超长TBM小半径分体步进始发技术

超长TBM小半径分体步进始发技术

冯日荣1  ,蔡光年2

（1.广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510000；

2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510000）

【摘 要】  硬岩掘进机TBM设备在穿山隧洞工程中应用越来越广泛，以其经济型、安全性、环境友好的特点，成为机械化隧道施工的重要设备，应用于长距离硬岩隧道的开挖。在隧洞断面较小的情况下，TBM整机设备设计往往会比较长，在山岭隧洞施工，始发场地又是各种条件限制，因地势、用地、工期等原因始发场狭小，设备无法整体始发。本文通过工程实例，阐述了有限的施工条件中，通过采取技术措施，实现超长TBM的始发掘进。

【关键字】  小半径  分体始发步进  设备改造  场地布置

1  概述

由广东华隧建设集团有限公司承建的榕江关埠引水工程，该项目是广东省重点水利工程项目，项目位于广东省的粤东地区，主要包括汕头市的潮阳区和揭阳市普宁市，该工程是韩江榕江练江水系连通工程的四个子项之一，也是最关键的控制性工程，其中输水隧洞采用的是TBM设备进行施工，是广东省水利工程行业中首个应用TBM设备进行隧洞掘进的工程项目。

TBM输水隧洞总长26.775km，分3段采用3台双护盾式TBM进行施工，隧洞开挖直径Φ5.06m，采用拼装预制六边形钢筋混凝土管片衬砌。其中的1#TBM洞段，隧洞长8.5km，项目始发场地位于村落旁山脚林地，TBM采取洞外分体组装，组装场地位于1#隧洞入口处，受规地势条件及征地的影响，施工始发场地直线段仅有50m，转弯段仅能满足R=150m小半径转弯，对超长TBM的始发带来了非常大的困难，整体始发需要重新协调项目用地，大大的增加施工难度、成本、工期。

图1  TBM进洞场地图

2  始发技术研究

1#TBM设备整机长度435m，其中主机长度13m，设备桥一号长9.5m，设备桥二号长9.7m，后配套47节拖车长约402m。始发场地位于山脚边坡，经边坡开挖支护及场地平整后，形成了一段平台长50m×宽20m和一段跟平台成135°夹角的400m的狭窄长坡，TBM设备布置中线调整后仅能满足R=150m的转弯半径，而TBM主机所需的最小转弯半径为300m，无法达到设备组装要求。由于工地组装场地限制，TBM设备的组装只有采取分段组装、分体步进的形式，主机部件的存放需预先指定存放区域,后配套台车从后向前分批次进场组装。

2.1  TBM 运输及组装安排

依据现场场地条件，TBM运输进场顺序需满足现场组装场地及存放规划，根据阶段性组装进度计划及场地存放计划，制定TBM各部件的进场顺序，避免场地的堵塞造成造成交通不顺而影响组装效率。计划各部件分为四批依次进场，具体进场顺序如下：

第一批：后配套拖车（斜坡轨-10#台车）及附属设备——线缆、管路——随机工具——随机资料。

第二批：刀盘及组件——前盾及驱动箱——扭矩臂——伸缩盾（分块）及盾体平台——支撑盾——管片机——尾盾——主机皮带机（含皮带、硫化机、硫化材料）——设备桥及组件——1#台车。

第三批：后配套拖车（2-9 节）——线缆、管路——刀具修理间。

第四批：连续皮带机相关组件——随机配件。

TBM分体组装顺序：

后配套拖车组装和TBM主机组装步进同步进行以减少工期，主机组装顺序受到安装场地影响，主机安装必须在直线段进行安装，只能在隧洞轴线和洞外50m区域进行，特制了一套可移动式钢托架，在距离洞口约20米处洞轴线位置开始组装，同时后配套拖车组装在斜坡段尾部进行安装，再沿着斜坡依次往洞口拖上去。

2.2  主机分体步进

由于主机段无法转弯，需在洞外直线段进行组装后再往前步进，为减少常规砼导台的浇筑和凿除工作量，项目部预制了三段钢托架基座，钢托架由工厂进行加工制作，每段长9.2m，宽3.6m，高0.6m，底部由横纵向的H型钢组成底梁，同时在场区底板安装了预埋件，进行钢托架安装固定。

托架顶部为左右两道对称的43钢轨，用于TBM步进过程盾体支撑和步进滑动，另现场加工了一套支撑反力装置，放在管片拼装机下部的千斤顶前方，架上再放置了两个钢牛腿与托架固定提供反力，并可以随着主机的移动，预制钢托架便于拆解，可以再用于2#/3#TBM段始发，节省组装成本。

主机分体步进需先外接TBM底部辅推千斤顶的液压管路，使辅推千斤顶无需全部安装完毕也能提前使用，启动底部的2组千斤顶为步进提供动力，辅推千斤顶行程是2.5m，做为每次步进行程，再固定支撑反力装置，经计算推力控制在400KN左右，即可稳步推进盾体步进。

反力装置的钢支撑架采用钢格栅结构形式，模拟管片的弧形尺寸结构，长度为2.5m，同时设置连接孔，当TBM步进行程走完后，直接把连接孔和辅推千斤顶固定，利用千斤顶收缩将反力装置往前拖动，同时拆除反力牛腿，往下一步进行程位置安装，再重复上一循环作业，反复往前推进。当一个9.2m的预制钢托架完全脱离TBM后，则将后面的钢托架固定件拆除，往TBM设备前方线路铺设及固定，从而利用3个钢托架可实现连续不断步进。

图4  可调节反力装置

2.3  小半径段过弯措施

1）调整设备线路中心：因隧洞洞口中心与长斜坡直线段的夹角将近135°，为获得最大的转弯半径，经过CAD上线路模拟，在后配套拖车不侵限的情况下，洞口段的设备中线要尽可能往右侧偏移，斜坡段的设备中线需尽可能往东侧偏移贴近坡顶边线，从而获得了最大转弯半径，经实测后也只能满足140m的小转弯半径。

2）小半径转弯段特殊处理：当后配套拖车按照140米转弯半径摆放时，会出现拖车转弯内侧结构的平台干涉，拖车无法连接，因此新增了一段短的连接销，加大了拖车间的距离避免干涉，又由于电瓶车编组是在拖车上行走，拖车间距离加长后，铁轨就无法衔接，就需重新加工转弯段专用的铁轨，拖车通过转弯段前进行更换，出去转弯段后再调整回正常轨道。

3）拖车重心平衡：原拖车设备制造仅考虑了隧洞内的工况，隧洞外的小半径转弯及斜坡并未考虑，且增加短的连接销后设备整体连接性就有所减弱，电瓶车重载通过转弯段时拖车出现重心偏移，极易产生倾覆，因此在转弯段拖车的另一侧上采取堆放铁轨进行重心平衡，解决重心偏移，同时对电瓶车进行重新编组，采用一个机头挂一节砂浆车、二节管片车，减少电瓶车编组重量，控制拖车整体重心不偏移太多，确保拖车过转弯段时的稳定。

4）电瓶车通行模拟：由于局部拖车上设备尺寸较大，为避免转弯段平板车与设备进行碰撞，特别在一节平板车上预制了个简易外框骨架，每次调整转弯拖车时，先用该节平板进行通行模拟，若可能产生碰撞则提前进行处理，减少设备损坏。

3  结语

榕江关埠引水工程项目的“三江一号”双护盾TBM自2020年4月15日始发，2021年9月17日完成掘进任务，用时520天完成隧洞贯通，其中日最大掘进35环（49m），月掘进最高达586环（820.4m），通过本项目技术研究编制的《TBM分体始发钢托架连续步进工法》《超长TBM设备小半径始发技术》分别获得了广东省省级工法和广东省土木建筑学会科学技术奖，同时也为后续二期工程和类似TBM工程提供宝贵的借鉴经验。

图5  获奖证书

参考文献

[1] 刘俊生.双护盾TBM小半径曲线地铁隧洞施工技术.中国新技术新产品，2016

[2] 徐艳群.TBM超小曲线半径始发技术研究.建筑机械，2021