公路施工：开敞式TBM快速转场施工工法

开敞式开敞式 TBM 快速转场施工快速转场施工工法工法 中铁十八局集团有限公司、中铁十八局集团隧道工程有限公司 齐梦学、曾绍毅、单军、张浩、郑传赞 1. 前言前言 随着我国大规模的基础建设， 铁路、 公路、 水电工程、 南水北调、 西气东输、 城市地铁、 市政供水供电和排污等重大工程越来越多，需要修建大量的长、大隧道。由于工程规模大、 地质条件复杂，工程施工速度、环保、质量和效益要求高，传统钻爆法施工技术已经难以适 应这一艰巨挑战。 在超长隧洞工程中采用 TBM 施工的优越性非常明显， 但是由于受到工期、 设备性能等多方面的条件制约， TBM 单机连续完成 20km 的掘进非常困难。 通过长期探索、 实践证明将国内运用得炉火纯青的钻爆法和最先进的 TBM 法有机结合，依据工程建设环境 和地质条件，合理划分二者的施工区段及长度，是最佳选择。设置中间转场区段不但便于进 行 TBM 检修，而且具有缩短后续掘进段的供电、通风、出渣距离，提前对已贯通段进行二 次衬砌的优势，如此可节省投资，保证质量，缩短工期。TBM 掘进段和钻爆段交错布置， 导致了 TBM 及配套设备在施工过程中的转场问题。 由中铁十八局集团承建的辽西北供水工程二段四标引水隧洞工程， 针对辽西北隧洞具体 施工情况及工期要求，设置了 TBM 中间转场区段，圆满完成隧道掘进施工任务。施工中结 合以往施工经验，经过多次论证、优化方案，采用的滑板式 TBM 步进技术和改进的轨道快 速延伸方法，处于国际先进水平并获得成功。仅用时 57 天完成了 TBM 的转场任务，其中 用时 33 天完成了 TBM 的超长步进，极大的缩短了工期。取得的技术创新成果荣获中铁十 八局集团有限公司优秀工法及科技进步奖，依托本工法开发的“一种开敞式 TBM 转场用吊 运装置及转场方法”获国家发明专利（专利号ZL201510476407.6） ， “一种开敞式 TBM 转 场用吊运装置”获国家实用新型专利（专利号ZL201520585744.4） 。 2. 工法工法特点特点 2.1 针对开敞式 TBM 转场施工普遍存在的工序复杂、施工效率低的难题，结合辽西北 工程工期要求，本工法着重研究了基于开敞式 TBM 的快速转场施工工艺，形成了适合辽西 北施工情况，快速转场的技术方案。 2.2 TBM 步进采用滑板式步进技术，设备投入少、设施投资少、步进速度快，降低了步 进成本，缩短了施工工期。 2.3 TBM 步进时后配套行走轨铺设在自制特殊钢枕上， 并采用钢轨和特殊钢枕整体吊装、 循环使用技术，优化了轨道延伸工艺，缩短铺轨时间，节约了施工使用材料，提高了 TBM 步进效率。解决了“TBM 转场轨道延伸制约步进效率”的难题，实现了施工速度快、质量 优、费用少、效率高。 2.4 采用先进卷皮带设备，利用皮带收卷设备和皮带主驱动结合的方法，提高皮带收放 效率,减少皮带系统转场时间。 2.5 TBM 步进期间，同步进行刀盘检修。 2.6 采用科学规范化管理，使多工序平行作业与顺序作业相结合，充分利用转场时间、 空间，高效、快速的完成转场任务。 第 1 页 共 20 页 3. 适用范围适用范围 本工法全面系统介绍了开敞式 TBM 快速转场施工工序， 主要适用于 MB283-389 开敞式 TBM 以及同类采用连续皮带机出渣方式的 TBM 在设置有中间转场区段的超长隧洞中的转 场作业。 4. 工艺原理工艺原理 4.1 开敞式开敞式 TBM 开敞式 TBM（以下简称 TBM）集机械、电气、液压三大系统于一体，采用先进 PLC 控制系统进行控制， 通过操作室中的触屏电脑以及操作台实现对整机的操作， 完成掘进施工 作业，同时配备激光导向系统进行姿态监控，支护、喷混系统进行破碎围岩的快速支护。 TBM 由主机、连接桥和后配套及辅助设备组成，整机长度 152m，刀盘直径 8.53m，整 机重量约 1370t。出渣方式为连续皮带机系统，包括主洞连续皮带机和支洞固定皮带机；施 工用电 由洞外变电所将TBM专用20kV高压电依托高压电缆送至TBM尾端高压电缆卷筒， 再由高压电缆卷筒送至 TBM 配备的变压器；施工通风洞口设置大功率新鲜风机，并在洞 顶悬挂风筒，将新鲜风由洞外压入风筒，送至 TBM；施工用水由洞外水井依靠供水管路 为 TBM 供水；随着 TBM 不断掘进，连续皮带、高压电缆、风筒、供水管不断延伸。 图 4.1-1 开敞式 TBM 结构示意图 4.2 TBM 转场转场工艺原理工艺原理 该工程 TBM 施工采用逆坡掘进，TBM 从 14支洞运入主洞，进行洞内设备组装后开始 掘进， 至 13洞下游钻爆接应段， 为 TBM6 第一掘进施工段； 从 13洞下游钻爆接应段到 13 洞上游钻爆开挖面为 TBM 转场步进段； 13洞上游钻爆开挖面再掘进至 12洞下游钻爆开挖 段，为 TBM6 第二掘进施工段。TBM 转场是一个系统工程，转场的设施除 TBM 外,还包括 连续皮带机系统、支洞皮带机系统、高压供电系统、通风系统、供排水系统等。 4.2.1 TBM 步进工艺步进工艺 该工程 TBM 采用滑板式步进方式。 TBM 底护盾下部安装固定小滑板， 可在大滑板上滑 动， 大滑板置于混凝土底板上， 底护盾和大滑板之间安装有水平推进油缸； 同时为保证 TBM 稳定，在撑靴下方设有支撑支架，支撑架靠连接拉杆连接在大滑板上。在举升油缸、水平推 第 2 页 共 20 页 进油缸及后支撑的配合作用下， 实现 TBM 步进。 水平推进油缸向前顶推 TBM 的反力由大、 小滑板之间摩擦力与大滑板和混凝土地板之间摩擦力的差值承担。 4.2.2 钢轨延伸工艺钢轨延伸工艺 随着 TBM 步进，需在后配套通过处铺设行走轨道，首先提前将特殊钢枕摆放至预定位 置，然后将钢轨铺设在钢枕上，并用扣件牢靠固定。TBM 后配套台车通过一根钢轨后，将 特殊钢枕和钢轨整体（以下简称轨枕排）吊起，运至连接桥第一个轮组前进行铺设，即实现 轨枕排循环使用。与此同时，机车行走轨道直接铺设在混凝土底板上，供机车倒运轨枕排及 其他材料时行驶。如此既节约成本，减少钢轨、钢枕的用量，又省去了钢轨与钢枕的拼装时 间，缩短了工期。 4.2.3 皮带收皮带收放放工艺工艺 皮带收卷采用卷皮带机和皮带机主驱动相配合方式， 实现了皮带快速收卷。 卷皮带机电 机驱动液压泵，液压泵通过换向阀连接液压马达，实现马达双向转动；马达输出轴通过手动 离合器和主动小链皮带依靠自重和大滚筒之间的摩擦实现收卷轮连接， 小链轮通过链条将转 动扭矩传送给 4 个主动大辊筒，驱动大辊筒转动，依靠皮带自身重力进行收卷。 4.2.4 转场转场施工施工安排安排 转场工作主要内容有 TBM 步进、检修、调试，辅助系统设备的拆卸、运输、检修、安 装、调试，和 TBM 及其他各系统的联调联试等。考虑到转场零部件众多，工期紧张，因此 必须充分利用时间、 合理利用空间， 制订周密的运输和转场计划， 合理进行人员组织和安排， 严格控制主线施工节点，确保各工作点、线、面施工有序进行，TBM 步进、各系统转场、 检修、调试交叉进行，实现平行作业与顺序作业相结合，使转场工作高效、快速完成。 5