趙憲女

(長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

吉林省中部城市引松供水工程(溫德河至岔路河段)安裝間設(shè)計(jì)分析

趙憲女

(長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

吉林省中部城市引松供水工程總干線引水隧洞總長(zhǎng)97.62 km，其中TBM施工段總長(zhǎng)69.86 km,分為3個(gè)TBM段。TBM安裝間是TBM組裝、步進(jìn)等的地下工作間，工程量較大，施工復(fù)雜，施工質(zhì)量要求高，直接影響TBM施工準(zhǔn)備及后續(xù)掘進(jìn)。以中部城市引松供水工程(溫德河至岔路河段)安裝間設(shè)計(jì)為例，著重論述了其結(jié)構(gòu)與空間尺寸選擇，以便為類似工程提供參考。

中部引松供水總工程；TBM；安裝間

1 工程概述

吉林省引松供水工程是從吉林市豐滿水庫庫內(nèi)調(diào)水，解決省內(nèi)中部地區(qū)城市供水需求的大型跨流域輸水工程。輸水總干線全長(zhǎng)109.72 km，其中隧洞總長(zhǎng)97.62 km，TBM開挖洞徑7.9 m，為國內(nèi)最長(zhǎng)的有壓引水隧洞之一，也是吉林省規(guī)模最大的水利工程和省內(nèi)第一次使用TBM施工的水利工程。隧洞跨越不同巖性地層較多，地質(zhì)條件復(fù)雜。溫德河至岔路河段位于3個(gè)TBM施工段的中間，為TBM2段，是線路最長(zhǎng)的TBM施工段。

1.1 吉林引松輸水總干線隧洞基本地質(zhì)條件

吉林引松工程總干線路總體走向由北東引水向南西，工程區(qū)地勢(shì)東南高西北低。洞線穿越的地貌海拔約500～700 m，最高約777 m。地貌按形態(tài)可劃分為中低山丘陵、波狀臺(tái)地及河流漫灘階地等。

1.2 溫德河至岔路河段安裝間基本地質(zhì)條件

安裝間為了滿足TBM安裝要求，開挖洞室相對(duì)較大，且安裝人員較多，安裝時(shí)間長(zhǎng)，所以結(jié)構(gòu)安全是最重要的，并兼顧施工方便，因此一般選擇圍巖條件相對(duì)較好的位置。經(jīng)前期勘察，該段為燕山早期侵入巖石英閃長(zhǎng)巖，肉紅色，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石普遍遭受蝕變，主要礦物成分為斜長(zhǎng)石、角閃石、黑云母和少量石英。巖體較完整，圍巖穩(wěn)定性較好。地下水不發(fā)育，以潮濕—滲水為主，圍巖條件好，初步確認(rèn)為Ⅱ類圍巖，因此先定此處作為安裝間位置。

1.3 溫德河至岔路河段掘進(jìn)設(shè)備

該段掘進(jìn)設(shè)備采用美國羅賓斯生產(chǎn)的開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)，開挖直徑7.93 m，刀盤驅(qū)動(dòng)額定功率為10(臺(tái))×300 kW，刀盤轉(zhuǎn)速為0～8.3 r/min。整機(jī)長(zhǎng)度為151 m。設(shè)備由刀盤、護(hù)盾、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支撐和推進(jìn)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、皮帶機(jī)系統(tǒng)、材料吊機(jī)系統(tǒng)、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)、混凝土噴射系統(tǒng)、底部清渣系統(tǒng)、鋼拱架安裝系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)安裝系統(tǒng)、多功能超前鉆機(jī)系統(tǒng)、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)、有害氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、電視監(jiān)視系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、二次通風(fēng)系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、安全設(shè)施系統(tǒng)、連續(xù)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)、支洞皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。

美國羅賓斯(Robbins)公司是生產(chǎn)TBM最早的廠家。羅賓斯公司于1951年創(chuàng)建，1952年因研制出世界上第一套全斷面掘進(jìn)機(jī)而聞名于世界。

2 TBM洞內(nèi)主機(jī)安裝間設(shè)計(jì)

根據(jù)此段地質(zhì)條件、TBM結(jié)構(gòu)形式、安裝設(shè)備所采用的施工設(shè)備、刀盤結(jié)構(gòu)、刀盤直徑、主機(jī)長(zhǎng)度等因素,同時(shí)考慮TBM安裝間的空間性質(zhì)、施工方式、支護(hù)襯砌形式等,來選擇TBM安裝間的斷面結(jié)構(gòu)和尺寸。TBM安裝間洞室開挖長(zhǎng)度需根據(jù)所選掘進(jìn)設(shè)備外型尺寸和組裝的需要,并考慮TBM掘進(jìn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)的擺放及部件安裝所必需的卸車轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)域等確定,確保TBM安裝間室滿足TBM安裝要求、力求結(jié)構(gòu)安全、施工方便、設(shè)計(jì)合理并節(jié)省投資及后期回填襯砌方便。

2.1 TBM主機(jī)安裝間的斷面結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

TBM主機(jī)安裝間是TBM主機(jī)構(gòu)件及后配套安裝的場(chǎng)地,主要布置TBM安裝設(shè)備、安裝構(gòu)件和材料運(yùn)輸?shù)钠鸬踉O(shè)備、主洞連續(xù)運(yùn)輸皮帶機(jī)、材料存儲(chǔ)場(chǎng)、機(jī)車充電間和風(fēng)、水、電管路等。主機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括刀盤、主軸承、刀具、機(jī)頭架和主機(jī)大梁、驅(qū)動(dòng)裝置、支撐系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、主機(jī)皮帶等幾部分。

根據(jù)TBM安裝時(shí)施工組裝的要求,同時(shí)考慮TBM主機(jī)吊機(jī)刀盤尺寸和啟吊方便,以及結(jié)構(gòu)安全，一般設(shè)計(jì)TBM組裝間斷面形式為方圓形，下部為了有更大的安裝空間采用了矩形，頂部考慮圍巖穩(wěn)定采用拱形。根據(jù)以往安裝經(jīng)驗(yàn)，斷面參數(shù)選取如下(其中參數(shù)的確定是根據(jù)廠家機(jī)組尺寸及施工安裝要求選取):

1)TBM安裝間開挖高度及吊車梁頂高程的確定。

H=R1+R2+S1+S2+H1+H2+D1+D2，

H吊車梁=R1+S2+H1+H2+D1+D2。

式中:H為安裝間高度要求(考慮頂部開挖后整體穩(wěn)定及安裝要求的安裝間凈高度)；H吊車梁為安裝間吊車梁高度要求；R1為頂拱支護(hù)厚度(本工程為Ⅱ類圍巖,取0.2 cm)；R2為起吊機(jī)械安裝時(shí)吊車吊鉤至把桿頂部間最小距離(本工程取2.6 m)；S1為刀盤起吊設(shè)備高度(臺(tái)車水平軌道以上部分高度，本工程取2.275 m)；S2為起吊機(jī)械軌道至吊鉤間垂直最小距離(本工程取1.81 m)；H1為刀盤直徑(本工程為7.93 m)；H2為刀盤安裝支架最小高度(本工程取0.15 m)；D1為TBM移動(dòng)軌道高度(本工程取0.15 m)；D2為底板混凝土澆筑厚度(一般取30～60 cm厚，根據(jù)地質(zhì)情況本工程取50 cm)。

經(jīng)計(jì)算,組裝間最小開挖高度為15.615 m,吊車梁高度為10.74 m。

2)安裝間底部最小開挖寬度確定。

B下=2(S+A+C)+D。

式中:B下為TBM組裝洞室臺(tái)車軌道最小下開挖寬度；S為安裝洞室兩側(cè)邊墻初期支護(hù)厚度(本工程取0.2 m)；A為洞室兩側(cè)砼邊墻厚度(本工程為Ⅱ類圍巖,采用巖壁梁結(jié)構(gòu)，因此兩側(cè)沒砼邊墻)；C為刀盤兩側(cè)安裝時(shí)與兩側(cè)最小安全距離(本工程取1.085 m)；D為刀盤直徑(本工程為7.93 m)；經(jīng)計(jì)算,安裝間底部最小開挖寬度為10.5 m。

3)安裝間吊車以上部位最小開挖寬度確定。

B上=2S+2A+B。

式中:B上為臺(tái)車軌道最大開挖寬度,m；S為安裝間開挖初期支護(hù)厚度(本工程取0.2 m)；A為安裝間兩側(cè)邊墻與臺(tái)車行走大梁兩端頭間的安全距離(本工程為0.7 m)；B為吊車大梁長(zhǎng)度(本工程為11.3 m)；

經(jīng)計(jì)算,安裝間吊車以上部位最小開挖寬度為13.1 m。

因此,綜合以上分析,最后確定TBM安裝間開挖斷面參數(shù)為:高度15.615 m、底部寬10.5 m、拱冠寬13.10 m (如圖1)。

圖1 TBM安裝間斷面圖

2.2 TBM安裝間長(zhǎng)度確定

TBM主機(jī)安裝間長(zhǎng)度由TBM刀盤、設(shè)備橋以及天車行走部分兩側(cè)的安全距離決定。

L=2T+H+Q。

式中:L為安裝間洞室最小長(zhǎng)度,m；T為臺(tái)車橫向中心距臺(tái)車行走軌道間最小安全距離，一般取6～8 m,本工程取7 m。H為TBM刀頭(刀盤前部至尾護(hù)盾后端間距離)長(zhǎng)度(本工程取6 m)；Q為TBM設(shè)備橋長(zhǎng)度(尾護(hù)盾后端至設(shè)備橋后部未端，本工程取52 m)。

經(jīng)計(jì)算,TBM主機(jī)安裝間的最小長(zhǎng)度為78 m。經(jīng)過以上計(jì)算，考慮施工方便及預(yù)留空間等因素影響，確定主機(jī)間長(zhǎng)度為80 m。

3 TBM安裝間洞室開挖

安裝間洞室段采用分步分臺(tái)階法開挖，“多炮孔，少填藥”。先挖頂拱及部分邊墻，其余邊墻再分兩臺(tái)階開挖，并采用光面爆破。殘留炮孔痕跡應(yīng)在開挖面上均勻分布。炮孔痕跡保存率應(yīng)在85%以上。相鄰兩孔間的巖石平整，孔壁不應(yīng)有明顯的爆破裂隙。相鄰兩茬炮之間的臺(tái)階或鉆孔的最大偏斜值應(yīng)小于20cm。

圖2 TBM安裝間開挖次序圖

4 結(jié)語

由于受工程所處地理位置、主支洞交叉等限制,很多TBM設(shè)備不得不選擇在洞內(nèi)進(jìn)行組裝。這對(duì)于TBM刀盤、主軸及設(shè)備橋等大部分構(gòu)件可能受超重、超寬的影響,使得對(duì)洞內(nèi)TBM安裝間的設(shè)計(jì)尤為復(fù)雜。建議應(yīng)根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則和所選擇TBM的具體參數(shù)進(jìn)行不同洞室斷面的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)洞室應(yīng)在確保安裝順利進(jìn)行的前提下，盡量減小安裝洞室開挖斷面，從而最大限度地減小工程投資,這是設(shè)計(jì)、建設(shè)和施工單位共同的愿望。

中部城市引松供水工程(溫德河至岔路河段)TBM在2015年3月設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，2015年4月在主機(jī)安裝間完成整機(jī)組裝并開始步進(jìn)，2015年5月調(diào)試完畢并開始掘進(jìn)，2017年2月13日該TBM第一階段順利貫通，掘進(jìn)總長(zhǎng)約9 840m。作為TBM最長(zhǎng)的標(biāo)段，它的貫通為三標(biāo)段隧洞襯砌、設(shè)備檢修創(chuàng)造了條件，為吉林引松工程的按期建成通水奠定了基礎(chǔ)。

中部城市引松供水工程(溫德河至岔路河段)TBM順利組裝及掘進(jìn)貫通也會(huì)對(duì)其他隧洞TBM洞室的選取具有參考價(jià)值。

[1] 水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第8卷).水電站建筑物[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2013.

[2] 齊文彪，劉守偉，劉陽，等.吉林省中部城市引松供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].長(zhǎng)春：吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2011.

[3] 魏文杰，王明勝，于麗.敞開式TBM隧道施工應(yīng)用技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.

[4] 黃柏洪，林聰俐，王哲.TBM主機(jī)安裝間的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析[J].水利建設(shè)與管理，2007，27(10):73-75.

[5] 張修高，蘇首吉，熊楊東.論TBM洞內(nèi)組裝洞室設(shè)計(jì)參數(shù)的確定[C]//地基基礎(chǔ)工程與錨固注漿技術(shù):地基基礎(chǔ)工程與錨固注漿技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)，2009.

[6] 鄧勇.大斷面TBM組裝洞室設(shè)計(jì)與施工[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(1):66-71.

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

吉林省科技廳重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20160204020SF)

趙憲女(1978-)，女(漢)，吉林農(nóng)安，助理研究員 主要研究教學(xué)管理、水利與環(huán)境工程。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.016

TV554

A

1009-8984(2017)02-0065-03