施工工期有著直接影響。

2 TBM壽命周期及進尺統(tǒng)計

水源工程TBM施工段于2011年7月24日開工建設(shè)，首臺TBM于2013年6月27日進場并開始組裝，最后一臺TBM于2017年12月6日高精度貫通，標志著水源工程的全線貫通（僅剩巖塞爆破段6.30 m）。全體工程建設(shè)者在吸取前人經(jīng)驗基礎(chǔ)上發(fā)揮他們的聰敏才智，用堅守與奉獻精神，確保了全線4臺TBM進場、組裝、掘進、檢修、拆卸等全壽命周期順利開展。

2.1 TBM性能參數(shù)與壽命周期

水源工程施工三標采用2臺海瑞克設(shè)備（TBM1/2）、施工四標采用2臺羅賓斯設(shè)備（TBM3/4），TBM主要性能規(guī)格及性能參數(shù)對比見表1。

從表1中可以看出，兩家TBM主要性能規(guī)格及參數(shù)多數(shù)相差不大，只是刀盤額定扭矩存在較大差距。另外，海瑞克設(shè)備最小貫入度僅為羅賓斯設(shè)備的一半，最大推進力、最大允許推進力均大于羅賓斯設(shè)備。

表1 TBM主要性能規(guī)格及性能參數(shù)對比

經(jīng)統(tǒng)計分析，羅賓斯TBM施工段平均日進尺均高于海瑞克TBM施工段，另外TBM1檢修、拆卸時間比TBM2/3/4耗時較長，其中主要原因為TBM1到達檢修間要經(jīng)過1 575 m（其中有拐彎段）鉆爆法接應(yīng)通過段，TBM步進拐彎時導向槽存在受力破損現(xiàn)象，需對導向槽局部進行鋼板加固，TBM步進至檢修間耗時將近一個月；TBM1拆卸時間比其他3臺耗時長，主要因為TBM1拆卸間拆卸設(shè)備由施工單位自制簡單龍門吊實施，且拆卸空間局限性較大，拆卸大塊組件時運輸通道1號支洞主支交叉段拐彎半徑不夠，花費半個月時間進行擴挖，耽誤拆卸外運時間；TBM2/3/4拆卸間同時又是組裝間，拆卸間安裝有1套2×100 t及2×15 t的雙小車吊鉤橋式起重機，極大便利了拆卸工作。在后續(xù)類似工程中需對TBM組裝、拆卸設(shè)備、運輸通道富余度進一步加大，以加快施工進度。

各TBM控制段長度、掘進歷時、平均日進尺見表2，TBM組裝、掘進、拆卸歷時統(tǒng)計見表3。

表2 TBM控制段長度掘進歷時平均日進尺統(tǒng)計表

表3 TBM組裝掘進拆卸歷時統(tǒng)計表

2.2 TBM進尺統(tǒng)計

水源工程4臺TBM掘進施工隊伍分為白班和夜班兩班輪流工作，每班工作10 h，每班都會及時準確地記錄當班的掘進數(shù)據(jù)，包括掘進參數(shù)及故障原因等，其中TBM掘進進尺主要包括每班進尺、日進尺、周進尺和月進尺，通過選取所有數(shù)據(jù)，利用EXCEL等分析方法進行研究，可以清楚地知道TBM在每天、每周和每月的運行情況，可以根據(jù)每月的最高日進尺來判斷該月機器的掘進情況、掘進性能及機器能發(fā)揮的最大性能；根據(jù)每月掘進的平均日進尺可以知道TBM掘進性能在整個工程中發(fā)揮效能的穩(wěn)定性。

通過對相關(guān)數(shù)據(jù)分析，水源工程4臺TBM掘進最高月進尺1 078 m，TBM1/2整體平均進尺452 m/月（含T2掘進過程中臨時停機刀盤焊接時間60 d），TBM3/4整體平均進尺612 m/月，其中T3-2段平均進尺最高為695 m/月，從整體來看，各月最高日進尺和平均日進尺均充分體現(xiàn)TBM快速施工的優(yōu)勢。

3 增設(shè)旁支洞助力TBM組裝

針對TBM 2第一批結(jié)構(gòu)件發(fā)貨到場時間臨近及6號支洞控制段TBM2組裝洞室土建施工嚴重滯后的局面，工程建設(shè)單位決定增加6號旁支洞接應(yīng)，加快TBM2組裝洞室土建施工。2013年4月2日，6號旁支洞正式開始施工，貫通后現(xiàn)場充分利用極其有限的時間和空間安排各種工序作業(yè)，實現(xiàn)通過洞段、出發(fā)洞段、組裝洞段、下游服務(wù)區(qū)多工作面平行作業(yè)，縮短了6號支洞控制段TBM2組裝洞室土建施工直線工期1個月，避免了TBM設(shè)備到場長時間等待土建施工的局面，增加6號旁支洞，有助TBM2提前組裝，為完成總工期目標提供了有利保障。

3.1 旁支洞布置

6號支洞土建工程為水源工程工期關(guān)鍵線路，為加快施工進度的目標要求，在6號支洞K2+411.974處增加1條旁支洞，通過段和出發(fā)段與組裝洞平行作業(yè)，縮短6號支洞擴大洞室段工期32 d。

旁支洞距組裝洞洞壁厚度為9.00 m（擴大洞室段圍巖等級為Ⅱ類），旁支洞全長182.78 m，開挖尺寸為（寬×高）6.76 m×6.08 m，拐角半徑9.00 m，縱坡比為1.025%；支護為C30W8混凝土8 cm、L=2.5 mφ22隨機錨桿，6號支洞擴大洞室段及旁支洞平面布置示意圖見圖1。

圖1 6號支洞擴大洞室段及旁支洞平面布置示意圖

3.2 工期效益

6號旁支洞施工項目主要為石方開挖、噴錨支護、封堵和回填灌漿等，雖費用增加約176萬，但工期效益明顯，縮短6號支洞擴大洞室段工期32 d，且TBM2設(shè)備到場直接進洞組裝，省去TBM設(shè)備到場臨時存放及倒運費用。

4 巖壁吊車梁應(yīng)用與效益分析

水源工程TBM組裝洞室設(shè)計埋深約200.00 m，以Ⅱ類圍巖、元古代巨斑狀花崗巖巖性為主，呈灰色～灰褐色，微風化，由長石、石英與云母等礦物組成，堅硬，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理不發(fā)育，節(jié)理面呈平直光滑～起伏粗糙狀，大多數(shù)閉合無填充，少數(shù)微張，巖屑填充，巖體較完整。

4.1 巖壁吊車梁設(shè)計

TBM組裝洞設(shè)計全長80.00 m，開挖斷面為“蘑菇型”，寬×高為12.90 m×17.00 m。原設(shè)計組裝洞室參考大伙房輸水隧洞設(shè)計，采用混凝土立柱梁、邊墻進行二次混凝土襯砌及巖臺二期混凝土澆筑施工，以便安裝TBM組裝用的2×100 t及2×15 t橋機，其中左右邊墻高12.05 m、二次襯砌混凝土厚0.50 m，巖臺寬1.60 m，混凝土強度等級為C30。

將組裝洞室原設(shè)計混凝土立柱梁優(yōu)化為巖壁吊車梁，組裝洞室邊墻僅進行初期支護，巖壁吊車梁混凝土為C30F200W10，二期混凝土寬1.60 m、厚0.50 m；一期混凝土頂寬1.80 m、高2.77 m，其中上部2.00 m范圍為鋼筋混凝土；下部1.27 m三角區(qū)范圍，在不影響巖壁吊車梁的安全前提下，采用素混凝土回填；優(yōu)化設(shè)計前后組裝洞室典型斷面分別見圖2、圖3，巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)見圖4。

圖2 原設(shè)計巖臺+邊墻鋼筋混凝土（立柱梁）組裝洞室斷面圖

圖3 優(yōu)化設(shè)計斜巖臺+邊墻噴混（巖壁吊車梁）組裝洞室斷面圖

圖4 TBM巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)圖

4.2 效益分析

水源工程TBM組裝間在保證施工質(zhì)量與安全的前提下，將混凝土立柱梁優(yōu)化為巖壁吊車梁，不僅大大縮減工程投資，方便施工，縮短工期，其中工程量及材料用量減少顯得尤其突出；TBM2組裝洞室優(yōu)化主要工程量與投資分析對比見表4。

表4 TBM2組裝洞優(yōu)化主要工程量與投資分析對比

根據(jù)實際TBM2組裝洞室土建施工工期，組裝洞室將巖臺梁優(yōu)化為巖壁吊車梁，省去邊墻混凝土立模、澆筑、等強過程，邊墻經(jīng)初期支護后，直接進行巖壁吊車梁混凝土澆筑施工，工期縮短一個月左右，提前為TBM2進洞組裝、掘進創(chuàng)造了有利條件；且TBM2組裝洞室?guī)r臺梁前期預(yù)計投資678萬元，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約工程投資298.8萬元。

水源工程共4個TBM組裝洞室，其中9，6及4號支洞控制段3個組裝洞室均采用巖壁吊車梁，與11號支洞控制段組裝洞室?guī)r臺混凝土立柱梁形成對比，在施工過程中，邊墻大體積混凝土澆筑立模、拆模等施工人員及設(shè)備投入大大減少，巖壁吊車梁在TBM組裝洞室中的應(yīng)用經(jīng)濟效益明顯。

巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)安全性直接關(guān)系擴大洞室橋機的安全運行與否，該工程中巖壁吊車梁成功應(yīng)用與現(xiàn)場科學合理的施工管理、地質(zhì)條件的準確分析、開挖爆破的合理控制、巖臺缺陷的合理處理，以及錨桿施工的精細、可靠等多方面因素是分不開的，為TBM的安全組裝打下了堅實的基礎(chǔ)。

5 洞內(nèi)布置拌和系統(tǒng)

長距離隧洞TBM施工，隧洞初期支護噴射混凝土和二次襯砌混凝土等宜采用編組列車有軌運輸，同時工程施工地處東北嚴寒地區(qū)，有材料運輸周期及冬季保溫要求，為滿足TBM貫通后邊頂拱襯砌混凝土連續(xù)施工，選擇在TBM組裝間和檢修間擴大洞室與支洞交叉口下游施工服務(wù)區(qū)布置混凝土拌和系統(tǒng)，并將有軌運輸軌道鋪設(shè)至拌和系統(tǒng)下方，以滿足施工需要。

該項目根據(jù)施工高峰最大澆筑強度，選擇在每條支洞控制段下游服務(wù)區(qū)各布置1座設(shè)計拌和能力為90 m3/h的HLS90型混凝土拌和站。

由于擴大洞室結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)TBM的直徑和組裝空間進行設(shè)計的，施工服務(wù)區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸及長度既考慮適用性，也考慮經(jīng)濟性，因此空間相對狹小。在洞內(nèi)規(guī)劃布置拌和系統(tǒng)時，只能在既有條件下進行設(shè)備選型和合理布置，項目選定HLS90拌和系統(tǒng)。

在施工過程中，該工程8個擴大洞室，服務(wù)區(qū)開挖期間并未對拌和系統(tǒng)進行細化設(shè)計，導致開挖完成后，對擴大洞室拌和系統(tǒng)進行細化設(shè)計時，需對洞室局部進行擴挖，大跨度頂部擴挖施工困難增加，費用增大，在后續(xù)類似工程建設(shè)過程中，應(yīng)吸取相關(guān)經(jīng)驗，提前對地下拌和樓建設(shè)進行設(shè)計，避免開挖等相關(guān)工作的重復進場、開工，增加工程建設(shè)投入。局部擴挖示意圖見圖5。

圖5 拌和系統(tǒng)洞內(nèi)布置擴挖縱斷面示意圖

6 高效利用McNally支護系統(tǒng)

為提高開敞式TBM應(yīng)對不良地質(zhì)洞段的能力，在4臺開敞式TBM設(shè)計上均增加了McNally支護系統(tǒng)，較大程度提高了支護作業(yè)及時性，靠近護盾部位施工安全得到了有效保障，該工程為McNally支護系統(tǒng)在TBM隧洞施工中得到較好的應(yīng)用和推廣做出了應(yīng)有的貢獻。

水源工程4臺TBM，在McNally支護系統(tǒng)的有效應(yīng)用下順利通過了15條較大規(guī)模的斷層和400多處巖性交變帶，全線未出現(xiàn)較大塌方、卡機等困難，有效保證了工程的安全、快速推進。

7 結(jié)語

開敞式TBM在遼寧省重點輸供水水源工程中的應(yīng)用取得了較好的應(yīng)用效果，成為開敞式TBM在國內(nèi)供水工程隧洞開挖的又一成功典型范例，工程參建各方采取多種綜合措施確保了TBM順利完成開挖任務(wù)；但使用過程中也出現(xiàn)了一些問題，TBM1/2兩臺設(shè)備刀盤和主驅(qū)動雙頭連接螺栓（M48×790 mm）發(fā)生多次多根螺栓斷裂事件，掘進過程中刀盤開裂嚴重，已經(jīng)影響到TBM的正常掘進，刀具超高消耗，工程建設(shè)費用進一步提高，建議在類似工程應(yīng)用時，結(jié)合工程的實際特點，優(yōu)化TBM設(shè)備及其配套服務(wù)設(shè)施，并針對相關(guān)難題進行技術(shù)探討與研究，以便更好發(fā)揮TBM設(shè)備優(yōu)勢。