開敞式TBM隧道仰拱襯砌同步施工關鍵技術

楊建喜， 張 進， 李世民， 張 鐸

(1. 遼寧省水資源管理集團有限責任公司， 遼寧 沈陽 110003； 2. 沈陽城市建設學院， 遼寧 沈陽 110167；3. 中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650000)

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開敞式TBM隧道仰拱襯砌同步施工關鍵技術

楊建喜1， 張 進2， 李世民3， 張 鐸1

(1. 遼寧省水資源管理集團有限責任公司， 遼寧 沈陽 110003； 2. 沈陽城市建設學院， 遼寧 沈陽 110167；3. 中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650000)

為實現TBM掘進與仰拱襯砌同步施工，縮短工程關鍵線路工期，提高隧道施工效率，設計出雙通道仰拱同步襯砌臺車。臺車斷面為非對稱結構形式，以滿足TBM掘進施工及其相關配套設施的布置及運行。臺車采取“前斜坡段+前道岔段+4個標準段+后道岔段+后斜坡段”的布置方式，臺車下方劃分成多個作業面，具備仰拱混凝土澆筑準備、澆筑、養護等的功能；根據施工支洞距離長、坡度大以及TBM掘進段交通條件受限的特點，采用支洞輪式運輸和主洞有軌運輸的聯合運輸方式，保障物料運輸快捷有序； 臺車前后采用升降坡軌道搭接裝置，實現TBM配套標準軌道豎向搭接的平順過渡。工程實踐表明： 仰拱同步襯砌臺車應用效果較好，施工進度最大可達到648 m/月，在不影響TBM正常掘進的前提下可有效縮短關鍵線路工期。

開敞式TBM； 隧道； 仰拱襯砌； 襯砌臺車； 同步施工

0 引言

隨著我國長大隧道建設步伐的加快，在隧道施工中二次襯砌緊跟開挖、TBM掘進與二次模筑襯砌同步施工技術已成為隧道施工的發展趨勢[1]，襯砌同步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優勢，近年來成為隧道施工領域研究的熱點。根據襯砌工作面與隧道斷面的關系，將襯砌同步施工技術分為3類： 第1類是鐵路隧道中較常采用的仰拱預制塊同步鋪裝、邊頂拱襯砌現澆同步施工技術，一般適用于上表面為平面的仰拱，便于有軌運輸系統鋪軌； 第2類是全圓襯砌現澆同步施工技術； 第3類是仰拱襯砌現澆同步施工技術。3類襯砌同步施工技術主要應用情況見表1。第1類已成功應用在多個鐵路隧道工程中，技術較成熟； 后2類僅在水工隧洞中進行了嘗試。

表1 同步襯砌技術應用情況

針對水工隧洞，采用仰拱現澆同步施工相比預制塊同步鋪設有諸多優勢，文獻[4-5]從節省投資、保證質量、方便施工等方面進行了論述。TBM施工需在已掘進洞段同步延伸連續皮帶、大直徑風管、高壓電纜、供排水管道、TBM行走及物料運輸軌道，受隧道空間限制，全圓或邊頂拱襯砌與TBM掘進同步作業的干擾問題難以解決； 而仰拱襯砌占用空間小，便于施工布置，干擾問題較為容易解決，并且仰拱襯砌的完成可為后續邊頂拱襯砌施工創造有利的交通條件。水工隧洞結構不設置小邊墻，一般比鐵路隧道斷面小，底部不允許鋪設仰拱預制塊，只能施作現澆混凝土，仰拱同步施工的難度大。大伙房輸水工程采用的仰拱臺車實現了3.6 km仰拱同步襯砌，取得了成功應用，但是使用過程中仍存在諸多有待解決的問題[12]，如： 1)臺車前后坡軌長度大于100 m，臺車移動時前后坡軌處理工作量大； 2)前后坡軌拆除與安裝方式不合理，效率低； 3)臺車主體結構長度為48 m，每個施工循環為16 m，臺車移動頻繁，造成前后坡軌拆除與安裝工作量大； 4)臺車上常用材料擺放和施工人員作業空間不足； 5)仰拱澆筑時混凝土罐車占用單線運輸通道[13]，影響TBM正常掘進。浮放道岔增大了線路的坡度，在起吊、移動時需中斷交通，并且移動困難，列車過岔時速度慢、易掉道，嚴重制約臺車作業區列車的通行能力[14]。文獻[15]指出現澆仰拱同步襯砌施工需要解決的技術問題，包括洞內軌道布置、有軌運輸列車在同步襯砌區域不間斷通行、仰拱同步襯砌臺車自身結構和行走形式、混凝土澆筑方式、同步襯砌速度與TBM掘進速度匹配等問題。本文針對上述問題進行研究，設計出非對稱方形框架結構和雙通道方案解決同步施工的空間和交通干擾問題，采用升降坡軌道搭接裝置實現軌道的平順過渡和臺車的快速移動，構建仰拱襯砌同步施工技術體系，并結合施工應用過程中遇到的問題指出進一步改進的方向。

1 工程概況

遼寧省重點輸供水工程水源工程設計輸水流量77 m3/s，成洞洞徑7.3～8.5 m，多年平均輸水量16.24億m3，為全程有壓自流，最大壓力0.9 MPa。工程布置見圖1，由進水口、有壓隧洞、檢修豎井、調壓井、出口電站及供水支線組成，主洞全長99.98 km，沿線布設14條施工支洞和1條連通支洞，支洞總長24.36 km。主體共分為5個施工標段，采用以TBM為主、鉆爆法為輔的聯合施工方法。主洞鉆爆法施工段長度為31.48 km，占主體隧洞總長的31.5%； TBM施工段采用4臺TBM，劃分成8個掘進段，總長度為68.50 km，占主體隧洞總長的68.5%，開挖洞徑8.5 m。工程穿越的地形地貌主要為長白山南延龍崗山脈侵蝕斷褶中低山地形，整體山脈呈NE向延伸，山巒疊嶂，溝壑密布，山頂多為尖頂狀，植被發育。隧洞埋深較大，其中埋深超過600 m的占13%、超過300 m的占55%、超過100 m的占97.7%、小于50 m的僅占0.3%。

水源工程施工3標TBM掘進洞段長度為37.69 km，劃分成4個掘進段，采用2臺TBM(TBM1、TBM2)施工，開挖直徑為8.5 m。襯砌結構包括仰拱混凝土和邊頂拱混凝土，全洞段通長澆筑仰拱混凝土，最大厚度為0.93 m，頂面寬度為5.3 m。Ⅱ、Ⅲa類圍巖仰拱澆筑素混凝土(長度為28.25 km)，Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖澆筑仰拱和邊頂拱混凝土(長度為9.44 km)，襯砌分倉長度為12 m/倉。

圖1 遼寧省重點輸供水工程水源工程布置示意圖(單位： m)

2 仰拱襯砌同步施工關鍵技術

2.1 雙通道仰拱同步襯砌臺車結構設計

結合工程實際，采用雙通道仰拱同步襯砌臺車[16-17](簡稱仰拱臺車)施工。仰拱臺車結構設計見圖2，總長約132 m，主要包括行走軌道、襯砌臺架、岔道臺架、坡道臺車、動力機等，采取“前斜坡段+前道岔段+4個標準段+后道岔段+后斜坡段”的布置方式，前后升降坡段坡度為3°。

(a) 剖面圖

(b) 平面圖

1—標準段； 2—軌道布置； 3—行走輪組； 4—道岔段； 5—擋水板； 6—前斜坡段； 7—后斜坡段； 8—模板組； 9—驅動裝置； 10—道岔軌道布置； 11—2 t手動葫蘆。

圖2 雙通道仰拱同步襯砌臺車結構示意圖(單位： mm)

Fig. 2 Structure of dual channel synchronous inverted arch lining formework trolley (mm)

將仰拱臺車斷面設計為圖3所示的非對稱結構形式，以滿足TBM掘進施工及其相關配套設施的布置及運行，主要包括： 1)上側φ2.2 m風筒； 2)左側供排水管、供電系統、照明、通訊電纜； 3)右側連續皮帶機出渣系統； 4)臺車腹內實現有軌列車編組通行(編組最大長度60 m，滿載質量144 t)，滿足TBM掘進延伸材料及初期支護材料正常運輸，其中最大件為儲風筒，尺寸為8 m(長)×2.4 m(寬)×2.4 m(高)。長達132 m的結構可使仰拱臺車下方劃分為多個工作區，具備仰拱混凝土澆筑準備、澆筑、養護等的功能，具體包括清渣準備，排水、清倉、軌道移設，支高架拆除，綁扎鋼筋，混凝土澆筑，混凝土待凝、模板滑移停放，混凝土養護、軌道鋪設等。

仰拱臺車標準段底梁上安裝4條軌道實現雙向通行(見圖4(a))，前(后)道岔段實現雙軌并道(見圖4(b))，用布置雙通道的方案解決TBM掘進與仰拱混凝土澆筑同步施工過程中空間和交通干擾的問題。此外，方形框架結構形式為混凝土通過溜槽直接入倉提供了便利條件，相比泵送入倉方式，可減少泵車投入，提高施工效率。臺車行走軌道安裝在洞壁上，臺車上安裝驅動裝置和行走輪對，移動速度可達到3.52 m/min，為快速跟進提供了條件。仰拱臺車所受荷載通過臺車行走軌道及支座傳遞到洞壁，不會對混凝土作業區域產生干擾。臺車底梁距離仰拱底面1.51 m、仰拱混凝土上表面0.58 m，為電纜槽模板安裝，鋼筋綁扎，止水帶安裝，混凝土攤鋪、振搗、抹面、灑水養護等工序作業提供了足夠的空間，并且可以實現仰拱全幅一次性整體澆筑，避免施工縱縫的產生，有效保證混凝土質量。

1—照明、通訊電纜; 2—10 kV高壓電纜3×35 mm2; 3—20 kV高壓電纜3×90 mm2; 4—φ150 mm供水管; 5—φ150 mm排水管; 6—鋼支墩; 7—φ2 200 mm通風管; 8—風筒; 9—電動葫蘆梁; 10—混凝土運輸機車; 11—仰拱混凝土; 12—仰拱臺車; 13—出渣皮帶機。

圖3 雙通道仰拱同步襯砌臺車典型斷面圖(單位： mm)

Fig. 3 Cross-section of dual channel synchronous inverted arch lining formework treolley (mm)

2.2 物料運輸交通綜合規劃

本工程TBM單個掘進段最長為11.45 km，主洞平均埋深450 m、最大埋深1 100 m，最長施工支洞達到2.45 km，支洞最大坡度12.45%，施工支洞主支洞交叉口與支洞口高差最大達到245 m。因此，必須采用支洞輪式運輸和主洞有軌運輸的聯合運輸方式。在長距離、大坡度的施工支洞內規劃為輪式運輸，在TBM組裝間、服務區和通過段區域內設置四軌雙線(見圖5)，在TBM掘進段內設置雙軌單線并利用仰拱臺車雙通道實現主洞內錯車，通過組裝間的橋機或檢修間的門機實現輪式運輸材料暫時儲存或中間產品的轉運。同時，將擴大洞室區段的軌道設置為嵌入式軌道，實現輪胎式車輛與有軌運輸車輛的交叉運輸作業。在仰拱混凝土澆筑過程中采用“1(內燃牽引機車)+3(臥式混凝土罐車)”的編組模式，有效保證了混凝土的運力和運速。混凝土運輸罐車和內燃牽引機車分別為HNJ60A/B型6 m3臥式混凝土攪拌罐車和NRQ25型牽引機車。

(a) 標準段

(b) 道岔段

圖5 軌道運輸布置示意圖

2.3 升降坡軌道平順過渡

為實現有軌運輸列車雙通道行駛的錯車要求和提供仰拱混凝土澆筑作業面，將仰拱臺車置于距離仰拱底面1.49 m、軌間距為5.87 m的臺車行走軌道上，仰拱臺車前后升降坡段軌道與TBM配套標準軌道存在豎向搭接問題，如果按照已有的方法處理，存在前后坡軌安拆效率低、列車運行易出現降速和掉道的問題。本工程采用的升降坡軌道搭接裝置[18](見圖6)由楔形扁鋼軌道、門型連接鋼板、限位螺栓組成，2根楔形扁鋼軌道對稱布置在連接鋼板上，與TBM配套單線標準軌同距，2根槽鋼布置在TBM單線標準軌外側與門型鋼板焊接，并在槽鋼前后設置4個限位孔(限位孔焊接限位螺栓螺帽)，采用4根高強螺栓限位固定。該裝置能有效保證軌道的平順過渡，實現編組列車安全、高效地穿越仰拱臺車，避免編組列車升降坡時發生掉道事故； 同時，臺車移動前無需將前斜坡段前端或后斜坡段后端吊起，縮短了臺車走行的準備時間，實現臺車快速移動。

3 仰拱襯砌同步施工應用

3.1 施工工藝與強度分析

為提高仰拱臺車的同步施工效率，實施中對施工工藝進行優化。將仰拱臺車標準段下方劃分為5個施工段，每個施工段長 12 m，作為1個倉位，按跳倉澆筑的順序進行施工(見圖7)，完成后仰拱臺車走行60 m，進行下一循環5個施工段的施工。

圖6 升降坡軌道搭接裝置(單位： mm)

每個施工段劃分成7個施工工序，施工工藝流程見圖8，依次為軌道軌枕拆除、基巖面清理、鋼筋止水模板安裝、混凝土澆筑、養護及模板拆除、軌道鋪設、臺車行走。每個施工段根據各工序完成的時間和施工順序組織流水施工，施工進度安排見圖9。

圖7 仰拱臺車標準段下方倉位布置示意圖

圖8 仰拱襯砌同步施工工藝流程

以Ⅱ、Ⅲa類圍巖仰拱襯砌為例，每循環施工持續總時間為55.5 h。

圖9 仰拱襯砌同步施工進度橫道圖

Fig. 9 Progress chart of synchronous inverted arch lining construction

按每月25個工作日測算，仰拱臺車在各類圍巖條件下的施工月強度見表2。需要說明的是，在實施過程中隨著施工人員操作逐步熟練和工序銜接趨于合理緊湊，施工強度指標仍有提升的空間。

3.2 施工應用效果

仰拱臺車在施工現場應用情況見圖10。截至2017年1月25日，施工3標仰拱襯砌同步施工17.9 km，預計至2臺TBM掘進貫通時可完成仰拱同步施工約22 km，占仰拱襯砌總長度的58.4%。從施工效率上看，經過第1掘進段設備的磨合改進以及施工人員熟練程度的提高，2臺仰拱臺車在第2掘進段平均月進尺達到398 m和448 m(見表3)，最高月進尺達到648 m，基本可以實現仰拱襯砌同步跟進施工。

表2 仰拱襯砌同步施工強度分析表

m

注： TBM1-1貫通時間為2015-02-27，仰拱同步施工結束時間為2015-02-10； TBM2-1貫通時間為2016-01-14，仰拱同步施工結束時間為2015-11-11。

與采用TBM(TBM3、TBM4)貫通后先完成仰拱澆筑再進行邊頂拱襯砌施工的4標進行對比，結果見表4，可知仰拱襯砌同步施工可大幅提前邊頂拱襯砌啟動時間(由于仍在施工中，表中部分時間節點根據施工進展情況預估)。仰拱襯砌跟進TBM掘進同步施工，使得TBM貫通至邊頂拱襯砌開始施工的時間間隔縮短，該時間間隔越小，對縮短工期的貢獻越大，即仰拱同步施工的效果越顯著，對壓縮關鍵線路工期的作用越大。

針對關鍵線路TBM2-2段，若采用貫通后先仰拱后邊頂拱方案，貫通后進行設備拆機、軌道拆除、仰拱面清理、襯砌施工準備需占用直線工期5個月,考慮2個作業面同時進行仰拱澆筑，平均月強度為1 100 m，仰拱施工工期為8個月，該方案TBM貫通至邊頂拱襯砌啟動的時間間隔為13個月; 采用仰拱襯砌緊跟TBM掘進同步施工方案，預計貫通時仰拱剩余800 m，考慮拆機影響，單個工作面施工，2個月可完成剩余仰拱施工。仰拱臺車的使用可以縮短關鍵線路工期約11個月。

綜上，仰拱臺車的應用實現了TBM正常掘進與仰拱混凝土同步快速施工，提高了隧洞綜合施工效率和現澆混凝土質量，改善了施工環境，為后期邊頂拱襯砌多工作面交叉施工創造了條件，縮短了關鍵線路施工工期，降低了工程綜合修建成本。

表4 邊頂拱襯砌啟動時間統計表

4 需進一步解決的問題

4.1 移動式滑模使用效果不佳

原設計在仰拱臺車下方安裝移動式滑模，以實現混凝土攤鋪整平功能，模板長度為3 020 mm、寬度為700 mm。滑模由安裝在臺車下部的行走裝置、卷揚機提供行走動力，模板由2組行走輪和4根單行絲桿支撐抵抗混凝土向上的浮托力。滑軌為固定在臺車標準段桁架結構下方的Ⅰ16橫梁上，滑動模板通過4根可調節絲桿及滾輪與滑軌連接， 3 t卷揚機提供滑模行走的牽引力。混凝土澆筑前安裝好模板滑行到起始端，調節好高度使其剛好接觸預留槽模板頂面，混凝土一邊澆筑一邊用3 t卷揚機牽引滑模移動。

在工程實踐中，由于TBM物料運輸車輛和仰拱混凝土運行車輛通行頻繁，通行車輛為列車編組，包括質量為25 t的內燃機車、15.8 t的臥式混凝土6 m3運輸罐車、材料運輸平板車等，列車編組行駛時由于靜荷載和動荷載組合，仰拱臺車橫向大梁結構出現了5～10 mm撓度，原設計的仰拱頂面移動式滑模未能成功應用，改為人工作業。

4.2 主動輪摩擦力不足

仰拱臺車在前后端的道岔段上共設置4套驅動裝置，采用鏈輪傳動，主動輪直徑為250 mm，行走速度為3.52 m/min。臺車總長度達到132 m，總質量約132 t，由驅動裝置傳動主動輪，依靠主動輪與軌道間的摩擦力驅動臺車走行。在使用過程中主動輪出現打滑空轉現象，原因是主動輪與軌道間的摩擦力不足以帶動仰拱臺車，需要在道岔段增加配重(一般采用停放內燃機車的方式)來解決該問題。

4.3 在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中仰拱臺車與施工面存在干擾

1)開敞式TBM隧道掘進施工中，不良地質段采取“鋼筋排+鋼拱架+錨噴支護”的聯合支護措施，Ⅳ、Ⅴ類圍巖安裝全環HW150型鋼拱架，厚度150 mm，設計階段未充分考慮仰拱臺車的行走軌道(文獻[16]中有示意圖)鋪設與鋼拱架的沖突，施工時需要將鋼拱架切斷開口以便于軌道鋪設，臺車通行之后再進行恢復。2)Ⅳ、Ⅴ類圍巖仰拱和邊頂拱襯砌結構布置雙層鋼筋，最大鋼筋直徑達到32 mm，仰拱先行澆筑，雙層鋼筋接頭外露仰拱頂面1～2 m，與驅動裝置的傳動鏈條存在空間沖突，需要在仰拱澆筑前后加以處理。這2個問題可通過抬高軌道支座的方式加以解決，通過計算與模擬，將仰拱臺車軌道支座抬高150 mm，即可不影響仰拱臺車通行。

4.4 出渣皮帶接力驅動影響

本工程TBM2-1段和TBM1-2段采用在掘進過程中設置出渣皮帶接力驅動的方案，2#仰拱臺車在TBM2-1段進行襯砌同步跟進施工時未充分考慮接力驅動(在掘進5 672 m處安裝)的影響，無法通過接力驅動繼續進行仰拱同步施工； 1#仰拱臺車在TBM1-2段中汲取了教訓，加強施工組織，目前正緊跟TBM掘進同步進行仰拱施工，按計劃將在接力驅動安裝前完成相應位置的仰拱施工，繼續實現后續的仰拱襯砌同步施工。建議后續研究中縝密考慮仰拱臺車運行的邊界條件，提前謀劃施工組織，充分發揮仰拱臺車同步施工的效能。

5 結論與建議

雙通道仰拱臺車解決了現澆仰拱同步襯砌施工面臨的技術難題： 1)采用非對稱方形框架結構設計，避讓與TBM施工同步延伸的連續皮帶、大直徑風管、高壓電纜、供排水管道等設施； 2)仰拱臺車腹內雙通道設計滿足TBM施工所需有軌運輸車輛不間斷通行，解決了TBM施工與仰拱襯砌的空間和交通干擾問題； 3)仰拱臺車下方空間組織流水施工，效率得以提升； 4)仰拱臺車走行軌道緊貼巖壁布置，與列車走行軌道互不干擾，便于開展軌道拆除和安裝工作； 5)升降坡軌道搭接裝置實現軌道平順過渡，提高了列車通行和臺車移動速度； 6)結合施工支洞長、隧洞坡度大、運輸距離長的特點，采用輪式運輸與有軌運輸相結合的方式，保障物料運輸有序、快捷。

雖然雙通道仰拱臺車在遼寧省重點輸供水工程中取得了較好的應用效果，但使用過程中也發現了一些問題，建議在類似工程推廣應用時，結合工程的實際特點，統籌規劃，并研究改進，以便更好地實現仰拱襯砌同步施工。

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Key Technologies for Synchronous Construction of Inverted Arch Lining of Tunnel Bored by Open TBM

YANG Jianxi1, ZHANG Jin2, LI Shimin3, ZHANG Duo1

(1.LiaoningProvinceWaterResourcesManagementGroupCo.,Ltd.,Shenyang110003,Liaoning,China;2.ShenyangUrbanConstructionUniversity,Shenyang110167,Liaoning,China;3.SinohydroBureau14Co.,Ltd.,Kunming650000,Yunnan,China)

In order to implement the synchronous construction of TBM tunneling and inverted arch lining, shorten the critical period of the project and improve the efficiency of tunnel construction, the synchronous lining formework trolley with asymmetrical structural type is designed. The layout mode of “frontal slope section + frontal switch section + 4 standard sections + rear slope section + rear switch section” is adopted for formework trolley. The lower part of the formework trolley is divided into many parts which can provide inverted arch concrete mixing, casting and curing. In accordance with long distance and large slope angle of branch tunnel and limited traffic conditions in TBM section, the connected material transport method of vehicle transport in branch tunnel and track transport in main tunnel is adopted to guarantee the rapid and ordered material transport. A track connecting device for slope lifting is set in front of and behind formework trolley respectively to ensure the smooth transition of vertical connection of standard track of TBM matching. It is shown that the application of formework trolley has reached a good effect, a maximum monthly advance has reached 648 m, and critical period of the project had been shortened.

open TBM; tunnel; invert arch lining; lining formwork trolley; synchronous construction

2017-02-07;

2017-03-24

遼寧省水利廳科技指導性計劃項目(2016-05)

楊建喜(1985—)，男，福建仙游人，2011年畢業于大連理工大學，土木工程管理專業，碩士，工程師，現主要從事水利工程建設管理和技術管理工作。E-mail： jxyang@foxmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.015

U 45

B

1672-741X(2017)05-0622-08