長大隧道開敞式TBM同步襯砌施工技術應用前景及發展趨勢

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

0 引言

TBM工法由于具有安全、快速、環保等諸多優點，在長大隧道施工領域得到越來越廣泛的應用。以往開敞式TBM施工過程中不論采用有軌運輸方式出渣還是連續皮帶機出渣，都需要在TBM掘進分階段或者全部貫通后施作二次模筑混凝土襯砌，而從未實現TBM掘進與二次模筑混凝土襯砌的同步施工，這就導致了圍巖開挖并初期支護后將有一個較長的裸露期，與隧道施工要求及時封閉圍巖、完成完整二次襯砌結構的指導思想不符，施工安全與質量的可靠性大大降低;同時，也與我國相關法規及行業規章制度不符。例如:2008年鐵道部《關于印發〈鐵路建設工程施工企業信用評價暫行辦法〉的通知》(鐵建設［2008］160號)，規定了不同圍巖條件下二次襯砌與掌子面之間的間距要求;2010年頒布的《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》(鐵建設［2010］120號)，再次明確規定及時施作軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道的二次襯砌距離。

為了解決開敞式TBM不能同步施作現澆混凝土二次襯砌的問題，分別從有軌運輸出渣和連續皮帶機出渣2種工況條件著手，經過長時間的研究開發，結合施工實踐，實現了邊墻和拱頂同步襯砌施工技術，并在南疆鐵路吐庫二線中天山隧道和蘭渝鐵路西秦嶺隧道2項工程中成功應用。然而，這并不能代表著該技術已經發展成熟，還有很多施工條件和環境下的同步襯砌施工技術仍需繼續開展全面而深入的研究。

1 國內外現狀

1.1 國外現狀

國外對于TBM掘進與二次襯砌同步施工的研究起步較早，20世紀90年代就已經出現。如文獻［1］所述，TBM在前方掘進，同時在擋土墻處拌制襯砌混凝土，并泵送到滑模中，臺架提供襯砌材料以及棄渣運輸通道，棄渣轉運系統將棄渣從開挖區域穿越臺車臺架運送到洞外。該技術未能得以推廣，可見其實用性較差。

1.2 國內現狀

國內開敞式TBM同步襯砌施工技術的研究始于遼寧大伙房輸水隧洞，該技術在其中一個標段的最后80 m掘進中進行試驗，施工過程中造成連續皮帶機不能正常運行、各工序之間的相互干擾大、臺架和模板變形嚴重［2－3］。雖然未能真正得以應用，但進行了有益的探索，為后續研究與應用奠定了一定基礎。2007年開工的南疆鐵路吐庫二線中天山特長隧道，實現了有軌運輸條件下TBM掘進與邊墻和拱頂二次襯砌同步施工。2008年開工的蘭渝鐵路西秦嶺隧道實現了連續皮帶機出渣條件下開敞式TBM掘進與邊墻和拱頂二次模筑混凝土襯砌同步施工，應用效果良好。中天山隧道和西秦嶺隧道均為鐵路隧道，TBM掘進時鋪設上表面為平面的仰拱預制塊，為有軌運輸系統鋪軌提供了條件;之后施作隧道兩側小邊墻，為同步襯砌臺車提供走行基礎;最后施工邊墻和拱頂二次襯砌。目前，即將開始TBM掘進施工的陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞以及東北某引水工程也在研發TBM同步襯砌施工技術，但由于隧道結構設計原因，不再具備小邊墻條件，且隧道斷面較小，使得實現難度大大增加。

2 TBM同步襯砌施工技術研發成果

結合開敞式TBM掘進與邊墻和拱頂現澆混凝土同步襯砌施工技術在中天山隧道和西秦嶺隧道2項工程的成功應用，簡要說明其實現方法及應用效果。

2.1 有軌運輸出渣工況下的同步襯砌施工技術

中天山隧道TBM開挖直徑8.8 m，采用有軌運輸方式出渣。TBM掘進的同時，在連接橋位置鋪設仰拱預制塊，TBM后方適當位置開始施作兩側小邊墻，待其強度合格后施工邊墻和拱頂同步襯砌。單部同步襯砌臺車設計使用距離要求達到8 km，臺車走行于小邊墻上，仰拱預制塊上部平面鋪設四軌雙線制軌道供有軌運輸列車通行。臺車下部臺架結構設計為列車雙線通行，提供足夠空間且無需布置臺車底部橫向抗變形絲杠支撐;上部臺架預留直徑為2.2 m的通風軟管穿越通道，通過仰拱預制塊的中心水溝實現隧道施工排水，其他水、電和通訊管線可以穿越臺車。有軌運輸出渣工況下TBM同步襯砌臺車橫斷面布置見圖1［4－7］。

圖1 有軌運輸出渣時TBM同步襯砌斷面布置Fig.1 Cross-section of tunnel showing arrangement of synchronous lining system and rail-bound mucking system

2.2 連續皮帶機出渣工況下的同步襯砌施工技術

西秦嶺隧道TBM開挖直徑10.23 m，采用可靠性更高、速度更快的連續皮帶機出渣，其他工況條件與中天山隧道基本一致。該工況下的同步襯砌施工技術是在中天山隧道同步襯砌技術成功應用的基礎上，結合可供利用的工程條件進一步研究和開發的。連續皮帶機運行中，其狀態不允許發生改變，否則將會導致皮帶跑偏、漏渣甚至皮帶機嚴重損壞，這就要求連續皮帶機穿越同步襯砌臺車前、穿越中及穿越后，其位置和姿態保持不變。針對連續皮帶機運行的特殊需求，通過深入研究，提出多種方案，經過全面論證比選后，采用了減震承臺方式。連續皮帶機出渣工況下的TBM同步襯砌臺車斷面布置見圖 2［8－11］。

連續皮帶機出渣工況下的同步襯砌施工技術在西秦嶺隧道的施工實踐，取得了以下成果。

1)TBM掘進與二次襯砌同步施工，2部同步襯砌臺車同時投入使用。1部緊跟TBM，首先對圍巖條件較差的洞段及時實施二次襯砌，在有能力的情況下，盡量多施工;另外1部完成剩余的襯砌任務，隧道綜合成洞進尺可達500 m/月。

圖2 連續皮帶機出渣時TBM同步襯砌斷面布置Fig.2 Cross-section of tunnel showing arrangement of synchronous lining system and belt conveyer mucking system

2)同步襯砌臺上設置專用的帶有減震裝置的皮帶機承臺，可以便捷地對承臺進行上下位置調整，以適應皮帶機與臺車上下相對位置的變化;承臺寬度預留100 mm的余量，允許皮帶機整體在承臺上橫向移動，自動適應皮帶機與臺車水平位置關系的變化;承臺下部安裝有減震機構，避免連續皮帶機運轉過程中產生的振動傳遞到剛剛澆筑完成、尚未脫模的混凝土結構，保證混凝土的最終質量。通過采取上述措施，能保證連續皮帶機的位置與姿態在保持不變的情況下順利穿越臺車，且運行過程中不論臺車處于立模、澆筑、拆模、移位何種工序，均能正常作業而不發生干涉。

3)φ2.2 m的大直徑通風軟管在保證通風不間斷、通風質量不受影響的前提下順利穿越臺車。

4)四軌雙線有軌運輸列車通行，且不論臺車處于何種工況，都不會影響列車的正常運行。

5)采用分散式抗浮有利于保護已經施工完成的混凝土襯砌結構，且臺車受力更加合理。

TBM自2010年8月正式掘進，現澆混凝土邊墻和拱頂襯砌自10月開始施工，截至發稿，TBM及同步襯砌已經完成了第1階段施工及向第2階段的轉場，TBM累計掘進長度11.59 km，同步襯砌累計長度10.23 km。與傳統的施工方法相比，可節約工期17個月，經濟效益及社會效益非常可觀。

3 應用前景及發展趨勢

3.1 應用前景

隨著我國隧道施工技術的大發展，規劃中采用TBM施工的長大隧道會越來越多，如吉林引松供水工程、重慶地鐵、青島地鐵、甘肅引哈濟黨引水工程、云南滇中供水工程、瓊州海峽海底隧道、渤海灣煙(臺)大(連)海底隧道、臺海大通道和南水北調西線工程等。據統計，我國有各類可用TBM開挖的隧道工程總長度約5 800 km，需TBM 120～150臺，TBM的使用和發展在我國具有廣闊的市場［12］。因此，由于安全、質量、工期和施工成本等方面的綜合需求，在適宜的工況條件下，TBM同步襯砌施工技術在長大隧道施工中具有非常大的發展空間。

3.2 推廣TBM同步襯砌施工技術面臨的主要問題

開敞式TBM同步襯砌施工技術成功地應用于2項鐵路隧道工程，其共性如下:1)隧道結構中鋪設上表面為平面的仰拱預制塊，安裝四軌雙線制軌道供列車通行;2)仰拱預制塊設有中心水溝，施工期間用以排水;3)隧道兩側為兼顧水溝及電纜槽結構而設置有小邊墻，鋪設臺車走行軌道，且能夠保證下部臺架為列車預留凈寬為4.9 m的通行空間;4)相應工況條件下的開挖斷面較大，開挖直徑為8.8 m的隧道采用有軌運輸方式出渣，開挖直徑為10.23 m的隧道采用連續皮帶機出渣，其作業空間均較寬敞;5)現澆混凝土二次襯砌的范圍是邊墻和拱頂。

開敞式TBM在我國應用較多，同步襯砌施工技術已經成功地應用于2項工程并取得了較好的成績，但大范圍推廣應用還面臨著諸多問題，如隧道長度、隧道斷面、是否鋪設仰拱預制塊、仰拱預制塊的形式、現澆混凝土襯砌范圍等因素制約了該技術在更大范圍內的推廣應用。

3.3 發展趨勢

目前，開敞式TBM同步襯砌施工技術尚處于起步階段，其他工況條件下的同步襯砌施工技術尚待研發或正在研發過程中，沒有形成系列的、適用范圍更廣的成熟技術，下一步需結合不同的工況條件繼續進行研究開發。

3.3.1 鋪設不同形式仰拱預制塊工況下的TBM同步襯砌

洞內鋪設上表面為平面的仰拱預制塊、兩側設有小邊墻的隧道結構設計主要適用于鐵路隧道，而對于其他水利水電工程的隧洞而言，這種結構形式并非最佳。如陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞采用開敞式TBM施工、連續皮帶機出渣，仰拱預制塊上表面設計為弧形，TBM掘進之后施作邊墻和拱頂現澆混凝土襯砌，見圖3。

該工況條件下的同步襯砌施工技術需重點解決列車不間斷通行、同步襯砌臺車走行位置、連續皮帶機穿越臺車的有效空間、洞內長距離有軌運輸組織調度和洞內風水電管線布置等問題。預計TBM2013年第4季度可以完成工地組裝調試，同步襯砌施工將同步實施，同步襯砌施工方案設計及臺車設計制造工作目前正在按計劃落實。

圖3 引漢濟渭工程秦嶺隧洞斷面布置Fig.3 Cross-section of Qinling tunnel of Hanjiang-Weihe Water Diversion Project

3.3.2 現澆仰拱同步襯砌

某些隧道工程出于結構設計的要求，底部不允許鋪設仰拱預制塊而只能施作現澆混凝土仰拱。TBM現澆仰拱同步襯砌施工技術研究需要解決的問題主要包括:洞內軌道布置(列車走行軌、臺車走行軌)、有軌運輸列車在同步襯砌區域不間斷通行(涉及仰拱襯砌前后鋼軌鋪設方式、鋼軌在同步襯砌臺車前后的迅速對接、列車通行空間等)、仰拱同步襯砌臺車自身結構形式、臺車行走方式、是否配置鋼筋籠或者鋼筋網、鋼筋籠(網)鋪設作業空間和作業方式、混凝土澆筑方式、混凝土澆筑過程中的抗浮、現澆混凝土仰拱脫模后的養護(混凝土脫模后必須達到相應的強度方可承載列車)、混凝土澆筑前清底方式、清底效果與工作效率、同步襯砌施工單元長度、襯砌速度與TBM掘進速度的匹配、連續皮帶機與同步襯砌臺車之間的干涉、大直徑通風軟管與臺車上通行列車之間的干擾、洞內供水供電線路布置、施工排污等。

3.3.3 小斷面隧道TBM同步襯砌

當隧道斷面較小時，實施TBM同步襯砌難度較大，有時甚至完全不具備可行性，方案規劃時必須全面、深入、系統地研究以下問題，綜合論證其可行性。1)同步襯砌的范圍是邊墻、拱頂、仰拱，還是全斷面;2)TBM掘進出渣采用連續皮帶機、有軌運輸系統，還是無軌運輸系統;3)二次襯砌前后洞內斷面布置，包括通風軟管、連續皮帶機、電力及照明通訊線路、供排水系統、鋼軌、運輸車輛、洞內會車平臺等;4)同步襯砌臺車結構設計在保證臺車結構強度、剛度與壽命的前提下，盡最大可能為其他設備、設施預留更大空間;5)運輸、通風、供排水、供電、照明、通訊等設備與設施通過襯砌臺車的方式;6)同步襯砌臺車的走行方式及走行位置;7)同步襯砌臺車模板長度;8)同步襯砌作業速度與TBM掘進速度的匹配性;9)連續皮帶機、運輸車輛設備選型與配置;10)小斷面、大運量、長距離洞內運輸組織與調度和施工安全保證措施等。

3.3.4 全斷面同步襯砌

水工隧洞設計施工過程中從經濟方面考慮，對于TBM開挖出來的空間，不希望過多回填，因而很多工程將不會設置仰拱預制塊，此時實施TBM同步襯砌就需要采取現澆仰拱、邊墻和拱頂襯砌分步實施的方案，或者采用全斷面同步襯砌方案。前者需要增加更多的工作面，在洞內相對狹小的空間內實施多個工作面同時作業，相互干擾問題將會非常嚴重。后者必須解決好列車洞內不間斷通行、全斷面同步襯砌臺車與列車通行之間的相互配合、全斷面澆筑混凝土抗浮、臺車結構形式、臺車結構強度與剛度、仰拱部分混凝土澆筑質量控制、連續皮帶機及大直徑通風軟管穿越全斷面同步襯砌臺車、襯砌速度、混凝土脫模后的養護(特別是仰拱部分)等一系列問題。已經研究了該工況條件下TBM全斷面同步襯砌施工方案并取得了階段性成果，全斷面TBM同步襯砌臺車橫斷面初步設計見圖4［13］，但距離真正投入施工實踐還有相對較長的過程，有很多具體問題還需要深入研究。

圖4 全斷面TBM同步襯砌臺車橫斷面初步設計Fig.4 Cross-section of full-face synchronous lining trolley

3.3.5 同步襯砌與掌子面之間的距離

實踐證明:即使采用TBM同步襯砌施工技術，也無法滿足現有鐵路隧道施工基于鉆爆法所制定的步距要求。對于TBM施工而言，初期支護是保證施工安全的主要措施，同步襯砌的主要作用在于縮短長大隧道施工工期、合理設計相匹配的初期支護方式，從而實現施工安全、質量、工期和成本之間的合理辯證統一。

4 結論與討論

開敞式TBM同步襯砌施工技術在施工安全、工程質量、綜合進度、施工成本等方面具有明顯的優勢，在工況條件與作業環境允許的情況下，具備大力推廣的必要性與可行性。

然而，該技術僅在少數工況條件和隧道斷面下經受了實踐考驗并獲得成功，尚未形成系列工法，不可盲目推廣，絕不可為了體現與其他工程的不同而改變成熟的經驗工法，創新必須進行科學完整的研究論證，必須能夠產生實實在在的價值。在工程籌劃、初步設計階段，研究和論證同步襯砌的可行性，針對本工程的特定工況條件，確定需要解決的重點問題，提出可供選用的解決措施;在工程可研、施工圖設計階段，基本確定關鍵問題的解決方案，據此制定施工工序、質量及工期目標;在實施性施工組織設計階段，需對襯砌臺車設計、設備配置、工藝流程與技術要點、施工組織與調度、安全與質量保證措施等制定全面而詳細的方案。

［1］ Thompson.Method and apparatus for continuously boring and lining tunnels and other like structures:US，4915541［P］.1990－04－10.

［2］ 高菊茹，梅志榮，葉國榮，等.一種與掘進同步作業的襯砌臺車:中國，200520035043.X［P］.2006－09－06.

［3］ 蘇奕文.全環內通式襯砌臺車在大伙房水庫輸水隧洞工程中的應用［J］.水利水電技術，2010，41(7):53－56.(SU Yiwen.Application of full-section internal passage lining jumbo to construction of water conveyance tunnel for Dahuofang reservoir［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，2010，41(7):53 －56.(in Chinese))

［4］ 郭惠川.長大隧道敞開式掘進機施工中的同步襯砌研究［J］.鐵道建筑技術，2009(11):61 －64.(GUO Huichuan.Study on the simultaneous lining technology in the long tunnel bored by main beam TBM［J］.Railway Construction Technology，2009(11):61 －64.(in Chinese))

［5］ 魏文杰.中天山隧道TBM法掘進同步襯砌施工技術［J］.隧道建設，2009，29(1):68 －71.(WEI Wenjie.Application of simultaneous lining technology in Zhongtianshan tunnel bored by TBM［J］.Tunnel Construction，2009，29(1):68 －71.(in Chinese))

［6］ 譚順輝，魏文杰，陳文忠，等.一種隧道掘進同步襯砌模板臺車: 中國，200820103730.4［P］.2009 －05 －27.

［7］ 李艷明.中天山隧道敞開式TBM掘進與二次襯砌同步施工方案設計［J］.四川建筑，2010，30(3):203 －206.

［8］ 齊夢學.連續皮帶機出渣工況下TBM掘進與二次襯砌同步施工技術［J］.鐵道建筑，2011，(10):35－38.

［9］ 齊夢學.西秦嶺特長隧道TBM同步襯砌臺車［J］.建筑機械，2011(5):112 －114.(QI Mengxue.TBM synchronization lining trolley for West Qinling long tunnel［J］.Construction Machinery，2011(5):112 －114.(in Chinese))

［10］ 鄧勇，王雁軍，齊夢學，等.連續皮帶機出碴條件下與TBM掘進同步施工的襯砌臺車:中國，200920250223.8［P］.2010 －08 －11.

［11］ 徐雙永，蘇睿.西秦嶺隧道TBM掘進同步襯砌技術［J］.現代隧道技術，2011，48(2):1 －4.(XU Shuangyong，SU Rui.Synchronized lining with TBM driving in West Qinling tunnel［J］.Modern Tunnelling Technology，2011，48(2):1 －4.(in Chinese))

［12］ 鄧勇，齊夢學.硬巖掘進機施工技術及工程實踐［M］.天津:天津大學出版社，2010:186.

［13］ 齊夢學，周雁領.水工隧洞開敞式TBM全斷面同步襯砌臺車: 中國，201120317466.6［P］.2012－07－04.