敞开式TBM空推步进技术在引松供水工程的应用

王海军

(中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

0 引言

当今中国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家。TBM是长度大于20 km特长铁路、水利隧道高度机械化的开挖设备，TBM掘进与钻爆法配合进行快速安全施工是最好的组合方法[1]。例如: 西康铁路秦岭隧道全长18.45 km,其中Ⅰ线隧道TBM掘进10.3 km、钻爆法开挖8.15 km; 西合铁路桃花铺1号隧道全长7.23 km,其中TBM掘进6.02 km、钻爆法开挖1.21 km； 兰渝铁路西秦岭隧道全长28.2 km,其中左线隧道TBM掘进13.6 km、钻爆法开挖14.6 km,右线隧道TBM掘进14.9 km、钻爆法开挖13.3 km。大部分工程 TBM 掘进段与钻爆法施工段交错布置,TBM必须以适当方式通过,业内称之为“步进”[2]。目前TBM步进方式主要有反力架式、轨行式、滑板式、掘进式等，其中以滑板式、掘进式最为常见。

文献[2]系统地总结了现有的TBM步进技术，重点论述了滑板式步进技术；文献[3]以引松工程为依托，详细介绍了平面滑板式步进机构的组成、步进原理，将步进机构和前期基建相结合，分析步进过程中的要点及注意事项，并对采用平面滑板式步进机构的优缺点予以总结概括。滑板式步进机构的基本原理是：TBM步进时，钢材与混凝土之间、钢材与钢材之间摩擦因数的差值向拖拉油缸提供向前顶推TBM的反力[3]。文献[4]介绍了敞开式TBM洞内滑移板步进技术的工艺流程；文献[5-7]以兰渝铁路西秦岭隧道为工程实例，分别就TBM采用油缸推进、弧形滑道步进与电机驱动、整体托架步进2种方式进行对比分析。西秦岭隧道TBM步进采用弧形钢板支撑，以弧形钢板和弧形槽的摩擦力作为反作用力，推动弧形钢板带动刀盘总成前进。文献[8-10]对滑槽快速施工、弧形基础的设计与施工等方面进行阐述；文献[11]以西藏庞多水利枢纽灌溉输水洞为例，重点对洞内组装、油缸推进+预埋钢轨的滑轨式步进施工进行研究；文献[12]介绍了辽西北供水工程TBM采用滑板式步进过程中遇到的问题及解决对策；文献[13]对平底板步进过程中遇到的技术问题和对策进行分析探讨；文献[14]对滑板式步进方式、滚轮步进方式、推进油缸步进方式进行对比分析，重点介绍滑板式步进方案、流程及保障措施；文献[15]以重庆市轨道交通6号线工程为依托，介绍了弧底步进过站技术。

综上所述，目前学者大多数围绕滑板式步进进行研究，鲜有空推步进的相关实例以及文献。本文结合工程实例，详细介绍敞开式TBM空推步进的工艺原理、操作流程，分析步进过程中的注意事项，并与滑板式步进进行优缺点与适应性的对比分析。

1 工程概况

吉林省中部城市引松供水工程输水总干线位于吉林省吉林市永吉县境内，其中丰满水库取水口至饮马河为隧道，长约72 km，开挖直径为7 900 mm，坡度1/4 300，采用3台敞开式TBM掘进施工。

引松供水工程4标段总长度为23 km，采用1台敞开式TBM由隧道出口向7#支洞方向掘进。工程主要包括23 km引水隧洞主洞、3#通风竖井兼调压井、饮马河调压井、7#施工支洞、8#施工支洞和小河沿施工竖井、碱草甸子施工竖井及其他临时工程。采用TBM施工的主洞掘进共分2个阶段，第1阶段掘进8 575 m(71+476～68+351，68+204～66+640，66+350～62+464)，第2阶段掘进8 913 m(60+618～51+705)，TBM掘进总长17 488 m。施工平面布置如图1所示,图中绿色部分为钻爆法施工，红色部分为TBM法施工。

图1 引松供水4标施工布置示意图 (单位： m)

TBM在出口步进段始发，先后经过碱草甸子主洞段、小河沿主洞段、8#支洞接应段及检修段，经过第1阶段掘进及在8#支洞检修间转场检修后，在8#支洞主洞始发段始发，在7#支洞接应段贯通，而后拆机从7#支洞运出。TBM在出口、碱草甸子、小河沿段均采用滑板式步进，隧洞设计断面为马蹄形，底部为平底板。8#支洞钻爆接应段桩号为62+464～61+093，共计1 371 m，设计为圆形断面，空推步进通过。

本工程采用1台由中铁工程装备集团有限公司制造的φ7 900 mm敞开式TBM掘进施工，TBM设计参数见表1。

2 步进方案比选

2.1 TBM空推步进工艺原理

圆形断面隧道底板施工时，刀盘与底部接触范围内采用混凝土浇筑，混凝土表面弧度与刀盘弧度保持一致，方便刀盘向前推移。TBM步进前将刀盘调整至抬头的趋势避免损坏隧道底部混凝土； 刀盘调整到位后撑靴撑紧洞壁，收起后支撑，推进油缸向前推进一个行程，然后放下后支撑，收回水平支撑油缸后回收推进油缸，同时带动撑靴向前移动； 水平撑靴前进一个行程后，将撑靴撑紧洞壁，收起后支撑，由拖拉油缸拖拉后配套前移一个行程，此时TBM整体完成一个循环的步进。

2.2 滑板式步进技术工艺原理

滑板式步进系统的主要结构如图2所示。由于大滑板与混凝土底板之间(即钢材与混凝土之间)以及小滑板与大滑板之间(即钢与钢之间)的摩擦因数不同,前者为0.2 ～0.3，后者为0. 15，且大小滑板之间涂抹润滑剂后摩擦因数会更小(0. 1～0. 12),而两者所承受的压力基本相同，因此后者所产生的摩擦力远小于前者。TBM步进时，步进油缸向前顶推TBM的反力由上述摩擦力的差值承担。

表1 TBM主要设计参数

(a) 步进系统侧视图

(b) 刀盘处主视图 (c) 撑靴处主视图

1—大滑板； 2—小滑板； 3—底护盾； 4—导向轮； 5—步进油缸； 6—推进油缸； 7—撑靴支架； 8—撑靴； 9—后支撑； 10—举升油缸。

图2滑板式步进系统结构

Fig. 2 Structure of sliding-type stepping system

2.3 2种步进方式对比

滑板式步进技术非常成熟，运行成本低、步进速度快。兰渝铁路西秦岭隧道左线采用滑板式步进技术，25 d步进2 113 m,平均日步进84.52 m；辽西北供水工程2段4标采用滑板式步进技术，35 d完成4 431.5 m步进，平均日步进126. 6 m[2]。

空推步进方式适合圆形断面钻爆段，无需额外投入其他任何材料、设备即可进行步进，主要特点有： 1)在满足相同直径TBM步进的情况下，圆形断面开挖较平底板断面开挖工程量少。以本工程为例，采用空推步进方式石方洞挖每延米减少7.51 m3； 2)步进轨枕材料用量比马蹄形断面少，马蹄形专用的步进轨枕底部要增加支腿，而圆形断面步进轨枕不需要支腿，直接将工字钢放置在开挖面即可。以本工程为例，材料可节约43%，每组步进轨排节约I16工字钢0.11 t； 3)步进机构每套近50万元，步进机构安装及拆除需要3 d，采用空推步进方式可节约步进机构的购置费以及人工费。2种步进方式比较见表2。

表2 滑板式步进与空推步进方式对比

8#支洞下游段设计为圆形断面，经过对比认为空推步进相对适合此断面，同时也具有经济合理性，故采取空推步进方式。

3 TBM空推步进施工方法

3.1 弧形底板施工

3.1.1 基础处理

1)基础面清理采用人工配合机械的方法，先用挖掘机对底板的石渣进行清理至设计标高5 cm后采用人工清理，防止机械破坏下部基础造成超挖；超挖处采用与底板同标号混凝土补平。

2)底板施工时注意基础面洁净，混凝土浇筑前洒少量水使浇筑面湿润。

3)整个圆形断面应满足TBM刀盘净空需求，且满足撑靴行程要求。隧道断面半径净空可比刀盘半径大12 cm，断面太小容易出现欠挖情况从而卡住刀盘； 断面太大则超出撑靴油缸行程，撑靴无法撑紧洞壁。

4)底板与刀盘接触部位采用混凝土浇筑，其他部位可采用喷射混凝土进行支护。弧形底板如图3所示。

图3 弧形底板结构示意图Fig. 3 Sketch of arc bottom plate structure

3.1.2 模板工程

1)收面模板采用特制弧形模板，具体形式如图4所示。

2)该模板主要作用为收面找平，主肋采用2道槽钢按既定弧度加工，中间采用钢板连接，两端采用圆钢弯钩置于钢管轨道上进行定位；考虑底部预留排水沟，采用2道槽钢做底模，进行定位。

3)模板在安装和运输过程中，应防止模板变形与受损。

(a) 主视图

(b) 俯视图

Fig. 4 Arc template of bottom plate surface troweling (unit: mm)

3.1.3 混凝土浇筑

1)弧形底板采用C25混凝土，坍落度控制在120±20 mm，由混凝土罐车和移动式输送泵相结合的方式运料至工作面。

2)混凝土浇筑过程中底板弧度与中心水沟尺寸符合要求，浇筑完成后对混凝土裸露面及时进行修整、抹平，在初凝前进行二次收面，如图5所示。

为防止TBM步进过程中，刀盘与弧形底板混凝土接触面积小导致局部受力，造成混凝土破损等情况，从而影响步进效率，弧形底板混凝土浇筑过程中抹面质量非常关键，表面不平整度应控制在5 mm之内。

3.2 步进前的准备工作

1)在步进前对圆形断面进行断面检测，并将侵限部分提前处理，以免TBM无法通过；对撑靴部位超挖大于10 cm的部位进行标识。

2)如果圆形断面撑靴部位超挖较大而导致撑靴无法撑到洞壁，可进行补喷，或者准备方木垫在撑靴与初期支护之间。

(a) 收面过程 (b) 收面完成效果

图5弧形底板混凝土收面效果图

Fig. 5 Effect of arc bottom plate of concrete surface troweling

3)主司机及前方巡视人员配备对讲机，方便步进过程中的通信联络。

4)保证TBM刀盘步进过程中底护盾的混凝土龄期满足要求，以满足步进要求。

3.3 步进

1)TBM步进前将刀盘调整至抬头的趋势，避免损坏隧道底部混凝土。

2)步进： 水平撑靴伸出撑紧洞壁，收回后支撑，推进油缸向前推进一个行程(1.8 m)，如图6所示。

3)换步： 推进油缸前移一个行程后，放下TBM后支撑，收回撑靴并向前行进一个行程，撑靴前移到位后再次撑紧洞壁并收回后支撑，如图7所示。

(a) 推进油缸推进(俯视图) (b) 撑紧撑靴，收起后支撑(俯视图)

(c) 推进油缸推进(主视图) (d) 撑紧撑靴，收起后支撑(主视图)

(a) 换步，放下后支撑(俯视图) (b) 收回撑靴，前移(俯视图)

(c) 换步，放下后支撑(主视图) (d) 收回撑靴，前移(主视图)

4)换步完毕后，后配套拖拉油缸牵引后配套向前行走一个循环。

5)推进油缸再次伸出，开始下一个循环步进。

3.4 应急处理措施

在步进过程中可能会出现超挖、撑靴撑碎洞壁、底板破碎及底部高低不平等问题，建议采取以下措施：

1)出现超挖或撑靴撑碎洞壁，采取加垫方木的方法，如图8所示。

图8 撑靴处加垫方木Fig. 8 Square timber padded at gripper

2)若底板受压破碎，可在破碎处加垫方木、钢板或铺垫湿砂，增加该位置的受力面积。

3)若步进段底板存在高低不平的现象，可采取加垫钢板的方法。

4 应用效果

在引松供水8#支洞接应段采用空推步进方式，TBM自2016年8月12日贯通，8月15日开始步进，于8月30日步进至交叉口进行检修，15 d步进1 371 m，平均日步进91.4 m。期间步进较为顺利，原施工混凝土底板、刀盘等均无损坏。由于超挖过大造成撑靴无法支撑在初期支护面上，步进通过铺垫方木的方法进行解决，对步进速度产生了一定的影响，其余无异常情况，空推步进技术应用较好。

5 结论与建议

本文通过对比几种不同的步进方式，研究适用于敞开式TBM在圆形钻爆断面的步进方法，主要结论如下。

1)在圆形钻爆断面形式下，敞开式TBM可不借用步进机构，通过空推步进方式直接进行步进，步进的施工步骤与掘进时相同。

2)为保证TBM顺利步进，圆形隧道仰拱初期支护采用混凝土浇筑成弧形底面，TBM刀盘与混凝土直接接触向前步进即可。

3)空推步进方法不适用于开挖断面比TBM掘进断面大(超过撑靴油缸行程)的钻爆洞室，比如设备检修洞、大型的服务洞室等。

如何保证TBM空推步进的效率，施工过程中要特别注意以下2点：

1)弧形底板混凝土表面平整度控制非常关键，平整度影响TBM刀盘受力面积大小，从而影响TBM步进效率。在混凝土浇筑时务必进行二次抹面，如果特制钢模板操作不方便，也可采用弧形木抹子进行抹面。

2)TBM步进前的断面检测非常重要。隧道开挖时超挖过大会导致超过撑靴油缸行程，导致撑靴无法撑到初期支护面，如果隧道初期支护侵限则会导致TBM刀盘无法通过，后期再进行处理会影响步进速度。