双护盾TBM 施工关键技术

宋 卿

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安）

1 工程概况

1.1 工程简介

兰州市水源地建设工程是以刘家峡水库作为引水水源向兰州市供水的重大民生工程,被列为“兰州市一号工程”,工程由取水、输水、分水、净水、配水五部分组成,工程规模为大(2)型,工程等别为Ⅱ等,总投资59.6亿元。

输水隧洞全长31.1 km,为国内首条采用TBM 掘进、预制管片衬砌的有压引水隧洞,隧洞设计纵坡比为0.048%,其中,TBM 施工控制段长24.4 km,人工钻爆段长6.7 km。

中国水电三局承建的第3 标段输水隧洞全长13 458 m,其中人工钻爆段长200 m、TBM 掘进段长123 26 m、TBM 滑行段长932 m; 施工采用中国水电三局和中国铁建重工集团联合研制的国产首台双护盾TBM[1],最大开挖洞径5.49 m。

本标段于2016 年3 月18 日TBM 始发掘进,克服断层破碎带及互层状泥质粉砂岩收敛变形卡机、突涌水等不良地质对施工造成的影响, 历时2 年, 于2018年3 月12 日实现全线贯通。

1.2 工程特点

(1) 首次采用国产双护盾TBM 掘进、预制管片衬砌的有压引水隧洞。

(2) 国内首次采用TBM 边组装、边滑行、边掘进、边调试的施工工法。

(3) 国内首次采用平行四边形预制管片(5+1)衬砌,管片制造难度大、安装精度高。

2 TBM 设备现场组装

2.1 狭窄场地对设备组装、调试的影响

兰州水源地建设工程第3 标段工业广场沿洞轴线方向有效长度为110 m,而TBM 设备组装完成后的全长为318 m,工业广场无法满足设备整体组装要求。根据本标段现有场地条件,为满足TBM 设备整体组装要求,主洞采用人工钻爆法开挖200 m,其中扩大洞室(断面为城门洞型)140 m,通过洞室(断面为马蹄型)60 m,TBM 在洞外沿洞轴线方向进行组装;采取“边组装、边滑行、边调试”的施工方法,加大了设备安装、调试、滑行的难度;组装、调试工期较设备一次组装完成的类似工程要长。

由于场地受限导致组装期试掘进时, 连续出渣系统无法形成,掘进初期掘进效率低,掘进一段时间后,设备完全进洞、满足连续皮带机安装条件后,停止掘进安装连续出渣系统, 对TBM 整体掘进工期造成一定影响。

2.2 TBM 设备现场组装、滑行

设备组装分为五个阶段进行:

(1) 第一阶段: 进行TBM 主机、1# 连接桥的组装。

利用布置在洞外的两台变频控制的32 t 卷扬机拖曳,将组装好的TBM 主机及1#连接桥(连接桥底部安装滑行雪橇), 牵引滑行至始发洞段。

(2) 第二阶段:将2#连接桥、1#～6#拖车的组装。

将2# 连接桥安装4组轮对,采用小火车顶推进洞与1#连接桥连接, 再将1#～6# 拖车依次采用小火车顶推进洞, 与2#连接桥连接成整体。

(3) 第三阶段: 进行7#～22#拖车组装, 采用内燃机车依次顶推至通过洞段连接成整体。

(4) 第四阶段:TBM连接成整体后, 进行电气、液压、流体等系统的安装、调试。

(5) 第五阶段:由于采用卷扬机拖曳,受地锚锚固点位置限制,设备无法完全到达掌子面,因此采用安装底管片步进的方式,共安装12 块底管片(长度18 m)最终将刀盘步进至掌子面,开始组装期试掘进。

卷扬机拖曳分段滑行方案, 是利用布置在洞外的两台32 t 卷扬机(绳容量800 m)作为牵引,利用TBM刀盘下部2 个对称布置的吊耳, 作为160 t 动滑轮组的固定及牵引点;在扩大洞室、通过洞室中部、掌子面前部各设置2 组地锚(每组2 个),分别作为导向滑轮组的固定点。当主机滑行至第一组地锚位置时,再将2 个定滑轮组移送至布置在掌子面前部的另外一组地锚处,确保TBM 设备可继续滑行。

采用该滑行方案,实现了施工现场双护盾TBM 的快速、平稳滑行。具有投入少、施工效率高的特点,但采用该滑行方案的缺点是由于地锚、动滑轮组形位尺寸的原因,不能完全将刀盘拖曳至掌子面,还需采取其他措施将TBM 整体步进至掌子面。

3 TBM 掘进

3.1 地质情况

主输水隧洞通过地层围岩主要以Ⅲ、Ⅳ类为主,间有少量的Ⅱ类、Ⅴ类围岩,岩石抗压强度15～90 MPa,岩性主要为泥质砂岩、变质安山岩,最大埋深954 m,岩石硬度适中,适合双护盾TBM 掘进施工。详见表1。

表1 TBM 掘进段围岩情况统计

3.2 组装期试掘进

设备组装自2016 年1 月21 日开始至3 月17 日结束, 历时57 天,2016 年3 月18 日开始组装期试掘进。

2016 年3 月18 日至5 月3 日为组装期试掘进阶段,由于掘进时后配套拖车占用扩大洞室空间,连续皮带机系统无法安装, 掘进采用内燃机车牵引平板车装载出渣斗出渣,洞外采用50 t 龙门吊及75 t 汽车吊配合卸渣,再采用装载机、自卸车将渣料运至渣场,掘进效率低,2016 年3 月18 日至5 月3 日共掘进282 m。

掘进282 m 后, 后配套拖车全部进入管片,2016年5 月4 日开始计划性停机14 天,安装洞内连续皮带机及洞外转渣皮带机系统。

3.3 掘进

TBM 施工控制段,分为2 个掘进段,2 个掘进段之间为一个滑行段, 第一掘进段长5 560 m, 滑行段长932 m,第二掘进段长6 765.5 m。

第二掘进段掘进期间,于2 017 年9 月13 日遭遇断层破碎带,采用“化学灌浆+水泥灌浆”相结合的处理方法[2],对刀盘前部5 m 处(开挖面)实施化学灌浆作业,封堵涌水并形成止浆体,对止浆体前端及盾体上方的松散岩体(非开挖面)进行水泥固结灌浆处理,历时89 天,于2017 年12 月12 日成功通过破碎带,恢复掘进。详见图1、图2。

图2 非开挖面孔位布置

2018 年2 月21 日,TBM 掘进过程中, 埋深在880 m 时,遭遇互层状泥质粉砂岩,由于围岩收敛变形造成卡机[3]。采用对盾体外部围岩进行人工开挖水平导洞,释放围岩应力的脱困工法, 历时13 天,2018 年3 月6日,TBM 成功脱困,恢复掘进。

3.4 各月的掘进进尺

月进尺柱状图见图3。

图3 月进尺柱状图

4 设备性能提升

掘进过程中, 先后对TBM 豆砾石吹填及回填灌浆系统、电气控制系统、循环水系统、供排水系统、出渣系统等进行了30 余项技术优化、改进,提升了设备性能,提高了掘进效率,创造了很好的经济效益和社会效益。

兰州水源地工程创造了多项国产设备掘进纪录,创造了最高日进尺61.57 m、高月进尺1 251.82 m 的国产TBM 设备掘进记录。

5 TBM 设备洞内拆除

5.1 拆机洞室设计优化

拆卸洞室是TBM 掘进完成后,设备解体、拆除的场所, 它的长度和断面尺寸根据TBM 的最大外形尺寸、主机长度、TBM 拆卸的技术要求及所使用的起吊设备技术参数进行综合设计。

最终拆卸洞室设计为城门洞型, 长度25 m(TBM主机长度约14 m)、宽度10 m、顶拱高11.8 m,采用1台MG60t-8.8 m 龙门吊对TBM 主机部分进行拆除。

5.2 拆卸洞室底板及TBM 滑行轨道施工优化

拆卸洞室底板采用标号C40 混凝土浇筑, 高程低于刀盘下边缘20 mm,浇筑厚度500 mm,满足主机部分600 t 载荷要求, 滑行时在主机底部接触部位的混凝土地面上涂抹黄油,以降低主机滑行时的摩擦力;通过安装底管片步进的方式,TBM 顺利滑行至预定拆机位置。

5.3 TBM 拆除起吊设备设计、选型方案优化

定制了1 台额定起吊能力为60 t、跨度为8.8 m、最大起升高度为9 m 的单小车双梁龙门式起重机,设计原则为:龙门吊部件运输吨位小、结构简单、安装快捷,为加大起升高度,取消吊钩,安装一个旋转接头及一个85 t 卡环,将起升高度增加约500 mm。

龙门吊大梁在场内制造时采用2 段设计, 一段3 m,一段6.2 m,2 根大梁的分段位置采用不对称、错位设计; 分段设计的大梁组合面采用M24×50 mm 的销钉螺栓连接。

隧洞贯通后,安装底管片分两次将TBM 步进至指定位置, 利用盾体脱离管片后与拆卸洞室之间形成间隙,将拆机龙门吊部件利用管片吊机运输至喂片机上,再采用土法运输至拆卸洞室内, 龙门吊主要部件全部运输至拆机洞室后,利用拆机洞室顶部锚索,进行龙门吊部件的吊装, 龙门吊完成安装后,TBM 再次步进1.5 m, 步进至刀盘距拆机硐室下游侧出口约22 m 位置,将小火车轨道延伸至尾盾, 便于拆卸的部件能够采用龙门吊装车外运,此时停机、断电开始设备拆除。拆卸硐室断面及龙门吊外形尺寸见图4。

图4 拆卸硐室断面及龙门吊外形尺寸

5.4 工艺优化产生工期及经济效益

通过施工工艺优化加上合理的施工组织安排,施工人员重新进行整合调配, 24 h 不间断作业, 使设备拆除速度、施工效率大大提升。

在拆机的前25 天,集中大量的人员对13.4 km 洞内沿线的连续皮带机、通风、排水、道岔等设备进行全面、快速拆除;为TBM 设备本体拆除后的部件运输创造条件,后20 天,预留部分人员,集中进行TBM 设备本体拆解、运输。洞外安排人员对设备进行清理、分类及外运。

采用上述方法,确保了国产首台双护盾TBM 设备的安全、高效、快速拆除,仅用45 天完成了TBM 设备洞内拆除的施工任务并安全运输出洞。

结束语

国产首台双护盾TBM 在兰州水源地项目长距离输水隧洞掘进施工中的成功应用, 为今后国产双护盾TBM 设备在设计、制造、施工等领域,提供了可借鉴经验。

主要推广价值和运用前景如下:

(1) 对提升国内装备制造业的技术水平具有深远意义。

(2) 为后续使用国产TBM 设备进行引水、铁路、公路隧洞开挖等工程提供了可借鉴的经验。

(3) 节约投资、创造业绩。