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      TBM變洞徑空推步進技術(shù)在榕江關(guān)埠引水工程中的應(yīng)用

      2022-11-08 12:54:06孟慶紅喬曉鋒
      廣東水利水電 2022年10期
      關(guān)鍵詞:盾體管片油缸

      孟慶紅,喬曉鋒,鐘 哲

      (1.廣東水電二局股份有限公司,廣州 511340;2.廣東省水利水電工程技術(shù)研究中心,廣州 511340)

      1 概述

      TBM掘進施工因其具有速度快、安全環(huán)保、成洞質(zhì)量好、綜合經(jīng)濟社會效益好等優(yōu)點,在國內(nèi)大型輸水隧洞工程、鐵路隧道工程以及市政隧道工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。TBM除具有完備的掘進功能外(開挖、支護、出渣一整套隧洞施工工藝),在某些特定工程,因工期策劃或解決特定地質(zhì)問題需要TBM掘進與鉆爆法配合進行安全高效施工,如西康鐵路秦嶺隧道全長18.45 km,其中Ⅰ號線隧道TBM掘進10.3 km,鉆爆法開挖8.15 km;西合鐵路桃花鋪1號隧道全長7.23 km,其中TBM掘進6.02 km、鉆爆法開挖1.21 km[2];本公司承建的廣西桂中治旱隧洞引水工程北干一標TBM掘進11.9 km,鉆爆法開挖2.55 km等,在此情況下,TBM需要進行空推步進,即刀盤沒有工作,而盾體在前進的一種推進模式[3-4]。當前對TBM空推步進的研究多集中于不同步進方式的分析,如齊志沖等[5]以引松工程為依托,介紹了平面滑板式步進機的組成和步進原理;鐘汶均等[6]以西藏龐多水利樞紐灌溉輸送隧洞為例,重點對洞內(nèi)組裝、油缸推進+預(yù)埋鋼軌的滑軌式步進施工進行研究;陳大軍[7]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程為例,分別就TBM采用油缸推進、弧形滑到步進與電機驅(qū)動、整體托架步進兩種方式進行對比分析,對TBM變洞徑空推步進的研究較少。由于TBM掘進和鉆爆法施工工藝不同,TBM管片洞徑與鉆爆法二襯洞徑往往尺寸不一,盾體空推施工時容易導(dǎo)致設(shè)備撐靴失效、承重輪偏離等施工安全問題[8]。以往對于貫通面尺寸不一的TBM空推步進施工,常在設(shè)備配套承重輪下加墊工字鋼以解決斷面高差問題[9-10],如此不僅降低了TBM設(shè)備的空推步進效率,并且由于加墊型鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,盾體空推步進施工過程中存在安全隱患。本文結(jié)合榕江關(guān)埠隧洞引水工程施工實例,詳細介紹了TBM變洞徑空推步進施工的工藝原理、操作流程,分析施工過程中的注意事項,以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

      2 工程概況

      榕江關(guān)埠隧洞引水工程是粵東三江水系連通工程的4個子項目之一,輸水隧洞全長為27.055 km,采用雙護盾TBM法施工為主,鉆爆法為輔的施工工法,其中TBM掘進24.588 km,鉆爆法開挖2.467 km,隧洞埋深為130~200 m,沿線圍巖大部分為弱分化~微風(fēng)化花崗巖,圍巖堅硬完整,巖石強度高(平均強度為130 MPa)。施工過程中,TBM掘進第一段6.33 km貫通后,需要空推步進1.036 km后進行TBM二次始發(fā)掘進,TBM隧洞開挖直徑為5.06 m,隧洞開挖完成后,采用拼裝預(yù)制六邊形鋼筋混凝土管片襯砌,管片厚為250 mm,成型后隧道洞徑為4.3 m(見圖1),鉆爆段開挖橫截面為6.26 m×6.26 m的城門洞型,采用C30混凝土進行襯砌施工,襯砌后洞內(nèi)直徑為5.46 m(見圖2)。

      圖1 TBM法隧洞斷面示意(單位:mm)

      圖2 鉆爆法隧洞斷面示意(單位:mm)

      3 TBM空推步進面臨的技術(shù)難題和解決思路

      3.1 面臨的技術(shù)難題

      榕江關(guān)埠引水隧洞由于TBM法與鉆爆法施工工藝不同,導(dǎo)致洞徑尺寸有所差異,兩洞段的貫通面出現(xiàn)一定程度的高差,形成580 mm的臺階。該項目TBM設(shè)備配套的承重輪僅適用于4.3 m洞徑的隧洞,承重輪無法直接落在鉆爆法隧洞二襯混凝土工作面上,造成設(shè)備承重輪懸空,若按照常規(guī)方法,則需要重復(fù)在設(shè)備配套承重輪下加墊工字鋼以解決斷面高差問題,這樣不僅大大降低了TBM設(shè)備的空推步進效率,并且由于加墊型鋼結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,TBM空推步進施工過程中存在安全隱患。此外,由于TBM在空推步進時不能通過撐靴撐緊圍巖提供反力使其向前步進,通常情況下,需依靠管片提供反力支撐TBM空推步進,但是空推段管片非永久性管片,存在TBM撐緊力不足,管片造價貴、體型大、拆卸復(fù)雜等弊端。

      3.2 解決思路

      為了解決上述施工技術(shù)難題,研發(fā)一種TBM變洞徑空推步進技術(shù),即將配套承重輪結(jié)構(gòu)改變,內(nèi)置可伸縮油缸,通過油缸伸縮以適應(yīng)隧洞斷面尺寸變化,并且利用預(yù)制仰拱塊代替拼裝管片提供推進反力等措施,以克服鉆爆法施工后造成洞徑變大,撐靴失效、軌距偏離等施工技術(shù)難題。

      4 TBM變洞徑空推步進施工

      4.1 液壓承重輪安裝施工

      榕江關(guān)埠引水工程TBM掘進第一段6.33 km隧洞與鉆爆段隧洞連通后,首先清理掌子面渣土以及刀盤內(nèi)外渣土,拆除刀盤上滾刀,TBM機向前推進使刀盤坐落于空推段軌道上(見圖3),待1#連接橋前轉(zhuǎn)向輪到達空推段后,進行臨時支撐加固,并安裝1#連接橋液壓承重輪,隨后拆除臨時支撐,使承重輪坐落于空推段混凝土面圓弧上,TBM機繼續(xù)向前推進,直至1#連接橋后轉(zhuǎn)向輪到達空推段處,完成后承重輪的安裝。隨后TBM機繼續(xù)向前推進,待2#連接橋具有足夠空間位置后,進行2#連接橋液壓承重輪的安裝,使承重輪坐落于混凝土面圓弧上(如圖4所示,紅色部份為加工制作)。

      圖3 TBM空推段示意

      圖4 承重輪安裝示意(單位:mm)

      4.2 變洞徑液壓承重輪施工

      由于TBM法與鉆爆法施工工藝不同,洞徑尺寸有所差異,導(dǎo)致兩洞段的貫通面出現(xiàn)一定程度的高差。在TBM變洞徑空推步進施工過程中,當盾體位于TBM法空推段時(洞徑Φ4.3 m),液壓油缸伸出至適宜的位置,使承重輪坐落于空推段混凝土面圓弧上,通過液壓鎖固定承重輪,由輔推油缸驅(qū)動盾體向前空推步進;當在TBM盾體處于鉆爆法空推段時(洞徑Φ5.46 m),液壓油缸回收至合適位置,使承重輪坐落于二襯混凝土工作面上,同樣通過液壓鎖固定承重輪,輔推油缸驅(qū)動盾體繼續(xù)向前空推步進,完成TBM變洞徑空推步進施工。液壓承重輪變洞徑施工示意見圖5。

      TBM法空推段

      鉆爆法空推段

      4.3 預(yù)制仰拱塊施工

      為解決TBM機在空推步進時撐靴撐緊力不足等問題,利用預(yù)制仰拱塊代替管片拼裝提供推進反力,參考以往類似工程經(jīng)驗參數(shù),設(shè)計制作仰拱預(yù)制管片[11]。預(yù)制仰拱塊采用鋼筋混凝土制作(見圖6),仰拱塊配筋主筋采用HRB400級鋼筋,保護層厚度為50 mm,混凝土強度等級為C30,設(shè)計外形尺寸2 000 mm×700 mm;預(yù)埋螺母采用聚酰胺材料,每片4顆;采用M22×135鋼螺栓,產(chǎn)品等級為C級,性能等級為8.8級。為方便預(yù)制塊吊裝及運輸,在1#連接橋上焊接H100型鋼作為跑道,采用1.5 kW電動葫蘆進行垂直調(diào)運及行走控制,該方法省時省力,顯著提高了施工效率(見圖7)。預(yù)制仰拱塊具有良好的穩(wěn)定性,完全滿足TBM空推步進撐緊力的需要,并且工藝簡單、制作成本低,顯著降低了TBM空推步進的施工成本。

      圖6 仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

      圖7 預(yù)制塊吊裝安裝示意

      4.4 TBM推力計算

      1) 盾體所需推力計算

      榕江關(guān)埠引水工程使用的TBM為中鐵裝備生產(chǎn)的CREC771型雙護盾式TBM,根據(jù)文獻9,其盾體部位的總重約為444.4 t,空推施工過程中在混凝土表面與盾體摩擦面間涂抹EP2(鋰基潤滑脂)進行潤滑,以減小滑動摩擦阻力。

      盾體所需推力F1計算如下:

      F1=μ×N×λ=444.4×0.6×1.2=319.68 t 。

      其中:盾體總重N為444.4 t;摩擦系數(shù)μ取0.6;安全系數(shù)λ取1.2。

      2) 油缸推力計算

      TBM空推步進采用油缸提供推力,并利用底部布設(shè)的預(yù)制仰拱塊提供反力向前推進。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的《CREC771設(shè)備操作手冊》[12]可知推進油缸的相關(guān)參數(shù),并通過計算得到油缸推力F2。

      油缸無桿腔面積:

      推進系統(tǒng)最大操作壓力35 MPa,單個油缸的最大推力Fd為:

      Fd=PS=350×706.5=247.275 t 。

      TBM空推步進時在4#、5#、6#、7#4個油缸共同作用下,最大推力F2為:

      F2=4Fd=4×247.275=989.1 t 。

      綜上,對比可知F2>F1,說明油缸推力可滿足TBM空推步進的施工需求。

      4.5 TBM空推步進施工

      TBM隧洞與鉆爆段隧洞連通后,利用調(diào)節(jié)液壓承重輪通過TBM法和鉆爆法臨界面,僅用底部4#、5#、6#、7#4組輔推油缸提供驅(qū)動力,由仰拱預(yù)制塊提供盾體推進所需的反力,具體施工步驟如下。

      1) 當TBM機到達預(yù)定位置后,回收底部4#、5#、6#、7#4組輔推油缸,使其底部滿足預(yù)制塊放置空間(預(yù)制塊寬度為700 mm,當空間大于等于900 mm時,滿足放置條件)。

      2) 采用葫蘆吊機將仰拱塊吊運至指定位置,并放置穩(wěn)定。

      3) 伸出輔推油缸,并使其頂緊預(yù)制塊,經(jīng)檢查確認無問題后,逐步加大底部油缸壓力使設(shè)備向前移動(當?shù)撞坑透讐毫Φ竭_50 bar時,需停止對設(shè)備進行檢查,確認無任何阻礙后繼續(xù)加大推力并全過程監(jiān)測)。

      4) 使用Ф25 mm鋼筋將仰拱塊吊筋連接(采用焊接方式),增加受力整體性。

      在空推步進過程中,按照上述步驟1~3循環(huán)進行,每循環(huán)步進700 mm,仰拱塊間需用Ф25 mm的鋼筋連接成整體,施工中,應(yīng)對底部清理干凈,仰拱塊放置牢固,高程保持一致,軌道安裝孔位中心線在一條直線上,在仰拱塊吊運過程中,應(yīng)多次檢查吊索具及起重設(shè)備,對不符合要求的相關(guān)部件及時更換,確保施工安全,TBM主機步進后,后配套跟進主機同步前進,依序鋪設(shè)鋼枕梁、三角支腿和鋼軌,鋼軌鋪設(shè)為運輸軌及后配套軌(如圖8所示)。

      圖8 TBM空推步進施工示意

      4.6 應(yīng)用效果

      榕江關(guān)埠引水工程T3隧洞段TBM空推步進施工,采用TBM變洞徑空推技術(shù)后TBM空推步進效率由原設(shè)計30 m/d提高至90 m/d,優(yōu)于國內(nèi)其他類似工程[13],TBM空推段1.036 km施工工期共30 d,相較于原計劃共節(jié)約工期40 d。TBM空推步進施工順利,施工期間未發(fā)生質(zhì)量安全事故,變洞徑空推步進技術(shù)應(yīng)用效果較好。

      5 結(jié)語

      本文依托工程施工實踐,對TBM變洞徑空推步進施工技術(shù)進行研究,通過改變配套承重輪結(jié)構(gòu),利用預(yù)制仰拱塊代替拼裝管片提供推進反力等措施,解決了TBM變洞徑空推步進撐靴失效、軌距偏離等技術(shù)難題。本技術(shù)優(yōu)化了TBM空推步進施工工藝,解決了TBM變洞徑空推步進效率低的施工技術(shù)難題,提高了TBM空推步進施工的適用性,實現(xiàn)了TBM安全高效空推步進施工。

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