桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程TBM空推步进施工技术

金永就

广东水电二局股份有限公司广东增城511340

摘要：为了解决TBM在钻爆法已施工完成的隧洞内，如何安装步进设备、快速步进及顺利纠偏等一系列技术难题，以桂中治旱隧道TBM施工为例，通过采用TBM在钻爆法加大断面内安装步进装置从而实现了TBM的正常快速步进并且具备纠偏功能，从而顺利、高效地实现了TBM步进作业。

关键词：桂中治旱隧道；TBM施工；步进技术

1引言

本工程隧洞部分主要为窑瓦～六浪隧洞全长23.75km，其中桩号B2+449～6+075、B10+275～13+275、B25+184～26+197为钻爆法施工，桩号B6+075～10+275、B13+275～25+184为全断面隧洞（隧道）掘进机施工。TBM掘进施工包含TBM组装、步进、始发掘进、正常掘进、贯通掘进等工序。文献[2]介绍了TBM步进速度对工程建设进度的影响；文献[3]通过介绍油缸推进、弧形滑道步进与电机驱动、整体托架步进这几种步进方法的技术特点、控制重点和详细的施工方法并对各自的优缺点进行比对，提出TBM经过钻爆施工段的步进方案；文献[4]以西秦岭隧道为工程实例，从施工进度、弧面质量、经济效益等方面进行方案比选，最终选择了TBM弧形步进滑槽的快速施工方法；文献[5]分析了TBM步进对隧道施工工期的影响；文献[6]阐述了仰拱块供应对TBM步进的影响，并提出提高仰拱块生产效率的一系列先进施工技术；文献[7]以兰渝铁路西秦岭隧道为例，介绍了TBM步进模式以及狭小场地内TBM快速组装、调试技术。TBM隧道内步进在国内的案例都是需要在钻爆法隧洞内预先做好洞壁衬砌并在隧洞底板加设导向槽，加设导向槽将会影响工程进度和增加施工成本，所以在没有加设导向槽的情况下，如何对TBM纠偏是施工难点。本文以桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程TBM隧道为例，分析TBM隧道内步进施工及技术难题。

2TBM步进原理及施工工序

2.1TBM步进原理

由于与TBM主机相联的滑动滑块与步进装置的支撑滑块的摩擦因数小于支撑滑块与混凝土面的摩擦因数，当步进推进油缸时，TBM主机和滑动滑块会在步进装置的支撑滑块上向前滑行，滑行支撑架与撑靴在导向筒上向前滑行。步进推进油缸与推进油缸同时伸长1.8m后，举升油缸举升TBM主机，后支撑支腿伸长至下部岩壁，举升滑行支架，步进推进油缸收缩支撑滑块前行1.8m，推进油缸收缩牵引撑靴和滑行支撑架前行1.8m后，收缩举升油缸和后支撑支腿，完成1个步进循环。

1）滑动滑块与支撑滑块的摩擦力

F1=μN。（1）

式中：F1为滑动摩擦力；μ为滑动摩擦力因数，有润滑时为0．1～0．12，无润滑时取0．15；N为接触面的正压力，TBM主机质量为400t，重力加速度为10g/m2。将数值代入式（1），得：F1=0.12×400t×10g/m2=480kN。

2）钢板与混凝土地面之间的摩擦力

F2=μN=μ（400+n）（2）

式中：F2为静摩擦力；μ为摩擦力因数，取0.2～0.3；N为接触面的正压力，TBM主机质量为400t，重力加速度为10g/m2；n为步进装置的重量。将各值代入式（2），得：

F2=0.3×[400+12]t×10g/m2=1236kN。

由式（1）和式（2）可知：与TBM主机相联的滑动滑块与步进装置的支撑滑块的摩擦因数小于支撑滑块与混凝土面的摩擦摩擦力，故能够满足步进时提供的反推力的要求。

2.2TBM步进施工工序

施工准备—步进装置就位——TBM组装调试——步进装置滑动滑块与TBM盾体安装焊接——安装步进推进油缸、滑行支撑架——步进推进油缸、主机推进油缸跟随伸长推进TBM前进1.8m——举升油缸举升TBM主机、后支撑支腿伸长——步进推进油缸收缩牵引支撑滑块前进1.8m、滑行支撑架前进1.8m——举升油缸收缩、后支撑支腿收缩—下一个换步循环。（步进装置见图1）

图1步进装置总图

3TBM步进机构安装

3.1弧形钢板

主机下滑动滑块和支撑滑块采用30mm厚钢板加工，尺寸为7688mm×6038mm×70mm（长×宽×厚）。

3.2滑行支撑架安装

TBM步进时撑靴都已收回，在撑靴下安装1个滑行支撑架，用于支撑TBM主机及支撑靴。滑行支撑架在TBM组装时一起安装完成，当TBM步进与技撑滑块同时向前滑行。滑行支撑架安装如图2所示。

图2滑行支撑架安装

3.3举升油缸安装

在护盾两侧对应的位置焊接举升受力钢板及举升油缸，如图3所示。

图4通过导向槽纠偏示意图

3.4步进推进油缸安装

步进推进油缸共2根，左右每侧各1根。步进推进油缸前部与护盾连接，后侧与支撑滑块连接，步进推进油缸推力2000kN，行程1.8m。

4TBM步进

准备工作完成后，TBM步进开始。TBM主机通过2根TBM步进推进油缸（2000kN×2，行程1.8m）伸长推进TBM主机向前行进，TBM步进推进油缸伸长的同时，主机推进油缸一同伸长。步进推进油缸伸展1.8m后，用设在TBM主机护盾下方的2组举升油缸（每组3根1500kN油缸）把主机进行举升，举升油缸将TBM护盾提升3～4cm，后支撑伸长至下部岩壁，举升滑行支架。TBM主机被举升后，通过TBM步进推进油缸（2000kN×2，行程1.8m）收缩带动支撑滑块前行，同时主机推进油缸收缩，带动滑行支撑架前行。步进油缸收缩完成后，举升油缸和后支撑支腿收缩，把TBM主机放置支撑滑块上，支撑滑块重新落在隧洞下部混凝土面上，完成一个步进循环。

4TBM步进中TBM纠偏技术难题的解决

4.1TBM步进过程中纠偏方案比较

桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程TBM隧道因地质原因，桩号B25+184～26+197隧洞为钻爆法施工，TBM需要在该段通过钻爆法施工完成的隧洞里步进1013m后进行掘进，为了使TBM步进顺利进行，提出两个TBM步进纠偏方案进行讨论。

1）方案1。

在钻爆法完成的隧洞底部开挖通过混凝土浇筑并预留导向槽，在步进装置支撑滑块底部加装导向轮，以确保TBM步进过程中步进装置始终沿着导向槽前进，从而动TBM沿着导向槽前进。如图4所示。

2）方案2。

该方案考虑不需要隧洞浇筑混凝土底板的情况下，可以实现TBM纠偏功能。通过调整举升油缸从而实现TBM盾体左右移动。具体实施方法如下：

1.TBM正常步进，每一个步进循环完成后，检查盾体是否出现左右走偏的情况。

2.当TBM往左边偏时，将步进推进油缸伸至最长位，然后收缩举升油缸至最短位，举升油缸离开隧洞底部岩面10CM，举升油缸完成收缩动作后，伸出TBM后支撑支腿。举升油缸和举升受力钢板是通过关节轴承连接，从而可以通过人工摆动举升油缸，让油缸与隧洞底部岩面形成一个向右的角度，当油缸与隧洞底部岩面形成一定角度后（角度不大于100），慢慢伸长举升油缸，当油缸接触到隧洞底部岩面并慢慢举升盾体后，因为盾体重力的原因，盾体会随着举升油缸一齐摆动，直至举升油缸与隧洞岩面成垂直角度。这样便实现的盾体的向右纠偏。

3.当TBM往右偏时，只要按第2个步骤方法，改变举升油缸的摆动角度方向即可。

4.2最终方案选择

通过以上两个方案的比较，方案1工序多，工期长，成本高，但是可以确保TBM是沿着导向槽前进。方案2工序简单，成本低，工期相对更短，但可能会出现纠偏不及时，TBM会碰到洞壁从而造成不可预见的风险。

通过两个方案的全面考虑，最终桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程TBM隧道步进段采用了方案2进行施工。

5结论与讨论

TBM在通过第一段1013m步进后，证明方案选择是合理的，成功解决了步进设备在隧道内不加设导向槽实现纠偏的难题。通过对步进设备的改造，提高了TBM步进效率。TBM步进设备体积庞大，安装与拆卸都相当困难，且绝大部分连接都采用焊接，在不影响使用的情况下可以考虑采用小件拼装、螺栓连接。研究并解决TBM施工中的技术难点必将是一项长期的工作。

参考文献：

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[3]陈大军．兰渝铁路西秦岭隧道TBM步进技术[J].隧道建设，2010.31（2）：162－168，178．

[4]郑孝福．TBM弧形步进的滑槽快速施工技术[J].隧道建设，2011，31（2）：252－255．

[5]赵清泊．西秦岭特长隧道TBM步进段弧形基础的设计与施工[J]．路基工程，2011（2）：175-177．

[6]徐赞．西秦岭隧道仰拱预制块施工技术[J].隧道建设，2011，31（2）：256－261．

[7]赵战欣西秦岭隧道掘进机步进模式的探讨[J].铁道建筑技术，2009（11）：21－23．