TBM地下組裝洞室的設計與施工

袁 亮

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

TBM是一種集洞室開挖、整機步進及圍巖支護于一體的先進的掘挖設備，是集機、電、液于一體化的大型專用機械，設備主要是由重型鋼結構件在工廠分部加工后運至現場拼裝，并根據設備功能需要，附加相應配套設施和電氣、液壓等設備。TBM設備結構復雜，零部件達數萬件，重量達數千噸，整機長度也長至數百余米，其組裝是一個龐大的系統工程。它需要足夠大的組裝場地，同時又因為設備龐大笨拙，現場組裝必須鄰近開挖作業面以便迅速進入掘進狀態。組裝場的細部結構設計和施工直接決定了組裝的質量和進度，關系到TBM能否順利投產，因此要求組裝場地的設計既要滿足設備組裝的需要，又要盡量結合現有場地條件減少工程成本，利于快速掘進。

2 組裝場方案

2.1 TBM組裝場的方案比選

TBM的組裝場按照空間布置分為露天組裝場和洞室內組裝場。一般隧洞進出口場地廣闊、經過簡單改造具備形成較大組裝場地的工程均選擇洞外組裝;在隧洞進口處于峽谷或陡峭地形的情況下，或者經改造可以形成組裝場，但工程成本相對較大時均采用洞內組裝場。一般洞外組裝場相對開闊，采光和通風好于洞內，工程中宜優先采用洞外組裝，如蘭渝鐵路西秦嶺遂洞羅賓斯TBM和陜西秦嶺隧道維爾特TB880E設備等均采用洞外露天組裝。但是，在實際工程中大部分隧洞工程均位于深山峽谷中，往往露天沒有適合的場地供TBM組裝，多數TBM選擇在洞內組裝，如錦屏二級排水洞工程、1號引水隧洞、3號引水隧洞以及遼寧的大伙房工程(其中2臺)等，均采用洞內組裝的方案。

2.2 組裝洞室的總體布局設計

一套TBM設備從零散結構件組裝成整機并投入掘進，一般由組裝洞和始發洞兩部分構成。組裝洞是供TBM結構件裝配成一體的場所，始發洞是TBM組裝完成后進入起始掘進狀態的過渡洞室。

(1)組裝洞的設計思路

TBM組裝洞根據其功能，原則上以滿足TBM設備組裝的要求即可，其結構尺寸取決于組裝方案和設備零部件的大小。一般結合現場工況地質條件及工期要求，首先確定TBM組裝方案，根據組裝方案進行組裝洞室的整體結構布局設計;然后結合TBM設備和組裝輔助設施的參數，以及組裝的其它需要進行組裝洞室的細部參數設計。

(2)常見組裝方案和組裝相關洞室布局見表1。

組裝方案選擇一般根據以下因素綜合考慮:

①設備結構大小，主要為刀盤直徑和整機長度;

②組裝洞室開挖工期與土建工程成本關系;

③組裝洞與外界的交通支洞條件;

④組裝洞室工程地質條件，即成洞條件。

一般組裝洞地質條件較好，附近旁洞可提供多條組裝輔助通道，如設備直徑相對較大時，在權衡工程工期與土建工程成本的前提下，可采用主機和后配套同時組裝的施工方案。即采用TBM主機組裝洞室和TBM后配套組裝洞室相結合的設計方案。該方案土建開挖工程量和工期相對增加，但是TBM主機和后配套平行組裝，可縮短設備進場后的組裝工期，盡早進行TBM掘進施工。

表1 組裝方案和相關洞室布局

在單一洞室施工即沒有輔助通道的條件下，或者組裝洞室所處地質條件較差不適合再擴挖一個后配套洞室，或者組裝洞室土建開挖工期緊，TBM設備相對較小的情況下，一般宜選擇先組裝主機再后配套組裝的施工方案，即設計單一主機組裝洞室。該方案選擇主機和后配套均在一個洞室內組裝，先完成主機組裝，然后主機向前步進在主機組裝洞組裝后配套的方式。該方案減少了后配套組裝洞，增加了一段步進洞，步進洞斷面小于后配套組裝洞，因此減少了一定的開挖工程量;但是將主機和后配套平行組裝改為輪流組裝，延長了一定的組裝工期。

如工程條件界于上述兩者之間，則選擇主機組裝洞與部分后配套組裝洞室相結合的方案，即步進洞+主機組裝洞+部分后配套組裝洞，先組裝主機和部分后配套，TBM步進進入步進洞，再在組裝洞內完成剩余后配套的組裝方案。

3 組裝洞室的結構設計

TBM的組裝洞室一般設計有TBM組裝洞(主機和后配套)和始發洞室，步進洞則根據現場TBM組裝需要和實際情況確定是否需要。其整體布局見圖1。

圖1 組裝洞室布置

3.1 主機組裝洞

是供TBM主機組裝的場地，經常也用于組裝后配套。主機組裝洞一般設計為城門洞形，其設計參數根據主機結構件的尺寸、組裝輔助設施參數以及組裝工藝確定(見圖2)。

圖2 主機組裝洞斷面

3.2 后配套組裝洞

供TBM后配套組裝的場地，一般與主機組裝洞一樣設計為城門洞形，其結構參數根據后配套結構尺寸、組裝輔助設施參數以及組裝工藝確定。

3.3 始發洞室

為TBM設備組裝完成進入掘進狀態的一個始發準備區間。TBM從組裝洞步進至始發洞，利用TBM撐靴撐緊始發洞洞壁，提供TBM向前掘進的推進力和刀盤旋轉的反力矩。始發洞按照其功能一般分為導向段和正常始發段兩部分，其中導向段為始發洞的前段，緊鄰開挖掌子面，需要進行全圓襯砌，起到約束支撐護盾作用，為TBM始發進行姿態定位和掘進導向。正常始發段位于導向段后部，為撐靴提供支撐力，保證撐靴能夠提供始發的推進力和反力矩。

(1)始發洞的導向段長度La1為刀盤前部至護盾后緣的長度。導向段開挖斷面一般為馬蹄形或城門洞形，但襯砌后斷面為圓形(見圖3)。

圖3 TBM始發洞導向段斷面

隧洞開挖寬度:D1=d1+2d+2δ

(2)正常始發段的斷面可為馬蹄形或城門洞形，但在撐靴部位需要模筑混凝土，成型為圓弧狀，以利于TBM撐靴撐至洞壁提供向前掘進的撐靴力(見圖4)。

圖4 正常始發段斷面

3.4 步進洞

TBM主機和后配套在同一個洞室組裝時，TBM主機組裝完成需要前移為后配套組裝提供場地，為此需要在組裝洞前方設計一個步進洞。步進洞其長度取決于主機和后配套的組裝方案即主機前移為后配套組裝移出的空間長度確定，其直徑大于刀盤直徑和人行道寬度之和即可。在TBM主機和后配套分別設計有組裝場地的情況下可不設計步進洞，TBM組裝調試完成直接步進至始發洞進入始發狀態。

3.5 組裝洞室設計和施工中應注意的問題

(1)組裝洞的設計除應結合設備安裝工藝、部件結構尺寸外，還應充分考慮起吊設備的安裝、運行等對結構空間的需要，尤其是主機組裝洞的高度和后配套的高度，應充分考慮橋機及其它輔助設施的安裝需要，巖壁梁以上的高度應滿足橋機安裝的需要。

(2)組裝洞的長度應考慮橋機止滑墩的安全止滑距離，避免由于橋機運行距離受限而限制組裝場的長度，影響組裝工作。

(3)主機組裝洞與后配套組裝間的洞室寬度不同，各自安裝獨立的橋機時應注意兩洞室橋機間盲區的距離不宜過長。建議不要設置盲區，以便后配套組裝完成后與主機順利連接。

(4)主機組裝洞懸臂梁的開挖應采用光面爆破，確保開挖質量，減少對圍巖的擾動。

(5)TBM始發洞的導向段和正常始發段均應進行準確的軸線定位，為TBM的掘進提供一個良好的始發姿態。

4 結束語

TBM的組裝是TBM設備投入運行前的一項重要工作，其設計與施工的好壞關系到TBM能否順利組裝和投產。組裝洞室的設計人員必須充分了解擬組裝的TBM及其輔助設施的結構尺寸、組裝方案和工藝，以完成TBM設備的組裝和順利始發為原則，結合各工程的具體特點選擇合適的組裝場所，靈活地設計各組裝洞室，以追求TBM組裝洞室設計和施工的經濟性與合理性，保證TBM順利組裝和投產。