開敞式TBM在遼寧省輸供水水源工程中的應(yīng)用

楊雙龍，史玉飛，王剛舉

（遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110003）

1 工程概況

遼寧省重點(diǎn)輸供水水源工程，設(shè)計(jì)輸水流量77 m3/s，多年平均輸水量16.24億m3，全程有壓自流，壓力0.9 MPa。工程由進(jìn)水口（巖塞爆破段）、有壓隧洞、檢修豎井、調(diào)壓井、出口電站、供水支線及施工支洞組成。工程主體全長(zhǎng)99.98 km，采用以TBM為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合施工方法。TBM施工段采用4臺(tái)開敞式TBM（海瑞克、羅賓斯設(shè)備各2臺(tái)），開挖洞徑8.50 m，掘進(jìn)長(zhǎng)度為68.99 km，占主體隧洞總長(zhǎng)的69%；水源工程TBM施工段為工程的關(guān)鍵線路，對(duì)施工工期有著直接影響。

2 TBM壽命周期及進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)

水源工程TBM施工段于2011年7月24日開工建設(shè)，首臺(tái)TBM于2013年6月27日進(jìn)場(chǎng)并開始組裝，最后一臺(tái)TBM于2017年12月6日高精度貫通，標(biāo)志著水源工程的全線貫通（僅剩巖塞爆破段6.30 m）。全體工程建設(shè)者在吸取前人經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)揮他們的聰敏才智，用堅(jiān)守與奉獻(xiàn)精神，確保了全線4臺(tái)TBM進(jìn)場(chǎng)、組裝、掘進(jìn)、檢修、拆卸等全壽命周期順利開展。

2.1 TBM性能參數(shù)與壽命周期

水源工程施工三標(biāo)采用2臺(tái)海瑞克設(shè)備（TBM1/2）、施工四標(biāo)采用2臺(tái)羅賓斯設(shè)備（TBM3/4），TBM主要性能規(guī)格及性能參數(shù)對(duì)比見表1。

從表1中可以看出，兩家TBM主要性能規(guī)格及參數(shù)多數(shù)相差不大，只是刀盤額定扭矩存在較大差距。另外，海瑞克設(shè)備最小貫入度僅為羅賓斯設(shè)備的一半，最大推進(jìn)力、最大允許推進(jìn)力均大于羅賓斯設(shè)備。

表1 TBM主要性能規(guī)格及性能參數(shù)對(duì)比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，羅賓斯TBM施工段平均日進(jìn)尺均高于海瑞克TBM施工段，另外TBM1檢修、拆卸時(shí)間比TBM2/3/4耗時(shí)較長(zhǎng)，其中主要原因?yàn)門BM1到達(dá)檢修間要經(jīng)過1 575 m（其中有拐彎段）鉆爆法接應(yīng)通過段，TBM步進(jìn)拐彎時(shí)導(dǎo)向槽存在受力破損現(xiàn)象，需對(duì)導(dǎo)向槽局部進(jìn)行鋼板加固，TBM步進(jìn)至檢修間耗時(shí)將近一個(gè)月；TBM1拆卸時(shí)間比其他3臺(tái)耗時(shí)長(zhǎng)，主要因?yàn)門BM1拆卸間拆卸設(shè)備由施工單位自制簡(jiǎn)單龍門吊實(shí)施，且拆卸空間局限性較大，拆卸大塊組件時(shí)運(yùn)輸通道1號(hào)支洞主支交叉段拐彎半徑不夠，花費(fèi)半個(gè)月時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)挖，耽誤拆卸外運(yùn)時(shí)間；TBM2/3/4拆卸間同時(shí)又是組裝間，拆卸間安裝有1套2×100 t及2×15 t的雙小車吊鉤橋式起重機(jī)，極大便利了拆卸工作。在后續(xù)類似工程中需對(duì)TBM組裝、拆卸設(shè)備、運(yùn)輸通道富余度進(jìn)一步加大，以加快施工進(jìn)度。

各TBM控制段長(zhǎng)度、掘進(jìn)歷時(shí)、平均日進(jìn)尺見表2，TBM組裝、掘進(jìn)、拆卸歷時(shí)統(tǒng)計(jì)見表3。

表2 TBM控制段長(zhǎng)度掘進(jìn)歷時(shí)平均日進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)表

表3 TBM組裝掘進(jìn)拆卸歷時(shí)統(tǒng)計(jì)表

2.2 TBM進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)

水源工程4臺(tái)TBM掘進(jìn)施工隊(duì)伍分為白班和夜班兩班輪流工作，每班工作10 h，每班都會(huì)及時(shí)準(zhǔn)確地記錄當(dāng)班的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，包括掘進(jìn)參數(shù)及故障原因等，其中TBM掘進(jìn)進(jìn)尺主要包括每班進(jìn)尺、日進(jìn)尺、周進(jìn)尺和月進(jìn)尺，通過選取所有數(shù)據(jù)，利用EXCEL等分析方法進(jìn)行研究，可以清楚地知道TBM在每天、每周和每月的運(yùn)行情況，可以根據(jù)每月的最高日進(jìn)尺來判斷該月機(jī)器的掘進(jìn)情況、掘進(jìn)性能及機(jī)器能發(fā)揮的最大性能；根據(jù)每月掘進(jìn)的平均日進(jìn)尺可以知道TBM掘進(jìn)性能在整個(gè)工程中發(fā)揮效能的穩(wěn)定性。

通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，水源工程4臺(tái)TBM掘進(jìn)最高月進(jìn)尺1 078 m，TBM1/2整體平均進(jìn)尺452 m/月（含T2掘進(jìn)過程中臨時(shí)停機(jī)刀盤焊接時(shí)間60 d），TBM3/4整體平均進(jìn)尺612 m/月，其中T3-2段平均進(jìn)尺最高為695 m/月，從整體來看，各月最高日進(jìn)尺和平均日進(jìn)尺均充分體現(xiàn)TBM快速施工的優(yōu)勢(shì)。

3 增設(shè)旁支洞助力TBM組裝

針對(duì)TBM 2第一批結(jié)構(gòu)件發(fā)貨到場(chǎng)時(shí)間臨近及6號(hào)支洞控制段TBM2組裝洞室土建施工嚴(yán)重滯后的局面，工程建設(shè)單位決定增加6號(hào)旁支洞接應(yīng)，加快TBM2組裝洞室土建施工。2013年4月2日，6號(hào)旁支洞正式開始施工，貫通后現(xiàn)場(chǎng)充分利用極其有限的時(shí)間和空間安排各種工序作業(yè)，實(shí)現(xiàn)通過洞段、出發(fā)洞段、組裝洞段、下游服務(wù)區(qū)多工作面平行作業(yè)，縮短了6號(hào)支洞控制段TBM2組裝洞室土建施工直線工期1個(gè)月，避免了TBM設(shè)備到場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間等待土建施工的局面，增加6號(hào)旁支洞，有助TBM2提前組裝，為完成總工期目標(biāo)提供了有利保障。

3.1 旁支洞布置

6號(hào)支洞土建工程為水源工程工期關(guān)鍵線路，為加快施工進(jìn)度的目標(biāo)要求，在6號(hào)支洞K2+411.974處增加1條旁支洞，通過段和出發(fā)段與組裝洞平行作業(yè)，縮短6號(hào)支洞擴(kuò)大洞室段工期32 d。

旁支洞距組裝洞洞壁厚度為9.00 m（擴(kuò)大洞室段圍巖等級(jí)為Ⅱ類），旁支洞全長(zhǎng)182.78 m，開挖尺寸為（寬×高）6.76 m×6.08 m，拐角半徑9.00 m，縱坡比為1.025%；支護(hù)為C30W8混凝土8 cm、L=2.5 mφ22隨機(jī)錨桿，6號(hào)支洞擴(kuò)大洞室段及旁支洞平面布置示意圖見圖1。

圖1 6號(hào)支洞擴(kuò)大洞室段及旁支洞平面布置示意圖

3.2 工期效益

6號(hào)旁支洞施工項(xiàng)目主要為石方開挖、噴錨支護(hù)、封堵和回填灌漿等，雖費(fèi)用增加約176萬，但工期效益明顯，縮短6號(hào)支洞擴(kuò)大洞室段工期32 d，且TBM2設(shè)備到場(chǎng)直接進(jìn)洞組裝，省去TBM設(shè)備到場(chǎng)臨時(shí)存放及倒運(yùn)費(fèi)用。

4 巖壁吊車梁應(yīng)用與效益分析

水源工程TBM組裝洞室設(shè)計(jì)埋深約200.00 m，以Ⅱ類圍巖、元古代巨斑狀花崗巖巖性為主，呈灰色～灰褐色，微風(fēng)化，由長(zhǎng)石、石英與云母等礦物組成，堅(jiān)硬，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理不發(fā)育，節(jié)理面呈平直光滑～起伏粗糙狀，大多數(shù)閉合無填充，少數(shù)微張，巖屑填充，巖體較完整。

4.1 巖壁吊車梁設(shè)計(jì)

TBM組裝洞設(shè)計(jì)全長(zhǎng)80.00 m，開挖斷面為“蘑菇型”，寬×高為12.90 m×17.00 m。原設(shè)計(jì)組裝洞室參考大伙房輸水隧洞設(shè)計(jì)，采用混凝土立柱梁、邊墻進(jìn)行二次混凝土襯砌及巖臺(tái)二期混凝土澆筑施工，以便安裝TBM組裝用的2×100 t及2×15 t橋機(jī)，其中左右邊墻高12.05 m、二次襯砌混凝土厚0.50 m，巖臺(tái)寬1.60 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

將組裝洞室原設(shè)計(jì)混凝土立柱梁優(yōu)化為巖壁吊車梁，組裝洞室邊墻僅進(jìn)行初期支護(hù)，巖壁吊車梁混凝土為C30F200W10，二期混凝土寬1.60 m、厚0.50 m；一期混凝土頂寬1.80 m、高2.77 m，其中上部2.00 m范圍為鋼筋混凝土；下部1.27 m三角區(qū)范圍，在不影響巖壁吊車梁的安全前提下，采用素混凝土回填；優(yōu)化設(shè)計(jì)前后組裝洞室典型斷面分別見圖2、圖3，巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)見圖4。

圖2 原設(shè)計(jì)巖臺(tái)+邊墻鋼筋混凝土（立柱梁）組裝洞室斷面圖

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)斜巖臺(tái)+邊墻噴混（巖壁吊車梁）組裝洞室斷面圖

圖4 TBM巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)圖

4.2 效益分析

水源工程TBM組裝間在保證施工質(zhì)量與安全的前提下，將混凝土立柱梁優(yōu)化為巖壁吊車梁，不僅大大縮減工程投資，方便施工，縮短工期，其中工程量及材料用量減少顯得尤其突出；TBM2組裝洞室優(yōu)化主要工程量與投資分析對(duì)比見表4。

表4 TBM2組裝洞優(yōu)化主要工程量與投資分析對(duì)比

根據(jù)實(shí)際TBM2組裝洞室土建施工工期，組裝洞室將巖臺(tái)梁優(yōu)化為巖壁吊車梁，省去邊墻混凝土立模、澆筑、等強(qiáng)過程，邊墻經(jīng)初期支護(hù)后，直接進(jìn)行巖壁吊車梁混凝土澆筑施工，工期縮短一個(gè)月左右，提前為TBM2進(jìn)洞組裝、掘進(jìn)創(chuàng)造了有利條件；且TBM2組裝洞室?guī)r臺(tái)梁前期預(yù)計(jì)投資678萬元，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約工程投資298.8萬元。

水源工程共4個(gè)TBM組裝洞室，其中9，6及4號(hào)支洞控制段3個(gè)組裝洞室均采用巖壁吊車梁，與11號(hào)支洞控制段組裝洞室?guī)r臺(tái)混凝土立柱梁形成對(duì)比，在施工過程中，邊墻大體積混凝土澆筑立模、拆模等施工人員及設(shè)備投入大大減少，巖壁吊車梁在TBM組裝洞室中的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益明顯。

巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)安全性直接關(guān)系擴(kuò)大洞室橋機(jī)的安全運(yùn)行與否，該工程中巖壁吊車梁成功應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)合理的施工管理、地質(zhì)條件的準(zhǔn)確分析、開挖爆破的合理控制、巖臺(tái)缺陷的合理處理，以及錨桿施工的精細(xì)、可靠等多方面因素是分不開的，為TBM的安全組裝打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 洞內(nèi)布置拌和系統(tǒng)

長(zhǎng)距離隧洞TBM施工，隧洞初期支護(hù)噴射混凝土和二次襯砌混凝土等宜采用編組列車有軌運(yùn)輸，同時(shí)工程施工地處東北嚴(yán)寒地區(qū)，有材料運(yùn)輸周期及冬季保溫要求，為滿足TBM貫通后邊頂拱襯砌混凝土連續(xù)施工，選擇在TBM組裝間和檢修間擴(kuò)大洞室與支洞交叉口下游施工服務(wù)區(qū)布置混凝土拌和系統(tǒng)，并將有軌運(yùn)輸軌道鋪設(shè)至拌和系統(tǒng)下方，以滿足施工需要。

該項(xiàng)目根據(jù)施工高峰最大澆筑強(qiáng)度，選擇在每條支洞控制段下游服務(wù)區(qū)各布置1座設(shè)計(jì)拌和能力為90 m3/h的HLS90型混凝土拌和站。

由于擴(kuò)大洞室結(jié)構(gòu)尺寸是根據(jù)TBM的直徑和組裝空間進(jìn)行設(shè)計(jì)的，施工服務(wù)區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸及長(zhǎng)度既考慮適用性，也考慮經(jīng)濟(jì)性，因此空間相對(duì)狹小。在洞內(nèi)規(guī)劃布置拌和系統(tǒng)時(shí)，只能在既有條件下進(jìn)行設(shè)備選型和合理布置，項(xiàng)目選定HLS90拌和系統(tǒng)。

在施工過程中，該工程8個(gè)擴(kuò)大洞室，服務(wù)區(qū)開挖期間并未對(duì)拌和系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致開挖完成后，對(duì)擴(kuò)大洞室拌和系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)洞室局部進(jìn)行擴(kuò)挖，大跨度頂部擴(kuò)挖施工困難增加，費(fèi)用增大，在后續(xù)類似工程建設(shè)過程中，應(yīng)吸取相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提前對(duì)地下拌和樓建設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免開挖等相關(guān)工作的重復(fù)進(jìn)場(chǎng)、開工，增加工程建設(shè)投入。局部擴(kuò)挖示意圖見圖5。

圖5 拌和系統(tǒng)洞內(nèi)布置擴(kuò)挖縱斷面示意圖

6 高效利用McNally支護(hù)系統(tǒng)

為提高開敞式TBM應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)洞段的能力，在4臺(tái)開敞式TBM設(shè)計(jì)上均增加了McNally支護(hù)系統(tǒng)，較大程度提高了支護(hù)作業(yè)及時(shí)性，靠近護(hù)盾部位施工安全得到了有效保障，該工程為McNally支護(hù)系統(tǒng)在TBM隧洞施工中得到較好的應(yīng)用和推廣做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

水源工程4臺(tái)TBM，在McNally支護(hù)系統(tǒng)的有效應(yīng)用下順利通過了15條較大規(guī)模的斷層和400多處巖性交變帶，全線未出現(xiàn)較大塌方、卡機(jī)等困難，有效保證了工程的安全、快速推進(jìn)。

7 結(jié)語

開敞式TBM在遼寧省重點(diǎn)輸供水水源工程中的應(yīng)用取得了較好的應(yīng)用效果，成為開敞式TBM在國(guó)內(nèi)供水工程隧洞開挖的又一成功典型范例，工程參建各方采取多種綜合措施確保了TBM順利完成開挖任務(wù)；但使用過程中也出現(xiàn)了一些問題，TBM1/2兩臺(tái)設(shè)備刀盤和主驅(qū)動(dòng)雙頭連接螺栓（M48×790 mm）發(fā)生多次多根螺栓斷裂事件，掘進(jìn)過程中刀盤開裂嚴(yán)重，已經(jīng)影響到TBM的正常掘進(jìn)，刀具超高消耗，工程建設(shè)費(fèi)用進(jìn)一步提高，建議在類似工程應(yīng)用時(shí)，結(jié)合工程的實(shí)際特點(diǎn)，優(yōu)化TBM設(shè)備及其配套服務(wù)設(shè)施，并針對(duì)相關(guān)難題進(jìn)行技術(shù)探討與研究，以便更好發(fā)揮TBM設(shè)備優(yōu)勢(shì)。