引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠TBM機(jī)施工脫困及拆卸技術(shù)研究

馬福印，羅伯特·利維納尼，杜喜龍

(1.青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)管理局，西寧 810000；2.意大利CMC公司引大濟(jì)湟工程項目部，西寧 810000)

0 引 言

TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))是一種集鉆、掘進(jìn)、支護(hù)(襯砌)、通風(fēng)除塵及鋪設(shè)軌線于一體，使用電子、信息、遙測、遙控等高新技術(shù)對全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控的大型隧道施工機(jī)械設(shè)備。在國際上，歐美將全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)統(tǒng)稱為TBM，日本則一般統(tǒng)稱為盾構(gòu)機(jī)，細(xì)分可稱為硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)和軟地層隧道掘進(jìn)機(jī)[1]。而我國則一般習(xí)慣將硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)稱為TBM，將軟地層掘進(jìn)機(jī)稱為盾構(gòu)機(jī)。由于TBM掘進(jìn)機(jī)體積大，只能前進(jìn)不能后退，所以掘進(jìn)完成之后，只能在貫通面選擇較好的地段進(jìn)行拆卸工作，并且必須選擇貫通面附近圍巖較好，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、有足夠空間的地段[2]。引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠隧洞工程全長24.17 km，采用兩臺雙護(hù)盾全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)雙向掘進(jìn)。隧洞進(jìn)口段3 025 m采用鉆爆法施工，采用NFM-TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)13 km，TBM施工段采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，每環(huán)4塊，管片外徑5.52 m，內(nèi)徑4.96 m，寬1.6 m，蜂窩狀拼裝；出口段采用鉆爆法施工263 m，采用WIRTH-TBM掘進(jìn)機(jī)施工7.9 km，TBM施工洞段采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，每環(huán)6塊，管片外徑5.7 m，內(nèi)徑5 m，寬1.5 m，采用錯縫拼裝。

工程地處平均海拔3 000 m的高寒干旱地區(qū)，隧洞沿線處于超大埋深地段，斷裂構(gòu)造發(fā)育、地應(yīng)力極高，施工環(huán)境十分惡劣。工程建設(shè)者們克服了高海拔、大埋深、大斷層、泥石流、瓦斯等諸多世界難題。調(diào)水總干渠建前工程于2004年8月底開工，2006年10月引水隧洞出口側(cè)TBM正式開始掘進(jìn)。截至目前，引水樞紐泄洪沖砂閘、溢流壩、進(jìn)水閘、魚道和引水樞紐金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備及安裝已全部完成。本文結(jié)合工程實際遇到的問題總結(jié)分析調(diào)水總干渠在施工中遇到的困難和脫困技術(shù)，提出了一種非常規(guī)的拆卸TBM的方法，能夠有效節(jié)約時間。

1 工程概述

引大濟(jì)湟工程是從水量相對豐富的大通河引水至湟水干流地區(qū)的一項大型綜合水利工程，主要任務(wù)是解決湟水干流地區(qū)城鎮(zhèn)生活、生態(tài)、工業(yè)、農(nóng)林牧業(yè)用水問題。工程主要由“一總、兩庫、三干渠”組成，即調(diào)水總干渠、石頭峽水庫、黑泉水庫、北干一期、北干二期和西干渠。如圖1是引大濟(jì)湟的工程規(guī)劃示意圖，工程估算總投資141.82 億元。

圖1 引大濟(jì)湟工程規(guī)劃示意圖Fig.1 Yindajihuang project planning diagram

引大濟(jì)湟作為我省的一號水利工程，受到歷屆省委省政府的高度重視，早在20世紀(jì)50年代就根據(jù)湟水干流地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提出了引大濟(jì)湟調(diào)水工程設(shè)想。經(jīng)過幾十年、幾代人的勘察、論證和科學(xué)比選，形成了引大濟(jì)湟總體工程體系。工程全面建成后，可實現(xiàn)年調(diào)水7.5 億m3的目標(biāo)，將有效緩解湟水干流地區(qū)水資源日益短缺的矛盾。解決以西寧為中心的東部城市群300萬人的飲水安全，為百萬畝農(nóng)林灌溉提供水源，滿足湟水干流內(nèi)工業(yè)園區(qū)、東部百里長廊特色、現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)用水需求，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、改善民生和群眾實現(xiàn)脫貧提供水利支撐。

1.1 調(diào)水總干渠遇到的工程難題

調(diào)水總干渠工程引水隧洞長24.17 km，最大埋深達(dá)1 028 m，沿線巖性種類多，地層接觸關(guān)系復(fù)雜，隧洞區(qū)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，通過多條規(guī)模較大的區(qū)域性斷裂構(gòu)造，斷層帶最大寬度超過千米。主要分布的泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、頁巖和煤系地層等軟弱巖體在圍壓作用下產(chǎn)生塑性變形，堅硬巖層可能產(chǎn)生巖爆等問題。部分洞段存在高地應(yīng)力、涌水、泥石流、坍塌、偏壓、沉降變形、有害氣體等不良地質(zhì)問題。2008年4月，TBM掘進(jìn)進(jìn)入達(dá)坂山南緣斷裂帶(F5、F4斷層組)。該段隧洞埋深690～830 m，該段處于大坂山南緣斷裂帶中，斷層帶巖石主要為碎裂巖角礫巖、糜棱巖等，巖石劈理化現(xiàn)象嚴(yán)重，母巖為加里東期侵入巖及志留系地層。侵入巖為石英閃長巖。志留系地層主要有礫巖，次為泥巖。受構(gòu)造影響巖體破碎。石英閃長巖有蝕變現(xiàn)象，局部呈泥狀。礫巖成分主要為長石石英砂巖，受斷層影響，蝕變現(xiàn)象嚴(yán)重，巖石呈輕度-重度高嶺土化蝕變，強(qiáng)度極低，為極軟巖。物探視電阻率剖面中該段與下元古界分界明顯，樁號K17+094～K17+192為相對低阻帶，正處于大坂山南緣斷裂帶(F5)部位，視電阻率等值線近于直立。地表露頭中大坂山南緣斷層帶主要由黃色碎裂巖、劈理化巖石與一系列小型斷面組成，為壓扭性斷裂，且沿斷層帶尤其是南盤有泉群出露。如圖2為該段隧洞的地址剖面圖，由于TBM處于F4與F5斷層交匯處，地應(yīng)力極高(最大水平主應(yīng)力22.3兆帕)，開挖過程中，圍巖變形量增大，且速率快，塌方嚴(yán)重，并有泥水混合物流出，掌子面發(fā)生嚴(yán)重塌方，導(dǎo)致TBM頻繁發(fā)生卡機(jī)，極高地應(yīng)力頻繁引起圍巖快速塑性變形，導(dǎo)致TBM主機(jī)整體被塌方體完全抱死累計達(dá)12次之多，使TBM在出口側(cè)K16+762處被嚴(yán)重卡機(jī)。同時，此段圍巖存在極大的偏壓，導(dǎo)致人工處理過程中極易發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)。經(jīng)組織國內(nèi)專家多次論證評價，一致認(rèn)為該隧洞工程的地質(zhì)條件復(fù)雜程度和施工難度在國內(nèi)外已建和在建的TBM施工水工隧洞項目中十分罕見，也無可借鑒的成功經(jīng)驗。受極為特殊和極不良地質(zhì)條件的影響，曾先后采取了多種措施，但出口側(cè)維爾特TBM卡機(jī)脫困問題未得到根本解決，工程進(jìn)展舉步維艱。由于TBM進(jìn)入斷層后多次被卡，歷時4年多，期間也僅艱難掘進(jìn)365m。為徹底擺脫這一困局，對原施工方案做出重大調(diào)整，即在進(jìn)口側(cè)新增一臺TBM，將單向掘進(jìn)改為雙向掘進(jìn)，同時對出口被卡TBM進(jìn)行徹底脫困和升級改造。

圖2 F4、F5段地質(zhì)剖面圖Fig.2 the geological profile of F4、F5

1.2 TBM掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)及脫困處理

1.2.1 TBM卡機(jī)原因

不良地質(zhì)洞段掘進(jìn)，極高地應(yīng)力頻繁引起圍巖快速塑性變形，是引起調(diào)水總干渠TBM卡機(jī)的主要原因，圍巖收斂與時間有很大關(guān)系，包括災(zāi)害等級和發(fā)展時間，有可能出現(xiàn)以下3種情況：

(1)圍巖收斂率處于一個極限值，比如TBM護(hù)盾和隧洞表面保持最小值，而TBM能通過常規(guī)操作繼續(xù)掘進(jìn)。

(2)圍巖收斂發(fā)展速度快過TBM掘進(jìn)速度，所以圍巖壓力小于TBM復(fù)位或掘進(jìn)時的推力，但TBM仍然能掘進(jìn)。

(3)由于異常收斂率，圍巖作用于TBM護(hù)盾上的壓力超出TBM主推油缸或輔推油缸的推力，TBM發(fā)生卡機(jī)。

1.2.2 防止卡機(jī)措施

為防止TBM卡機(jī)可根據(jù)圍巖收斂率，采取綜合措施和方案：①TBM應(yīng)盡可能地少停機(jī)，并減少其他可能影響TBM掘進(jìn)的隧洞操作(包括TBM日常維修)；②TBM掘進(jìn)行程可縮減30 cm以增加TBM護(hù)盾復(fù)位的頻率，總掘進(jìn)行程保持不變；③在掘進(jìn)過程中，伸縮盾檢查孔或伸縮盾本身保持打開狀態(tài)，從而使得渣土流出。

1.2.3 TBM 脫困處理

當(dāng)TBM將被卡住時，仍可嘗試借助主推油缸和輔推油缸的較高壓力使得渣土流出。在大多數(shù)情況下，TBM能否順利通過圍巖收斂洞段取決于TBM設(shè)備的技術(shù)規(guī)格以及TBM操作團(tuán)隊的技術(shù)，但是仍存在一種巖石變形可導(dǎo)致TBM卡機(jī)。不同的地質(zhì)情況，TBM周圍人工開挖量和開挖范圍是不同的。根據(jù)圍巖條件，可能僅需在伸縮盾和撐緊盾周圍開挖幾立方米(需要停機(jī)數(shù)天)，也可能需要將整個TBM設(shè)備上方挖空(需要停機(jī)7～10 d)。目前根據(jù)國內(nèi)隧洞類似施工現(xiàn)場經(jīng)驗，總結(jié)脫困辦法有：側(cè)導(dǎo)坑法、超前化學(xué)灌漿法、輔助坑道法、設(shè)備技術(shù)改造法、設(shè)備后退法等[3-4]。其中，引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠在第一次卡機(jī)時采用了側(cè)導(dǎo)坑法，并成功脫困；在第六次卡機(jī)時采用了輔助坑道法，并成功脫困。

2 TBM掘進(jìn)機(jī)拆卸過程

2.1 拆卸流程

TBM掘進(jìn)機(jī)是一種掘進(jìn)速度快、利于環(huán)保、綜合效益高的隧洞開挖施工設(shè)備，其因具有龐大的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，故拆卸施工過程比較復(fù)雜[5]，引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠工程采用德國WIRTH-TBM和NFM-TBM機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：TBM機(jī)主軸承、14個主推力油缸、19個輔助推力油缸、7套主電機(jī)及馬達(dá)、伸縮護(hù)盾、支撐護(hù)盾、尾盾、支撐油缸、設(shè)備橋、管片安裝機(jī)、一、二號皮帶機(jī)、管片吊機(jī)、管片儲存器、機(jī)械設(shè)備、電氣系統(tǒng)、后配套輔助等，兩臺掘進(jìn)機(jī)的主要拆卸流程如圖3。

圖3 兩臺掘進(jìn)機(jī)的主要拆卸流程圖Fig.3 Ttwo machine main flow chart of disassembly

2.2 拆卸過程與討論

當(dāng)兩臺TBM掘進(jìn)機(jī)至貫通前31 m，只安裝底管片。貫通后，兩臺TBM均向后撤19 m，在盾體外層焊縫對應(yīng)位置開了3個小導(dǎo)洞，便于施工人員沿著原來的焊縫進(jìn)行盾體切割，兩側(cè)小導(dǎo)洞約1.5 m×1.5 m×38 m，頂部小導(dǎo)洞則約2 m×2 m×38 m，其中19 m用于維爾特TBM的拆卸施工，剩余19 m用于NFM-TBM的拆卸施工。

爆破分兩步走，第一步每邊先爆破9.5 m，第二步再完成剩余部分。小導(dǎo)洞的爆破按照先兩側(cè)小洞后頂部小洞的順序進(jìn)行。第二步爆破前，兩臺TBM將分別徐徐前進(jìn)9.5 m，對爆破產(chǎn)生的渣料進(jìn)行處理，然后都再后撤1.5～2 m，進(jìn)行第二輪爆破以完成小導(dǎo)洞的開挖，兩臺TBM再分別緩慢前進(jìn)清渣，圖4為兩輪爆破過程，圖5為第二次爆破。

圖5 第二輪爆破過程圖Fig.5 Second round blasting process diagram

第二輪爆破前，維爾特和NFM先進(jìn)行清渣，同時為了保護(hù)刀盤，需要后撤刀盤。

在維爾特-TBM和NFM-TBM結(jié)束清渣后，兩臺TBM的刀盤相對，為可以在刀盤前施工，NFM-TBM將后撤以騰出空間。因此，NFM可以轉(zhuǎn)動刀盤，直至刀盤上下部間的連線呈水平狀后，開始沿著刀盤上下部分間的焊縫連接線進(jìn)行切割作業(yè)，將刀盤分為上下兩部分。切割完成后，為穩(wěn)定刀盤部分，用HW200×200鋼支撐梁，把維爾特和NFM的刀盤焊接起來，如圖6，圖7。

圖6 維爾特和NFM-TBM的刀盤焊接局部圖Fig.6 The Cutter plate welding of Wirth and NFM- TBM

先去掉NFM刀盤上的螺栓，NFM-TBM后撤留出刀盤背面的空間，供施工人員從NFM刀盤背面切割焊縫，如圖7。完畢后，在擰上NFM刀盤上半部分的連接栓，去掉之前連接兩臺TBM刀盤上半部分的鋼支撐梁，NFM-TBM向后撤約2m左右。因為此時刀盤上半部分仍可連接在NFM-TBM上，而下半部分則保持原位，所以只有上半部分可以后撤2 m，旋轉(zhuǎn)180°后，就可以放在地上了，去掉上半部分與TBM的連接螺栓，這樣上下兩部分就可以立在一起，而不會倒[6]，如圖6。

圖7 后撤與NFM-TBM連接的刀盤上半部分后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Fig.7 Retreat cutter head upper part connected with TBM (NFM) - after rotation

固定好拆卸的刀盤部分后，NFM-TBM后撤，自此就可以開始外部焊縫的切割及盾體螺栓件的拆除，如圖8。把刀盤上下兩部分再各切分兩塊，這樣刀盤就被分成了四部分，這是為了移出洞時，便于運輸和放置在平板車上。切割盾體外層時，也要拆除盾體內(nèi)表面上的連接螺栓。同時，還需要拆除下列部分：①拆除排水系統(tǒng)，因為貫通后，水會自動從進(jìn)口流向出口。②拆除通風(fēng)系統(tǒng)，因為貫通后，空氣會在進(jìn)出口間自由流通。拆除道岔，運出洞外。拆除20 kV電纜，由維爾特TBM直接為其提供電源供應(yīng)。用氣槍去螺栓，如果太費力，另一名工人可以直接把螺栓切割下來，以加快螺栓拆除。由于這些螺栓已經(jīng)用過，已有內(nèi)部應(yīng)力，所以也不可能再重新使用了[7]。

圖8 螺栓件的拆除Fig.8 Bolts of demolition

為方便拆卸施工，將安裝2臺提升機(jī)，提升機(jī)連接2根Φ32的6m錨桿固定的一塊鋼板上，錨桿內(nèi)注入巴斯夫聚氨酯，每根錨桿要進(jìn)行拉伸試驗，以保證其性能。

斷開后配套與刀盤間的所有連接，后配套和管片存儲器就可以移出洞，先移后配套，再移管片存儲器。管片存儲器之后，一號皮帶輸送機(jī)移出洞，后配套用已有洞內(nèi)軌道滑行出洞，渣斗也可以隨火車頭一個個出洞，移走管片存儲器需要借助提升機(jī)，起吊到平板車車上運出洞，在管片存儲器空出的位置，如果管片未安裝至盾體附近，就用一種穩(wěn)固材料，做為軌道的枕木基底，這樣就可以通過平板車靠近盾體，從而縮短拆卸時間，在后配套拆卸施工的同時，其他拆卸作業(yè)也可以同步進(jìn)行，如油缸，起拆卸施工用提升機(jī)，提升機(jī)固定到一塊由2根6 m錨桿錨固的鋼板上，錨桿內(nèi)注入巴斯夫聚氨酯。

拆除輔助油缸(供14臺，每個2.7 t)需要借助提升機(jī)，從其底座起吊至平板車上。拆除拖缸，松下螺栓后，仍使用提升機(jī)吊到平板車上。拖缸拆除前，提升機(jī)要先接到鏈接橋末端，否則，拖缸移走后，可能會發(fā)生晃動變形。

拆卸管片安裝器，首先，打開管片安裝器的油缸，直至其能到達(dá)下方的平板車，平板車的管片安裝器要連到一起形成一個整體系統(tǒng)，再去掉連接橋舊部分和連接橋洞的螺栓，期間提升機(jī)需要穩(wěn)住連接橋，防止晃動。用于本操作的平板車為特制平板車，TBM組裝期曾用它運送組裝件。之后，就可以切割尾盾，裝到平板車上運出洞。

盾體已從外部切割，內(nèi)部螺栓已去除，支撐盾(每個3.2 t)，先拆掉其制停裝置及制停墊。支撐盾由三塊組成(右側(cè)部分、左側(cè)部分和下底部分)，拆卸支撐盾需要借助來自主推力油缸的推力。由維爾特為主推力油缸提供電源，液壓部分的電源則來自移動液壓開關(guān)。主推力油缸最大可打開至1.7 m，而支撐盾長4.53 m。為拆掉支撐盾部分，每個行程結(jié)束后，用墊塊頂住主推力油缸，拆除支撐盾需要導(dǎo)軌進(jìn)行支撐引導(dǎo)，導(dǎo)軌由HW 200×200的型鋼制成，與固定于巖石錨桿上C型鋼連接。導(dǎo)軌要放在待拆除部分的底部和側(cè)邊，開始拆除操作前，在支撐盾外表面上焊上掛鉤，連接提升機(jī)，支撐盾體的重量。提升機(jī)置于頂部小洞，固定到一塊由2根錨桿錨固的鋼板上。

只有完成上述所有步驟后，才可以開始拆除施工作業(yè)。當(dāng)盾體部分從其底座取出時，用提升機(jī)進(jìn)行起吊旋轉(zhuǎn)，找到合適位置放在平板車上固定好運出洞，該程序需要從右到左的進(jìn)行。下底部分的拆除，因為掛鉤需要焊接在盾體內(nèi)表面，所以操作略為簡單，提升機(jī)連到掛鉤上就可以進(jìn)行起吊旋轉(zhuǎn)，放置在平板車上，支撐盾具體拆卸操作步驟見圖9，圖10。

圖9 支撐盾右側(cè)部分拆卸步驟過程圖Fig.9 Support shield on the right side of partial disassembly steps process figure

圖10 支撐盾左側(cè)和下底部分過程圖Fig.10 Support under the shield to the left and bottom part of the process figure

圖11 支撐盾右側(cè)部分旋轉(zhuǎn)步驟Fig.11 Support shield right hand side rotating steps

圖12 扭矩梁細(xì)節(jié)圖Fig.12 Torque beam detail

扭矩梁的拆除，如圖12，需要先去螺栓，切割焊接部分，再借助提升機(jī)起吊至平板車運出洞如圖13，主推力油缸的拆除，需要先去螺栓，再從底座內(nèi)取出油缸，放在平板車上?？偣?0個主推力油缸，每個2.6 t重。拆除主推力油缸的同時，可以開始伸縮內(nèi)盾的拆除作業(yè)。先把鋼索一端接到內(nèi)盾上，另一端接小火車，將伸縮內(nèi)盾從伸縮外盾里拉出。伸縮內(nèi)盾由2塊構(gòu)成，上下部分僅用螺栓連接，需要先去螺栓。由于這兩塊放在平板車上都還是太大，所以為方便運出，伸縮盾需要分3個點進(jìn)行切割，這樣就共分成5部分。用提升機(jī)起吊至平板車上放下，運出洞外。伸縮外盾則可以切割為多塊，用平板車運出洞外。

用氣槍去螺栓，如果太費力，另一名工人可以直接把螺栓切割下來，以加快螺栓拆除。由于這些螺栓已經(jīng)用過，已有內(nèi)部應(yīng)力，所以也不可能再重新使用了。

主傳動單元的拆卸，如圖4，先把主傳動上的7臺電動機(jī)和減速機(jī)的螺栓去掉，從其底座內(nèi)取出，放在平板車上。塞好空出的孔位，防止進(jìn)灰。在主傳動后放個千斤

圖13 扭矩梁借助提升機(jī)調(diào)至平板車Fig.13 Torque beam with the aid of elevator to flat car

圖14 主傳動細(xì)節(jié)Fig.14 Main drive details

頂，在HW200×200的導(dǎo)軌上頂住主傳動。取出主傳動后，借助提升機(jī)起吊旋轉(zhuǎn)，找到合適位置放在平板車上，運出洞外。

3 結(jié) 語

TBM在我國隧洞施工中應(yīng)用前景十分廣泛，TBM能夠連續(xù)掘進(jìn)，減少停機(jī)時間，預(yù)防卡機(jī)對于現(xiàn)代隧洞施工有著重大意義，不良地質(zhì)段TBM很容易造成卡機(jī)和停滯不前，脫困技術(shù)和拆卸技術(shù)的研究應(yīng)用對于更好的使用TBM奠定堅實的基礎(chǔ)。引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠工程貫通后對兩臺TBM的拆卸工作進(jìn)行的詳細(xì)周密的布置和設(shè)計，確保了TBM機(jī)器的順利拆卸。此種拆卸方法唯一不足之處是必須將伸縮護(hù)盾內(nèi)盾、伸縮護(hù)盾外盾和尾盾進(jìn)行破壞性拆除。國內(nèi)外的隧洞施工較多，應(yīng)用的TBM機(jī)和地質(zhì)條件種類各種各樣，如果能結(jié)合TBM機(jī)的使用規(guī)律，預(yù)先改善地質(zhì)條件，并且能夠?qū)BM系統(tǒng)的和地質(zhì)圍巖變形條件結(jié)合起來研究，可能會更好的解決TBM在施工中遇到的問題。

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