吉林省中部城市引松供水工程(温德河至岔路河段)安装间设计分析

赵宪女

(长春工程学院机电工程学院，长春 130012)

吉林省中部城市引松供水工程(温德河至岔路河段)安装间设计分析

赵宪女

(长春工程学院机电工程学院，长春 130012)

吉林省中部城市引松供水工程总干线引水隧洞总长97.62 km，其中TBM施工段总长69.86 km,分为3个TBM段。TBM安装间是TBM组装、步进等的地下工作间，工程量较大，施工复杂，施工质量要求高，直接影响TBM施工准备及后续掘进。以中部城市引松供水工程(温德河至岔路河段)安装间设计为例，着重论述了其结构与空间尺寸选择，以便为类似工程提供参考。

中部引松供水总工程；TBM；安装间

1 工程概述

吉林省引松供水工程是从吉林市丰满水库库内调水，解决省内中部地区城市供水需求的大型跨流域输水工程。输水总干线全长109.72 km，其中隧洞总长97.62 km，TBM开挖洞径7.9 m，为国内最长的有压引水隧洞之一，也是吉林省规模最大的水利工程和省内第一次使用TBM施工的水利工程。隧洞跨越不同岩性地层较多，地质条件复杂。温德河至岔路河段位于3个TBM施工段的中间，为TBM2段，是线路最长的TBM施工段。

1.1 吉林引松输水总干线隧洞基本地质条件

吉林引松工程总干线路总体走向由北东引水向南西，工程区地势东南高西北低。洞线穿越的地貌海拔约500～700 m，最高约777 m。地貌按形态可划分为中低山丘陵、波状台地及河流漫滩阶地等。

1.2 温德河至岔路河段安装间基本地质条件

安装间为了满足TBM安装要求，开挖洞室相对较大，且安装人员较多，安装时间长，所以结构安全是最重要的，并兼顾施工方便，因此一般选择围岩条件相对较好的位置。经前期勘察，该段为燕山早期侵入岩石英闪长岩，肉红色，半自形粒状结构，块状构造，岩石普遍遭受蚀变，主要矿物成分为斜长石、角闪石、黑云母和少量石英。岩体较完整，围岩稳定性较好。地下水不发育，以潮湿—渗水为主，围岩条件好，初步确认为Ⅱ类围岩，因此先定此处作为安装间位置。

1.3 温德河至岔路河段掘进设备

该段掘进设备采用美国罗宾斯生产的开敞式硬岩掘进机(TBM)，开挖直径7.93 m，刀盘驱动额定功率为10(台)×300 kW，刀盘转速为0～8.3 r/min。整机长度为151 m。设备由刀盘、护盾、驱动系统、支撑和推进系统、电气系统、皮带机系统、材料吊机系统、锚杆钻机系统、混凝土喷射系统、底部清渣系统、钢拱架安装系统、钢筋网安装系统、多功能超前钻机系统、液压润滑系统、有害气体监测报警系统、导向系统、数据采集和控制系统、电视监视系统、除尘系统、二次通风系统、空气压缩系统、供排水系统、应急发电机系统、安全设施系统、连续皮带输送机系统、支洞皮带输送机系统、通风系统等系统组成。

美国罗宾斯(Robbins)公司是生产TBM最早的厂家。罗宾斯公司于1951年创建，1952年因研制出世界上第一套全断面掘进机而闻名于世界。

2 TBM洞内主机安装间设计

根据此段地质条件、TBM结构形式、安装设备所采用的施工设备、刀盘结构、刀盘直径、主机长度等因素,同时考虑TBM安装间的空间性质、施工方式、支护衬砌形式等,来选择TBM安装间的断面结构和尺寸。TBM安装间洞室开挖长度需根据所选掘进设备外型尺寸和组装的需要,并考虑TBM掘进机主机结构的摆放及部件安装所必需的卸车转运区域等确定,确保TBM安装间室满足TBM安装要求、力求结构安全、施工方便、设计合理并节省投资及后期回填衬砌方便。

2.1 TBM主机安装间的断面结构尺寸设计

TBM主机安装间是TBM主机构件及后配套安装的场地,主要布置TBM安装设备、安装构件和材料运输的起吊设备、主洞连续运输皮带机、材料存储场、机车充电间和风、水、电管路等。主机结构系统主要包括刀盘、主轴承、刀具、机头架和主机大梁、驱动装置、支撑系统、支护系统、液压系统、主机皮带等几部分。

根据TBM安装时施工组装的要求,同时考虑TBM主机吊机刀盘尺寸和启吊方便,以及结构安全，一般设计TBM组装间断面形式为方圆形，下部为了有更大的安装空间采用了矩形，顶部考虑围岩稳定采用拱形。根据以往安装经验，断面参数选取如下(其中参数的确定是根据厂家机组尺寸及施工安装要求选取):

1)TBM安装间开挖高度及吊车梁顶高程的确定。

H=R1+R2+S1+S2+H1+H2+D1+D2，

H吊车梁=R1+S2+H1+H2+D1+D2。

式中:H为安装间高度要求(考虑顶部开挖后整体稳定及安装要求的安装间净高度)；H吊车梁为安装间吊车梁高度要求；R1为顶拱支护厚度(本工程为Ⅱ类围岩,取0.2 cm)；R2为起吊机械安装时吊车吊钩至把杆顶部间最小距离(本工程取2.6 m)；S1为刀盘起吊设备高度(台车水平轨道以上部分高度，本工程取2.275 m)；S2为起吊机械轨道至吊钩间垂直最小距离(本工程取1.81 m)；H1为刀盘直径(本工程为7.93 m)；H2为刀盘安装支架最小高度(本工程取0.15 m)；D1为TBM移动轨道高度(本工程取0.15 m)；D2为底板混凝土浇筑厚度(一般取30～60 cm厚，根据地质情况本工程取50 cm)。

经计算,组装间最小开挖高度为15.615 m,吊车梁高度为10.74 m。

2)安装间底部最小开挖宽度确定。

B下=2(S+A+C)+D。

式中:B下为TBM组装洞室台车轨道最小下开挖宽度；S为安装洞室两侧边墙初期支护厚度(本工程取0.2 m)；A为洞室两侧砼边墙厚度(本工程为Ⅱ类围岩,采用岩壁梁结构，因此两侧没砼边墙)；C为刀盘两侧安装时与两侧最小安全距离(本工程取1.085 m)；D为刀盘直径(本工程为7.93 m)；经计算,安装间底部最小开挖宽度为10.5 m。

3)安装间吊车以上部位最小开挖宽度确定。

B上=2S+2A+B。

式中:B上为台车轨道最大开挖宽度,m；S为安装间开挖初期支护厚度(本工程取0.2 m)；A为安装间两侧边墙与台车行走大梁两端头间的安全距离(本工程为0.7 m)；B为吊车大梁长度(本工程为11.3 m)；

经计算,安装间吊车以上部位最小开挖宽度为13.1 m。

因此,综合以上分析,最后确定TBM安装间开挖断面参数为:高度15.615 m、底部宽10.5 m、拱冠宽13.10 m (如图1)。

图1 TBM安装间断面图

2.2 TBM安装间长度确定

TBM主机安装间长度由TBM刀盘、设备桥以及天车行走部分两侧的安全距离决定。

L=2T+H+Q。

式中:L为安装间洞室最小长度,m；T为台车横向中心距台车行走轨道间最小安全距离，一般取6～8 m,本工程取7 m。H为TBM刀头(刀盘前部至尾护盾后端间距离)长度(本工程取6 m)；Q为TBM设备桥长度(尾护盾后端至设备桥后部未端，本工程取52 m)。

经计算,TBM主机安装间的最小长度为78 m。经过以上计算，考虑施工方便及预留空间等因素影响，确定主机间长度为80 m。

3 TBM安装间洞室开挖

安装间洞室段采用分步分台阶法开挖，“多炮孔，少填药”。先挖顶拱及部分边墙，其余边墙再分两台阶开挖，并采用光面爆破。残留炮孔痕迹应在开挖面上均匀分布。炮孔痕迹保存率应在85%以上。相邻两孔间的岩石平整，孔壁不应有明显的爆破裂隙。相邻两茬炮之间的台阶或钻孔的最大偏斜值应小于20cm。

图2 TBM安装间开挖次序图

4 结语

由于受工程所处地理位置、主支洞交叉等限制,很多TBM设备不得不选择在洞内进行组装。这对于TBM刀盘、主轴及设备桥等大部分构件可能受超重、超宽的影响,使得对洞内TBM安装间的设计尤为复杂。建议应根据以上设计原则和所选择TBM的具体参数进行不同洞室断面的设计。设计洞室应在确保安装顺利进行的前提下，尽量减小安装洞室开挖断面，从而最大限度地减小工程投资,这是设计、建设和施工单位共同的愿望。

中部城市引松供水工程(温德河至岔路河段)TBM在2015年3月设备进场，2015年4月在主机安装间完成整机组装并开始步进，2015年5月调试完毕并开始掘进，2017年2月13日该TBM第一阶段顺利贯通，掘进总长约9 840m。作为TBM最长的标段，它的贯通为三标段隧洞衬砌、设备检修创造了条件，为吉林引松工程的按期建成通水奠定了基础。

中部城市引松供水工程(温德河至岔路河段)TBM顺利组装及掘进贯通也会对其他隧洞TBM洞室的选取具有参考价值。

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A Brief Analysis on Installation Room Design in the Project on diverting Songhua River to supply water in Central Cities of Jilin Provience(Wende River to Chalu River)

ZHAO Xian-nv

(SchoolofMechanical&ElectronicsEngineering，
ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The total length of the diversion tunnel of the project in diverting Songhua River to supply water in central cities of Jilin province China is 97.62 km，in which the total length of TBM construction is 69.86 km，and divided into three TBM segments.The TBM installation room is the underground workshop of TBM assemble，step and so on.The engineering quantity is large，and the construction is complex.The construction quality requirements are high，and directly affect the TBM construction preparation and the follow-up procedures.This paper，taking the design of the installation room of the project diverting Songhua River to supply water in central cities(Wende River to Chalu river)as an example，focuses on the selection of structure and space size in order to provide reference for similar projects.

the general project on diverting Songhua River to supply water in central cities；TBM；installation room

2017-04-07

吉林省科技厅重点科技攻关项目(20160204020SF)

赵宪女(1978-)，女(汉)，吉林农安，助理研究员 主要研究教学管理、水利与环境工程。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.016

TV554

A

1009-8984(2017)02-0065-03