TBM隧洞施工长距离出渣问题研究

2018-12-14刘波波

陕西水利 2018年6期

王新，刘波波

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西西安 710100）

0 引言

随着地下工程施工技术、TBM设备的不断发展，TBM被越来越多地应用于隧洞施工特别是超长隧洞施工中。TBM施工中，出渣问题是制约施工进度、影响洞内施工工艺选择的关键问题之一。目前，与TBM相配套的出渣方式，仍基本沿用洞内有轨运输和洞外汽车转载的传统方法。其中连续皮带机出渣技术日趋成熟，已在TBM中得到了广泛的应用，连续皮带机出渣方式已成为长运距、大运量的隧道施工的主要出渣方式，在高效的TBM隧道施工中起到了关键作用。

近年来，许多学者结合工程实际，对于皮带机出渣技术在TBM施工中的应用展开了广泛研究[1-5]。胡景军[6]以兰渝铁路西秦岭隧道TBM施工段为例，进行两阶段弃渣设计，从每阶段的洞内出渣、洞外运渣、设置洞外分渣器的经济评价等方面，对TBM皮带出渣技术进行了综合研究。曹晓平[7]以东北某引水工程主洞TBM施工段为例，针对连续皮带机出渣系统的延伸技术、控制系统、快速收放等关键技术方面入手，对各方面的技术革新进行了研究论述。齐梦学等[8]以兰渝铁路西秦岭隧道TBM施工段为研究对象，从设备采购成本及配置、运行成本、维修保养成本、对进度的影响等方面，综合对比分析了连续胶带机出渣和有轨运输出渣2种方式的优劣，凸显了选择连续胶带机出渣的优点。段少国[9]依托锦屏二级水电站引水隧洞工程TBM掘进段，研究了适合于高地应力下特大断面TBM施工的转渣系统，并给出了相应的开挖支护方案及技术参数，取得了很好的应用效果。

本工程TBM施工段较长，断面大，TBM掘进速度快，出渣量大，为此从安全、经济、技术等角度考虑，本工程选择连续皮带机出渣方案。

1 秦岭隧洞岭北TBM段概况

引汉济渭工程岭北TBM由2条主洞、2条支洞组成，具体为TBM主洞、6号主洞以及5号支洞、6号勘探试验洞。

其中5号支洞全长4595 m，位于TBM施工段落中部，主要用来解决TBM长段落施工通风、出渣、检修等问题，是目前国内建成第二长的斜井支洞。

6号勘探试验洞全长2470m，断面为圆拱直墙型，净空高6.75 m，宽7.7 m，支洞内纵坡为-9.1%和-3%的单面下坡，综合坡度8.23%。

6号主洞延伸段工程为隧道单洞4414.5 m（桩号K63+050～K67+464.5）。该洞衬砌后断面为 6.76 m×6.76 m，为马蹄形断面。

TBM主洞全长16690 m，包含TBM配套洞室1525 m（TBM后配套洞120 m，主机组装洞82 m，步进洞245 m，TBM接应洞918 m，检修洞60 m，两个始发洞各25 m，拆卸洞50 m）和TBM施工段15165 m（第一阶段6788 m，第二阶段8377 m）。5号支洞和TBM配套洞进行钻孔爆破，TBM主洞采用Φ8.02 m开敞式硬岩掘进机施工。TBM通过6号勘探试验洞运至组装洞室，在洞内组装并完成调试后向三河口方向掘进，第一阶段贯通后，TBM在检修洞内检修，TBM出渣、通风系统以及辅助设备的供电系统转场至5号支洞，TBM转场检修完毕后，开始第二阶段掘进施工。施工平面布置见图1。

图1 TBM施工平面布置图

2 出渣设计难点

从图1可以看出，本工程出渣设计要全面考虑TBM从6号勘探试验洞运至组装洞室开始，向三河口方向掘进至桩号K46+360为止全过程的通风。且5号支洞和6号支洞分别位于主洞两侧。在进行出渣设计时，不仅要考虑两条支洞不同侧布置的问题，还要综合考虑TBM在不同施工段落转场、衔接过渡等问题。本工程出渣设计的主要难点在于：

（1）出渣线路长，TBM施工段总长约13.5 km，对皮带机出渣系统设计及布置、对洞内施工的影响、配套的辅助措施等方面，要综合全面考虑，是此次设计的最大难点；

（2）由于5号支洞和6号支洞分别位于主洞的两侧，不具备在洞内改变TBM后配套台车安装的连续皮带机移动尾端位置的条件，因此，连续皮带机和支洞皮带机的布置位置，要综合考虑衬砌施工、钻爆段施工、电缆布线等方方面面。

（3）TBM掘进速度快，日出渣量大，除皮带机布置的位置外，选择适宜的皮带机参数，以匹配TBM施工进度也是一个重要的课题。

3 皮带机出渣系统设计

3.1 具体设计方案

3.1.1 总体设计

根据工程现场的实际情况，施工期间的整体设计方案如下：

采用连续皮带机和支洞皮带机接力，把弃渣从TBM后配套运至支洞洞口，利用洞外转载皮带机运输至临时弃渣场，之后以自卸车运至永久弃渣场。TBM在第一阶段掘进时，通过6号支洞将弃渣运至支洞洞口；TBM在第二阶段掘进时，通过5号支洞将弃渣运至支洞洞口。TBM施工段采用连续皮带机出渣，可最大限度地保证TBM的高效率掘进。

3.1.2 皮带机出渣系统设计

TBM掘进采用皮带机系统出渣，连续皮带机受料端安装在TBM后配套上，卸料端位于主洞与支洞交叉口部位，将弃渣卸入支洞皮带机，再运输到支洞洞口。

6号支洞和5号支洞的皮带机系统共用一套设备。

连续皮带机和支洞皮带机的布置位置，涉及到同步衬砌、钻爆段施工、洞内运输、供排水管布线、电缆布线等方方面面。根据岭北TBM施工段技术部分相关资料，综合考虑洞内施工中的各种可能，皮带输送系统的布置方案如下：

连续皮带机沿TBM掘进方向的左侧布置。由于5号、6号支洞分别位于主洞的两侧，不具备在洞内改变TBM后配套台车安装的连续皮带机移动尾端位置的条件，在第一阶段或第二阶段支洞皮带需要横贯主洞，与连续皮带机料斗相接，才能实现转渣运输。

在第二阶段实现支洞皮带横贯主洞进行转渣难度较大，需要提高支洞皮带的安装高度，在连续皮带机尾部增加一条用于转渣的斜皮带，避免支洞皮带影响洞内运输。由此将会导致降低皮带输送系统的工作可靠性，同时还可能会造成同步衬砌台车无法通过。考虑到TBM组装前，6号支洞与主洞交汇处已完成钻爆开挖，施工空间较为充足，安装难度相对较低。因此在6号支洞位置实现支洞皮带机横贯主洞出渣更为有利，安装工作可以在组装期间同步进行，不会影响组装工期，而且横贯的支洞皮带不会影响TBM施工材料运输。

3.1.3 皮带机出渣系统相关参数

第一阶段皮带机驱动系统采用2 kW×355 kW的主驱动+1 kW×355 kW的喇叭口驱动+160 kW的回程辅助驱动，设计运输长度10000 m；

第二阶段皮带机驱动采用洞口主驱动+支洞内5套辅助驱动，电机功率均为355 kW,支洞皮带机长度4590 m。

以上三条皮带均宽800 mm，带强ST2000，皮带出渣能力设计770 t/h。

3.1.4 出渣过程降尘措施

在出渣后和出渣过程中用高压水冲洗岩壁及对渣堆分层洒水，减少装渣过程中扬起粉尘，运输道路保持湿润，防止车辆运输扬起尘土。

3.2 出渣效果

采用上述皮带机出渣系统以来，TBM掘进第一阶段自2014年6月15日开始，2015年8月23日贯通，掘进长度6788 m，月平均进尺551 m，最高日进尺50.5 m，最高日出渣量2525 m3。TBM第二掘进阶段2015年11月10日开始至今，共掘进7755.12 m，平均月进尺为269.5 m（除去3个月的卡机时间），最高月进尺551.79 m，最高日进尺36.03 m，最大日出渣量1801.5 m3。设计的皮带机出渣系统完全可以满足TBM施工段落出渣要求。