隧道进口段TBM掘进法施工技术

2014-12-26孙宏军

交通运输研究 2014年13期

孙宏军

（河北路桥集团有限公司，河北石家庄050011）

0 引言

某隧道位于岭脊地区，平均海拔为1100～2950m，最高海拔为2 951.6m。山岭南、北两侧地形切割剧烈，山高坡陡，基岩裸露，沟壑纵横，地形复杂，植被稀疏，相对高差为800～1200m。隧道左线起讫里程为DK141+590～DK164+042，全长22 452m，为单面上坡，全隧除出口308m 位于曲线上外，其余均位于直线上，左右线间距为36m。本标段TBM开挖起始里程为DK141+911，到达里程为DK155+425，TBM 掘进距离为13 514m，其中，Ⅱ级围岩4 134m、Ⅲ级围岩7 398m、Ⅳ级围岩1 822m、Ⅴ级围岩160m。

1 隧道进口段TBM法施工方案分析

开工进场并完成施工准备工作后，采用钻爆法通过横洞开挖TBM 预备洞和出发洞，钻爆法开挖伯信特隧道出口300m。同时，施工乌苏通沟大桥基础、墩身及1～3 号桥墩间箱梁，并填筑TBM组装场地，修筑TBM 施工临时设施。TBM 组装场地填筑到标高后，按TBM 组装要求进行场地硬化，安装TBM 组装用龙门吊车，并完成TBM 组装机具、工具的准备工作，此时TBM 部件运输已开始按顺序分批进场。大件进场卸车后，即可展开TBM 主机及后配套的组装。TBM 主机完成组装即向出发洞步进，后配套逐节组装和主机连接，全部组装完成后，进行调试，然后开始始发掘进。TBM 掘进时，采用有轨方式将开挖的石渣运出洞外，利用翻车机翻渣，汽车转运至弃渣场。因洞外场地狭小，翻车机布置在乌苏通沟大桥吐鲁番台及1 号墩之间，轨道铺进伯信特隧道250m。衬砌安排在TBM 掘进后方适时跟进，考虑横通道及辅助洞室的开挖，衬砌工作面落后TBM 后配套尾部一定距离。衬砌台车在结构设计时考虑通风管道、水管、高压电缆的穿行。在衬砌台车附近，靠近TBM 一侧和远离TBM 一侧设置两付浮放道岔，衬砌台车下部，设一付浮放道岔，共三付浮放道岔，供运输列车通行衬砌台车。TBM 施工段工况如图1所示。

图1 TBM施工段工况示意图

2 TBM掘进施工技术

为了进一步控制本工程的掘进方向，在换步作业中，主操作员根据激光导向系统提供的TBM主机位置数据进行调向作业，完成对主机掘进方向的调整，使TBM 的掘进方向始终处于控制范围内。结合本工程的地质资料和上一循环掘进情况，选择合理的掘进模式。TBM 有两种掘进模式，一种为低速掘进模式，此模式下刀盘转速为2.7r/min，刀盘转速低，扭矩大，推进力、撑靴需要的支撑力较低，适合围岩松软、稳定性差的地段采用；另一种为高速掘进模式，此模式下刀盘转速为5.4r/min，刀盘转速高，扭矩相对较小，推进力、撑靴需要的支撑力较大，适合围岩整体性、稳定性好的地段采用。

2.1 TBM掘进施工初期支护

初期支护采用喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架四种方式单独或联合组成，具体施工方式视地质条件而定。支护顺序和时机与围岩自稳时间关系密切。若围岩比较破碎、软弱、自稳时间较短，应按超前小导管→钢拱架加钢筋网→锚杆加钢筋网→喷射混凝土的顺序进行施工。二次衬砌待衬砌台车到达该位置时进行。

水泥采用普通硅酸盐水泥，标号不低于425号。砂采用硬质纯净中砂或粗砂，细度模数大于2.5，含水率以5%～7%为宜。石子采用坚硬耐久的碎石或卵石，粒径不大于1.5cm，级配良好。当使用碱性速凝剂时，不得使用含活性二氧化硅的石料。水中不含影响水泥凝结与硬化的杂质，不得使用污水、pH值小于4的酸性水和含硫酸盐量超过水量1%（按SO4计）的水。速凝剂根据水泥品种、水灰比等，通过不同的混凝土试验选择最佳掺量。要求初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min。

喷射前用水或风冲洗受喷面，设置标志或利用锚杆外露长度以掌握喷混凝土层厚度。检查机具设备和风、水、电等管线路，并试运行，保证密封性能良好，输料连续，均匀。空压机性能应满足喷射机工作风压和耗风量的要求。高压风进入喷射机，必须进行油水分离，以免影响混凝土质量。湿喷混凝土施工流程如图2所示。

图2 湿喷混凝土施工工艺流程图

本工程锚杆支护采用TBM 自带锚杆钻机钻孔，施工工艺和施工方法同钻爆法施工段砂浆锚杆、中空注浆锚杆。钢拱架构件自洞外通过运料平板车运至TBM 机尾下部后，通过下部吊机、升降平台、上部转运吊机、转运小车运到刀盘后方的钢架安装器处。

2.2 TBM的中段维修

本工程采用独头掘进，TBM 掘进距离较长。为保证设备的良好状态，计划在掘进至中段（掘进长度约7km处）时，对设备进行一次检修。检修洞采用人工弱爆破方法开挖，即TBM 到达该位置后停止掘进并后撤两个循环的距离，然后由人工在靠近掌子面后部成型的隧道洞壁位置钻孔，弱爆破将该位置扩挖成检修洞。最后，TBM 推进至该位置检修。

2.3 TBM到达

当TBM掘进至距离拆卸洞100m左右时，进行第一次测量。人工复核TBM 位置、姿态及拆卸洞方位，并与激光导向系统提供的数据进行比较，从而给出方向调整数据，指导TBM 主操作人员进行调向作业。当掘进至距离拆卸洞50m时，进行第二次量测，以后每掘进10m 量测一次，直到TBM进入拆卸洞。当TBM 距离拆卸洞室10m 左右时，为防止掘进震动对拆卸洞室及洞室与掘进段连接部位造成破坏，减慢推进速度、降低推进力，并严格控制TBM 掘进方向，使其沿隧道设计轴线推进。同时，严格控制仰拱块铺设偏差。

2.4 TBM拆卸与部件运输

TBM 拆卸是一项复杂的系统工作，为保证拆卸的顺利进行，需做好以下工作：拆卸洞室必须在TBM 到达前一个月完工并组装好吊机；拆卸所需的风、水、电提前接引至拆卸洞室；提前制订出详细可行的拆卸及运输方案；做好技术培训，并做好技术交底；提前做好标识牌、标志卡，拆卸下来的零部件标识清楚、准确；做好人、材、物准备工作，步进装置提前运至拆卸洞；准备好TBM 零部件的存放场地及包装箱；设立专职安全员并提前培训，全程监控TBM拆卸的安全作业。

本工程为了能有效地加快TBM拆卸进度、节约时间，TBM拆卸实行三班作业，主机用150t桥吊作业。因拆卸洞内场地不足，故拆卸下来的部件必须随拆随运。拆卸后的部件采用汽车通过出口钻爆法施工段运出洞外。部件运输状态如图3所示。

2.5 TBM出渣

图3 TBM部件洞内运输示意图（单位：mm）

隧道进料及出渣采用四轨双线、内燃机牵引的有轨运输方式，轨距为900mm，两线间距（中—中）为2 080mm。由于TBM 掘进时衬砌同步进行，横通道、大小避车洞也跟随施工，因此，运输方案应同时兼顾所有施工作业。洞内设3付浮放道岔，分别位于衬砌台车正下方、台车前方270m处和台车后方270m 处。洞外设立列车编组区域，铺设道岔和编组线路。采用混合编组的方法，每一列车由内燃机车牵引10 节20m3渣车配以需要的材料车组成，能满足掘进一个循环的需求（每掘进循环出渣量为180m3）。列车编组顺序为内燃机车→渣车→喷射混凝土罐车→仰拱块车→材料车→衬砌混凝土罐车，材料车、混凝土罐车根据需要编组。另外，上下班时间还要加挂人车，人车挂在衬砌混凝土罐车后方。编组完毕，由内燃机车顶推进洞，重车由机车牵引出洞至翻车机卸渣。衬砌用料编组在列车最前方一起进洞。

2.6 洞内运输

本工程洞内设3付浮放道岔，分别置于衬砌台车正下方、台车前方270m 处和台车后方270m 处。行车时，自1#至3#浮放道岔间只允许通行一列列车。掘进时，空车自3#轨线进洞，在3#、1#浮放道岔处与洞内出来的重车交汇，后继续沿3#轨线前进至TBM 后配套。重车自4#轨线出洞，在1#、3#浮放道岔处与空车交汇，后继续沿4#轨线出洞。洞内运输方案如图4所示。