西秦岭隧道TBM掘进步进施工技术

李南川

(中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

西秦岭特长隧道全长28 236 m，其中左线掘进总长度为12 934 m，为国内铁路界最长的TBM施工隧道。TBM掘进施工包含TBM组装、步进、始发掘进、正常掘进、贯通掘进等工序［1］。西秦岭隧道的施工则包含3个步进段(包括TBM掘进最终贯通以后将步进至TBM拆卸洞)和2个掘进段作业。而TBM第2个步进段所需设备在洞内安装难度大，作业空间小等技术难题都将是施工难点。文献［2］介绍了TBM步进速度对工程建设进度的影响;文献［3］通过介绍油缸推进、弧形滑道步进与电机驱动、整体托架步进这几种步进方法的技术特点、控制重点和详细的施工方法并对各自的优缺点进行比对，提出TBM经过钻爆施工段的步进方案;文献［4］以西秦岭隧道为工程实例，从施工进度、弧面质量、经济效益等方面进行方案比选，最终选择了TBM弧形步进滑槽的快速施工方法;文献［5］分析了TBM步进对隧道施工工期的影响;文献［6］阐述了仰拱块供应对TBM步进的影响，并提出提高仰拱块生产效率的一系列先进施工技术;文献［7］以兰渝铁路西秦岭隧道为例，介绍了TBM步进模式以及狭小场地内TBM快速组装、调试技术。TBM隧道内二次步进在国内尚无先例，步进设备运输以及隧道内安装是施工难点。本文以兰渝铁路西秦岭隧道为例，分析TBM隧道内二次步进施工及技术难题，并阐述提高TBM步进效率的施工方法。

1 工程概况

兰渝铁路西秦岭隧道工程XQLS2标位于新建铁路兰渝线中段，地处甘肃省陇南市武都区境内。西秦岭特长隧道全长28.236 km(DIK395+116～DIK423+352)，为左右线分设的2条单线隧道，隧道最大埋深约1 400 m。隧道界限时速200 km客货共线设计。

本隧道采用钻爆法与TBM掘进联合施工，其中隧道出口在围岩好的地段分2段采用φ10.23 m TBM掘进施工:第1段长5 594 m(DIK421+239～DIK415+645)，第2段长7 340m(DIK410+930～DIL403+590)，其余地段均采用钻爆法施工。本隧道施工工期非常紧张，线下工程总工期为61.5月。为使工程能按时顺利竣工，TBM的步进与掘进都是项目的关键性工序。

2 TBM步进原理及施工工序

2.1 TBM步进原理

由于TBM主机与弧形钢板的摩擦因数小于弧形钢板与混凝土面的摩擦因数，当推进油缸时，TBM主机会在弧形钢板上向前滑行，滑行支撑架与撑靴在导向筒上向前滑行。步进推进油缸与推进油缸同时伸长1.8m后，举升油缸举升TBM主机，后支撑支腿伸长至下部岩壁，举升滑行支架，步进推进油缸收缩牵引弧形钢板前行1.8 m，推进油缸收缩牵引撑靴和滑行支撑架前行1.8 m后，收缩举升油缸和后支撑支腿，完成1个步进循环。

1)刀盘与钢板的摩擦力

式中:F1为滑动摩擦力;μ为滑动摩擦力因数，有润滑时为0.1～0.12，无润滑时取0.15;N 为接触面的正压力，TBM主机质量为800t，重力加速度为10g/m2。

将数值代入式(1)，得:

2)钢板与混凝土地面之间的摩擦力

式中:F2为静摩擦力;μ为摩擦力因数，取0.2～0.3;N为接触面的正压力，TBM主机质量为800 t，重力加速度为10 g/m2;n为钢板的尺寸，7 688.5 mm×6 038 mm ×70 mm; ρ为钢板的密度，取7.85 g/cm3。

将各值代入式(2)，得:

由式(1)和式(2)可知:钢板与混凝土地面的摩擦力大于TBM主机与弧形钢板的摩擦力，故能够满足步进时提供的反推力的要求。

2.2 TBM步进施工工序

施工准备—弧形滑道施工—弧形钢板就位—TBM组装调试—滑行支撑架安装—步进推进油缸与弧形钢板连接—步进推进油缸、主机推进油缸伸长推进TBM前进1.8 m—举升油缸举升TBM主机、后支撑支腿伸长—步进推进油缸收缩牵引弧形钢板前进1.8 m、主机推进油缸收缩牵滑行支撑架前进1.8 m—举升油缸收缩、后支撑支腿收缩—下一个换步循环［3］。

3 TBM步进机构安装

3.1 弧形钢板

主机下弧形钢板采用70 mm厚钢板加工，尺寸为7 688.5 mm ×6 038 mm ×70 mm(长 ×宽 × 厚)，以半径5 115 mm弯成弧形。

3.2 滑行支撑架安装

TBM步进时撑靴都已收回，在撑靴下安装1个滑行支撑架，用于支撑TBM主机及支撑靴。滑行支撑架在TBM组装时一起安装完成，当TBM步进时滑行支架向前滑行。滑行支撑架安装如图1所示。

图1 滑行支撑架安装Fig.1 Installation of sliding supporting frame

3.3 举升油缸安装

在护盾两侧对应的位置焊接举升受力钢板，如图2所示。

图2 举升油缸安装Fig.2 Installation of lifting cylinder

3.4 步进推进油缸安装

步进推进油缸共4组，每侧2组。步进推进油缸前部与护盾连接，后侧与弧形钢板连接，步进推进油缸推力2 000 kN，行程1.8 m，具体见图3。

图3 步进推进油缸安装Fig.3 Installation of stepping thrust cylinder

4 TBM步进

准备工作完成后，TBM步进开始。TBM主机通过2组4根TBM步进推进油缸(2 000 kN×4，行程1.8 m)伸长推进TBM主机向前行进，TBM步进推进油缸伸长的同时，主机推进油缸一同伸长，具体如图4所示。

图4 步进推进油缸伸长将主机向前推移1.8 mFig.4 TBM moving forward for 1.8m due to extension of stepping thrust cylinder

步进推进油缸伸展1.8 m后，用设在TBM主机护盾下方的2组举升油缸(每组3根1 500 kN油缸)把主机进行举升，举升油缸将TBM护盾提升3～4 cm，具体如图5所示，后支撑伸长至下部岩壁，举升滑行支架。

图5 举升油缸将主机抬起Fig.5 Lifting of TBM by lifting cylinder

TBM主机被举升后，通过TBM步进推进油缸(2 000 kN×4，行程1.8 m)收缩带动弧形钢板前行，同时主机推进油缸收缩，后配套牵引油缸伸长，带动滑行支撑架前行。步进油缸收缩完成后，举升油缸和后支撑支腿收缩，把TBM主机放置在弧形钢板上及滑行支架放置在下部混凝土面上，完成一个步进循环，具体如图6所示。

图6 举升油缸与步进推进油缸复位Fig.6 Reposition of lifting cylinder and stepping thrust cylinder

5 TBM掘进后再步进中技术难题的解决

5.1 TBM滑行支撑架位置确定

兰渝铁路西秦岭隧道TBM掘进施工第1阶段贯通点里程为DIK415+645，由于TBM掘进断面为圆形，而TBM步进所需安装的结构件中的滑行支撑架必须放置在混凝土平面上。滑行支撑架安装示意图如图7所示。

图7 滑行支撑架安装示意图Fig.7 Sketch of installation of sliding supporting frame

5.1.1 施工方案

为使滑行支撑架能够顺利进行安装，提出2个讨论方案。

1)方案1。将滑行支撑架的安装位置至第1阶段贯通点处的围岩进行开挖，使之能满足滑行支撑架的安装及步进要求。

2)方案2。将TBM继续向前移动，直至将滑行支撑架的安装位置(水平支撑靴)移动至第1阶段贯通点位置。TBM在贯通以后，还可以继续向前掘进，当撑靴移动到贯通点位置时，由于撑靴油缸行程的关系，撑靴已经不能再抵达岩壁，此时TBM则不能继续向前移动。当TBM到达这个位置时，依然没有足够的空间进行滑行支撑架的安装。

5.1.2 方案比选

若采用方案1，则需要进行开挖的隧道纵向距离约为4.6 m(撑靴的宽度2.6 m+滑行支撑架超出撑靴后的长度3.8 m－撑靴换步前移距离1.8 m)。也就是说，采用方案1就需要在隧道两侧起拱线位置往下部分进行人工开挖，开挖的距离至少4.6 m，开挖方量约为36 m3。此方案工程量太大，且施工难度大。

若采用方案2，则需要将TBM向前移动至少4.6 m。因此，考虑依旧使用撑靴将TBM桥架部分抬起，模拟正常掘进的方法使TBM向前移动。

经过多方面考虑以及可行性分析，最终采用方案2进行施工。

5.1.3 方案2施工方法

1)将TBM正常掘进直至撑靴抵达贯通点位置。

2)将后支撑落地，支撑起TBM的质量。

3)收回撑靴油缸，使撑靴离开岩面后进行正常换步，向前移动撑靴1.8 m。

4)将撑靴油缸对称伸出，控制伸出量，当油缸行程还剩15 cm时，停止伸出。

5)在撑靴支撑范围内铺设大量方木，方木沿隧道纵向进行铺设，铺设时尽量塞紧。

6)方木铺设完毕后，开始伸出撑靴油缸，当撑靴油缸压力上升至8 MPa左右时，改用高压伸出，然后观察撑靴油缸的行程及压力变化。若压力达到28 MPa同时油缸行程仍有余量且稳定不变后，则开始进行第7)步。若有一项不符合，则收回撑靴油缸，重新由4)开始。

7)将刀盘转速调至1 r/min左右(刀盘转速调整是为了减小启动刀盘时撑靴受到扭矩，避免造成撑靴下滑)，启动皮带机(转动刀盘的必要条件)，转动刀盘(若不进行此项操作，TBM高压推进无法实现，则不能推动TBM前进)。

8)待刀盘驱动电机电流稳定且刀盘转速稳定后，观察撑靴油缸压力及行程情况，若无异常则进行9)，若有异常，与6)相同处理。

9)缓缓收起后支撑，若无异常，将推进油缸的流量控制调整为30%左右，伸出推进油缸，使TBM向前移动。若有异常，立即落下后支撑，停止前进，观察情况后再进行施工。

经过3个循环的模拟掘进，TBM顺利抵达指定位置。此方案在施工中用时14 h，为TBM步进构件安装提供了空间与时间保障。

5.2 弧形钢板的焊接拼装

弧形钢板是TBM步进不可或缺的重要结构件之一。在第1次步进结束时，由于其外形体积太大，不能运出隧道外，不得不被分割成几个小块。在第1阶段贯通前，为节省时间和拼装难度，将大部分运至斜井钻爆段进行提前拼装焊接。此次焊接任务精度要求高，焊接质量要求高且焊接量大，是TBM二次步进顺利进行的关键工序。项目部抽调电焊精英进行焊接，质量上严格把关，历时10 d圆满完成焊接任务，最终通过了TBM步进的严峻考验。

5.3 滑动支撑架的运输及安装

兰渝铁路西秦岭隧道所使用的TBM直径为10.23m，步进所需滑动支撑架体积大、质量大，安装空间狭小，使得该结构件的运输以及安装难度都非常大。

为不影响隧道内其他工序的正常施工，TBM步进所需结构件的运输时间、运输顺序都必须经过反复研究，由分管运输的调度室进行全线协调，重点督促，使得这些超宽、超高、超重结构件按从下到上、从前到后的顺序运输进入TBM，依次进行安装，保质保量地完成滑动支撑架的运输及安装。

6 TBM步进技术的改进及效果

6.1 TBM二次步进仰拱块运输方案调整

由于二次步进的最小运输距离为7 800 m(刚开始步进时)，随着TBM不断向前步进，运输距离逐渐加大，加之项目部所配置的运输设备是按照正常掘进考虑，只配备了12台仰拱块运输车，TBM步进速度远高于正常掘进速度;因此，仰拱块的运输问题成了制约TBM正常步进的关键因素。为使TBM能够加快步进速度，经过多次试验，现将原有的6台运输喷浆料的平板车加入运输编组，每台内燃机车挂设4台仰拱块运输车之外再增加2台喷浆料运输平板车，这样每列机车将可以运输6块仰拱块，共3列。机车到达TBM后卸掉2块仰拱块，将空平板车脱钩放置在TBM后配套拖车后面的另一条轨道，再卸掉2块仰拱块，直至将6块全部卸完，机车将6台空平板车带出隧道外继续装车。实践中，此方案每班(12 h)将多运输仰拱块18块，由此将使得TBM步进距离提高32 m，大大提高TBM的步进效率，为实现项目阶段性目标打下坚实的基础。

6.2 仰拱安装机实现水平90°旋转

TBM所配置的仰拱安装机最初设计并没有将仰拱块水平旋转90°的功能。安装仰拱块时需要人工将仰拱块在运输平板车上水平旋转90°后(如图8所示)才能使用仰拱安装机进行吊运拼装，既增加了工作量，同时也降低了工作效率;加之操作空间狭小，稍有不慎就可能造成人员被仰拱块挤压受伤。经讨论研究决定，在设备原有功能不变的情况下增加仰拱安装机吊装设备水平旋转90°的功能。此项功能实现后，减小了施工工作量，安全、快捷且操作简单，如图9所示。在实际施工中，此方案的实施，使得仰拱块拼装效率有效提高，进而提高了TBM整体掘进施工能力。

图8 人工旋转仰拱块Fig.8 Invert segment turning by hand

图9 仰拱安装机改造后吊装仰拱块Fig.9 Invert segment lifting by modified invert segment installing machine

6.3 TBM步进用举升油缸座改造

TBM步进用举升油缸座原始设计如图10所示，该组成部分A和B是没有连接的2个单独部分，当举升油缸泄压时，TBM自重将举升油缸压回，TBM向前步进时，焊接于A部分的2根轴C带动固定于B部分的2个套筒D，从而使得B部分也随TBM同步前进。此设计方案在第1次步进时，由于举升油缸内存在压力以及混凝土弧形槽有误差而导致B部分与地面摩擦力较大，使此基座的部分焊缝出现裂纹甚至脱落，严重影响了TBM正常步进。

图10 改造前的举升油缸基座Fig.10 Lifting cylinder foundation before modification

在二次步进开始前，决定对该基座进行改造。采用衬砌台车上使用的小油缸来连接A和B部分，实现步进时将B部分整体提起，离开地面。改造后的基座，在步进时成功实现预定目标，从此，该基座没有发生一次故障，成功降低了TBM步进故障率，为TBM早日步进至掌子面提供坚实基础。改造后的基座如图11所示。

图11 改造后的举升油缸基座Fig.11 Modified lifting cylinder foundation

7 结论与讨论

TBM贯通后都需要继续前进才能进行下一道工序，比如二次步进前步进设备的安装通过模拟正常掘进，TBM在钻爆加大断面隧道内前进，为步进设备(滑行支撑架)在隧道内安装提供足够的空间，成功解决了步进设备在隧道内安装的难题。通过对步进设备的改造，提高了TBM步进效率。TBM步进设备体积庞大，安装与拆卸都相当困难，且绝大部分连接都采用焊接，在不影响使用的情况下可以考虑采用小件拼装、螺栓连接。TBM上部分设备的布置在实际施工中还存在不便之处，可以根据施工需要进一步优化。在不同地质情况与环境下TBM施工会有不同的技术难点，研究并解决TBM施工中的技术难点必将是一项长期的工作。

［1］ 戴润军，杨永强.西秦岭隧道连续皮带机出碴下的同步衬砌施工组织管理［J］.隧道建设，2011，31，(4):494 －499.(DAI Runjun，YANG Yongqiang.Construction organization management for synchronous lining casting in the case of continuous belt conveyor mucking system:Case study on West Qinling tunnel［J］.Tunnel Construction，2011，31，(4):494 －499.(in Chinese))

［2］ 王峻武，陈大军.兰渝铁路西秦岭隧道TBM步进施工技术［J］.铁道建筑技术，2011(5):101 －106.(WANG Junwu，CHEN Dajun.Lan-Yu railway Xiqinling tunnel TBM step construction technology［J］.Railway Construction Technology，2011(5):101 －106.(in Chinese))

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［7］ 赵战欣.西秦岭隧道掘进机步进模式的探讨［J］.铁道建筑技术，2009(11):21 －23.(ZHAO Zhanxin.Discussion on the TBM stepping mode of West Qinling tunnel［J］.Railway Construction Technology，2009(11):21－23.(in Chinese))