长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术应用前景及发展趋势

齐梦学

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

0 引言

TBM工法由于具有安全、快速、环保等诸多优点，在长大隧道施工领域得到越来越广泛的应用。以往开敞式TBM施工过程中不论采用有轨运输方式出渣还是连续皮带机出渣，都需要在TBM掘进分阶段或者全部贯通后施作二次模筑混凝土衬砌，而从未实现TBM掘进与二次模筑混凝土衬砌的同步施工，这就导致了围岩开挖并初期支护后将有一个较长的裸露期，与隧道施工要求及时封闭围岩、完成完整二次衬砌结构的指导思想不符，施工安全与质量的可靠性大大降低;同时，也与我国相关法规及行业规章制度不符。例如:2008年铁道部《关于印发〈铁路建设工程施工企业信用评价暂行办法〉的通知》(铁建设［2008］160号)，规定了不同围岩条件下二次衬砌与掌子面之间的间距要求;2010年颁布的《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》(铁建设［2010］120号)，再次明确规定及时施作软弱围岩及不良地质铁路隧道的二次衬砌距离。

为了解决开敞式TBM不能同步施作现浇混凝土二次衬砌的问题，分别从有轨运输出渣和连续皮带机出渣2种工况条件着手，经过长时间的研究开发，结合施工实践，实现了边墙和拱顶同步衬砌施工技术，并在南疆铁路吐库二线中天山隧道和兰渝铁路西秦岭隧道2项工程中成功应用。然而，这并不能代表着该技术已经发展成熟，还有很多施工条件和环境下的同步衬砌施工技术仍需继续开展全面而深入的研究。

1 国内外现状

1.1 国外现状

国外对于TBM掘进与二次衬砌同步施工的研究起步较早，20世纪90年代就已经出现。如文献［1］所述，TBM在前方掘进，同时在挡土墙处拌制衬砌混凝土，并泵送到滑模中，台架提供衬砌材料以及弃渣运输通道，弃渣转运系统将弃渣从开挖区域穿越台车台架运送到洞外。该技术未能得以推广，可见其实用性较差。

1.2 国内现状

国内开敞式TBM同步衬砌施工技术的研究始于辽宁大伙房输水隧洞，该技术在其中一个标段的最后80 m掘进中进行试验，施工过程中造成连续皮带机不能正常运行、各工序之间的相互干扰大、台架和模板变形严重［2－3］。虽然未能真正得以应用，但进行了有益的探索，为后续研究与应用奠定了一定基础。2007年开工的南疆铁路吐库二线中天山特长隧道，实现了有轨运输条件下TBM掘进与边墙和拱顶二次衬砌同步施工。2008年开工的兰渝铁路西秦岭隧道实现了连续皮带机出渣条件下开敞式TBM掘进与边墙和拱顶二次模筑混凝土衬砌同步施工，应用效果良好。中天山隧道和西秦岭隧道均为铁路隧道，TBM掘进时铺设上表面为平面的仰拱预制块，为有轨运输系统铺轨提供了条件;之后施作隧道两侧小边墙，为同步衬砌台车提供走行基础;最后施工边墙和拱顶二次衬砌。目前，即将开始TBM掘进施工的陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞以及东北某引水工程也在研发TBM同步衬砌施工技术，但由于隧道结构设计原因，不再具备小边墙条件，且隧道断面较小，使得实现难度大大增加。

2 TBM同步衬砌施工技术研发成果

结合开敞式TBM掘进与边墙和拱顶现浇混凝土同步衬砌施工技术在中天山隧道和西秦岭隧道2项工程的成功应用，简要说明其实现方法及应用效果。

2.1 有轨运输出渣工况下的同步衬砌施工技术

中天山隧道TBM开挖直径8.8 m，采用有轨运输方式出渣。TBM掘进的同时，在连接桥位置铺设仰拱预制块，TBM后方适当位置开始施作两侧小边墙，待其强度合格后施工边墙和拱顶同步衬砌。单部同步衬砌台车设计使用距离要求达到8 km，台车走行于小边墙上，仰拱预制块上部平面铺设四轨双线制轨道供有轨运输列车通行。台车下部台架结构设计为列车双线通行，提供足够空间且无需布置台车底部横向抗变形丝杠支撑;上部台架预留直径为2.2 m的通风软管穿越通道，通过仰拱预制块的中心水沟实现隧道施工排水，其他水、电和通讯管线可以穿越台车。有轨运输出渣工况下TBM同步衬砌台车横断面布置见图1［4－7］。

图1 有轨运输出渣时TBM同步衬砌断面布置Fig.1 Cross-section of tunnel showing arrangement of synchronous lining system and rail-bound mucking system

2.2 连续皮带机出渣工况下的同步衬砌施工技术

西秦岭隧道TBM开挖直径10.23 m，采用可靠性更高、速度更快的连续皮带机出渣，其他工况条件与中天山隧道基本一致。该工况下的同步衬砌施工技术是在中天山隧道同步衬砌技术成功应用的基础上，结合可供利用的工程条件进一步研究和开发的。连续皮带机运行中，其状态不允许发生改变，否则将会导致皮带跑偏、漏渣甚至皮带机严重损坏，这就要求连续皮带机穿越同步衬砌台车前、穿越中及穿越后，其位置和姿态保持不变。针对连续皮带机运行的特殊需求，通过深入研究，提出多种方案，经过全面论证比选后，采用了减震承台方式。连续皮带机出渣工况下的TBM同步衬砌台车断面布置见图 2［8－11］。

连续皮带机出渣工况下的同步衬砌施工技术在西秦岭隧道的施工实践，取得了以下成果。

1)TBM掘进与二次衬砌同步施工，2部同步衬砌台车同时投入使用。1部紧跟TBM，首先对围岩条件较差的洞段及时实施二次衬砌，在有能力的情况下，尽量多施工;另外1部完成剩余的衬砌任务，隧道综合成洞进尺可达500 m/月。

图2 连续皮带机出渣时TBM同步衬砌断面布置Fig.2 Cross-section of tunnel showing arrangement of synchronous lining system and belt conveyer mucking system

2)同步衬砌台上设置专用的带有减震装置的皮带机承台，可以便捷地对承台进行上下位置调整，以适应皮带机与台车上下相对位置的变化;承台宽度预留100 mm的余量，允许皮带机整体在承台上横向移动，自动适应皮带机与台车水平位置关系的变化;承台下部安装有减震机构，避免连续皮带机运转过程中产生的振动传递到刚刚浇筑完成、尚未脱模的混凝土结构，保证混凝土的最终质量。通过采取上述措施，能保证连续皮带机的位置与姿态在保持不变的情况下顺利穿越台车，且运行过程中不论台车处于立模、浇筑、拆模、移位何种工序，均能正常作业而不发生干涉。

3)φ2.2 m的大直径通风软管在保证通风不间断、通风质量不受影响的前提下顺利穿越台车。

4)四轨双线有轨运输列车通行，且不论台车处于何种工况，都不会影响列车的正常运行。

5)采用分散式抗浮有利于保护已经施工完成的混凝土衬砌结构，且台车受力更加合理。

TBM自2010年8月正式掘进，现浇混凝土边墙和拱顶衬砌自10月开始施工，截至发稿，TBM及同步衬砌已经完成了第1阶段施工及向第2阶段的转场，TBM累计掘进长度11.59 km，同步衬砌累计长度10.23 km。与传统的施工方法相比，可节约工期17个月，经济效益及社会效益非常可观。

3 应用前景及发展趋势

3.1 应用前景

随着我国隧道施工技术的大发展，规划中采用TBM施工的长大隧道会越来越多，如吉林引松供水工程、重庆地铁、青岛地铁、甘肃引哈济党引水工程、云南滇中供水工程、琼州海峡海底隧道、渤海湾烟(台)大(连)海底隧道、台海大通道和南水北调西线工程等。据统计，我国有各类可用TBM开挖的隧道工程总长度约5 800 km，需TBM 120～150台，TBM的使用和发展在我国具有广阔的市场［12］。因此，由于安全、质量、工期和施工成本等方面的综合需求，在适宜的工况条件下，TBM同步衬砌施工技术在长大隧道施工中具有非常大的发展空间。

3.2 推广TBM同步衬砌施工技术面临的主要问题

开敞式TBM同步衬砌施工技术成功地应用于2项铁路隧道工程，其共性如下:1)隧道结构中铺设上表面为平面的仰拱预制块，安装四轨双线制轨道供列车通行;2)仰拱预制块设有中心水沟，施工期间用以排水;3)隧道两侧为兼顾水沟及电缆槽结构而设置有小边墙，铺设台车走行轨道，且能够保证下部台架为列车预留净宽为4.9 m的通行空间;4)相应工况条件下的开挖断面较大，开挖直径为8.8 m的隧道采用有轨运输方式出渣，开挖直径为10.23 m的隧道采用连续皮带机出渣，其作业空间均较宽敞;5)现浇混凝土二次衬砌的范围是边墙和拱顶。

开敞式TBM在我国应用较多，同步衬砌施工技术已经成功地应用于2项工程并取得了较好的成绩，但大范围推广应用还面临着诸多问题，如隧道长度、隧道断面、是否铺设仰拱预制块、仰拱预制块的形式、现浇混凝土衬砌范围等因素制约了该技术在更大范围内的推广应用。

3.3 发展趋势

目前，开敞式TBM同步衬砌施工技术尚处于起步阶段，其他工况条件下的同步衬砌施工技术尚待研发或正在研发过程中，没有形成系列的、适用范围更广的成熟技术，下一步需结合不同的工况条件继续进行研究开发。

3.3.1 铺设不同形式仰拱预制块工况下的TBM同步衬砌

洞内铺设上表面为平面的仰拱预制块、两侧设有小边墙的隧道结构设计主要适用于铁路隧道，而对于其他水利水电工程的隧洞而言，这种结构形式并非最佳。如陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞采用开敞式TBM施工、连续皮带机出渣，仰拱预制块上表面设计为弧形，TBM掘进之后施作边墙和拱顶现浇混凝土衬砌，见图3。

该工况条件下的同步衬砌施工技术需重点解决列车不间断通行、同步衬砌台车走行位置、连续皮带机穿越台车的有效空间、洞内长距离有轨运输组织调度和洞内风水电管线布置等问题。预计TBM2013年第4季度可以完成工地组装调试，同步衬砌施工将同步实施，同步衬砌施工方案设计及台车设计制造工作目前正在按计划落实。

图3 引汉济渭工程秦岭隧洞断面布置Fig.3 Cross-section of Qinling tunnel of Hanjiang-Weihe Water Diversion Project

3.3.2 现浇仰拱同步衬砌

某些隧道工程出于结构设计的要求，底部不允许铺设仰拱预制块而只能施作现浇混凝土仰拱。TBM现浇仰拱同步衬砌施工技术研究需要解决的问题主要包括:洞内轨道布置(列车走行轨、台车走行轨)、有轨运输列车在同步衬砌区域不间断通行(涉及仰拱衬砌前后钢轨铺设方式、钢轨在同步衬砌台车前后的迅速对接、列车通行空间等)、仰拱同步衬砌台车自身结构形式、台车行走方式、是否配置钢筋笼或者钢筋网、钢筋笼(网)铺设作业空间和作业方式、混凝土浇筑方式、混凝土浇筑过程中的抗浮、现浇混凝土仰拱脱模后的养护(混凝土脱模后必须达到相应的强度方可承载列车)、混凝土浇筑前清底方式、清底效果与工作效率、同步衬砌施工单元长度、衬砌速度与TBM掘进速度的匹配、连续皮带机与同步衬砌台车之间的干涉、大直径通风软管与台车上通行列车之间的干扰、洞内供水供电线路布置、施工排污等。

3.3.3 小断面隧道TBM同步衬砌

当隧道断面较小时，实施TBM同步衬砌难度较大，有时甚至完全不具备可行性，方案规划时必须全面、深入、系统地研究以下问题，综合论证其可行性。1)同步衬砌的范围是边墙、拱顶、仰拱，还是全断面;2)TBM掘进出渣采用连续皮带机、有轨运输系统，还是无轨运输系统;3)二次衬砌前后洞内断面布置，包括通风软管、连续皮带机、电力及照明通讯线路、供排水系统、钢轨、运输车辆、洞内会车平台等;4)同步衬砌台车结构设计在保证台车结构强度、刚度与寿命的前提下，尽最大可能为其他设备、设施预留更大空间;5)运输、通风、供排水、供电、照明、通讯等设备与设施通过衬砌台车的方式;6)同步衬砌台车的走行方式及走行位置;7)同步衬砌台车模板长度;8)同步衬砌作业速度与TBM掘进速度的匹配性;9)连续皮带机、运输车辆设备选型与配置;10)小断面、大运量、长距离洞内运输组织与调度和施工安全保证措施等。

3.3.4 全断面同步衬砌

水工隧洞设计施工过程中从经济方面考虑，对于TBM开挖出来的空间，不希望过多回填，因而很多工程将不会设置仰拱预制块，此时实施TBM同步衬砌就需要采取现浇仰拱、边墙和拱顶衬砌分步实施的方案，或者采用全断面同步衬砌方案。前者需要增加更多的工作面，在洞内相对狭小的空间内实施多个工作面同时作业，相互干扰问题将会非常严重。后者必须解决好列车洞内不间断通行、全断面同步衬砌台车与列车通行之间的相互配合、全断面浇筑混凝土抗浮、台车结构形式、台车结构强度与刚度、仰拱部分混凝土浇筑质量控制、连续皮带机及大直径通风软管穿越全断面同步衬砌台车、衬砌速度、混凝土脱模后的养护(特别是仰拱部分)等一系列问题。已经研究了该工况条件下TBM全断面同步衬砌施工方案并取得了阶段性成果，全断面TBM同步衬砌台车横断面初步设计见图4［13］，但距离真正投入施工实践还有相对较长的过程，有很多具体问题还需要深入研究。

图4 全断面TBM同步衬砌台车横断面初步设计Fig.4 Cross-section of full-face synchronous lining trolley

3.3.5 同步衬砌与掌子面之间的距离

实践证明:即使采用TBM同步衬砌施工技术，也无法满足现有铁路隧道施工基于钻爆法所制定的步距要求。对于TBM施工而言，初期支护是保证施工安全的主要措施，同步衬砌的主要作用在于缩短长大隧道施工工期、合理设计相匹配的初期支护方式，从而实现施工安全、质量、工期和成本之间的合理辩证统一。

4 结论与讨论

开敞式TBM同步衬砌施工技术在施工安全、工程质量、综合进度、施工成本等方面具有明显的优势，在工况条件与作业环境允许的情况下，具备大力推广的必要性与可行性。

然而，该技术仅在少数工况条件和隧道断面下经受了实践考验并获得成功，尚未形成系列工法，不可盲目推广，绝不可为了体现与其他工程的不同而改变成熟的经验工法，创新必须进行科学完整的研究论证，必须能够产生实实在在的价值。在工程筹划、初步设计阶段，研究和论证同步衬砌的可行性，针对本工程的特定工况条件，确定需要解决的重点问题，提出可供选用的解决措施;在工程可研、施工图设计阶段，基本确定关键问题的解决方案，据此制定施工工序、质量及工期目标;在实施性施工组织设计阶段，需对衬砌台车设计、设备配置、工艺流程与技术要点、施工组织与调度、安全与质量保证措施等制定全面而详细的方案。

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