TBM隧洞施工長距離出渣問題研究

王 新，劉波波

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著地下工程施工技術、TBM設備的不斷發展，TBM被越來越多地應用于隧洞施工特別是超長隧洞施工中。TBM施工中，出渣問題是制約施工進度、影響洞內施工工藝選擇的關鍵問題之一。目前，與TBM相配套的出渣方式，仍基本沿用洞內有軌運輸和洞外汽車轉載的傳統方法。其中連續皮帶機出渣技術日趨成熟，已在TBM中得到了廣泛的應用，連續皮帶機出渣方式已成為長運距、大運量的隧道施工的主要出渣方式，在高效的TBM隧道施工中起到了關鍵作用。

近年來，許多學者結合工程實際，對于皮帶機出渣技術在TBM施工中的應用展開了廣泛研究[1-5]。胡景軍[6]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM施工段為例，進行兩階段棄渣設計，從每階段的洞內出渣、洞外運渣、設置洞外分渣器的經濟評價等方面，對TBM皮帶出渣技術進行了綜合研究。曹曉平[7]以東北某引水工程主洞TBM施工段為例，針對連續皮帶機出渣系統的延伸技術、控制系統、快速收放等關鍵技術方面入手，對各方面的技術革新進行了研究論述。齊夢學等[8]以蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM施工段為研究對象，從設備采購成本及配置、運行成本、維修保養成本、對進度的影響等方面，綜合對比分析了連續膠帶機出渣和有軌運輸出渣2種方式的優劣，凸顯了選擇連續膠帶機出渣的優點。段少國[9]依托錦屏二級水電站引水隧洞工程TBM掘進段，研究了適合于高地應力下特大斷面TBM施工的轉渣系統，并給出了相應的開挖支護方案及技術參數，取得了很好的應用效果。

本工程TBM施工段較長，斷面大，TBM掘進速度快，出渣量大，為此從安全、經濟、技術等角度考慮，本工程選擇連續皮帶機出渣方案。

1 秦嶺隧洞嶺北TBM段概況

引漢濟渭工程嶺北TBM由2條主洞、2條支洞組成，具體為TBM主洞、6號主洞以及5號支洞、6號勘探試驗洞。

其中5號支洞全長4595 m，位于TBM施工段落中部，主要用來解決TBM長段落施工通風、出渣、檢修等問題，是目前國內建成第二長的斜井支洞。

6號勘探試驗洞全長2470m，斷面為圓拱直墻型，凈空高6.75 m，寬7.7 m，支洞內縱坡為-9.1%和-3%的單面下坡，綜合坡度8.23%。

6號主洞延伸段工程為隧道單洞4414.5 m（樁號K63+050～K67+464.5）。該洞襯砌后斷面為 6.76 m×6.76 m，為馬蹄形斷面。

TBM主洞全長16690 m，包含TBM配套洞室1525 m（TBM后配套洞120 m，主機組裝洞82 m，步進洞245 m，TBM接應洞918 m，檢修洞60 m，兩個始發洞各25 m，拆卸洞50 m）和TBM施工段15165 m（第一階段6788 m，第二階段8377 m）。5號支洞和TBM配套洞進行鉆孔爆破，TBM主洞采用Φ8.02 m開敞式硬巖掘進機施工。TBM通過6號勘探試驗洞運至組裝洞室，在洞內組裝并完成調試后向三河口方向掘進，第一階段貫通后，TBM在檢修洞內檢修，TBM出渣、通風系統以及輔助設備的供電系統轉場至5號支洞，TBM轉場檢修完畢后，開始第二階段掘進施工。施工平面布置見圖1。

圖1 TBM施工平面布置圖

2 出渣設計難點

從圖1可以看出，本工程出渣設計要全面考慮TBM從6號勘探試驗洞運至組裝洞室開始，向三河口方向掘進至樁號K46+360為止全過程的通風。且5號支洞和6號支洞分別位于主洞兩側。在進行出渣設計時，不僅要考慮兩條支洞不同側布置的問題，還要綜合考慮TBM在不同施工段落轉場、銜接過渡等問題。本工程出渣設計的主要難點在于：

（1）出渣線路長，TBM施工段總長約13.5 km，對皮帶機出渣系統設計及布置、對洞內施工的影響、配套的輔助措施等方面，要綜合全面考慮，是此次設計的最大難點；

（2）由于5號支洞和6號支洞分別位于主洞的兩側，不具備在洞內改變TBM后配套臺車安裝的連續皮帶機移動尾端位置的條件，因此，連續皮帶機和支洞皮帶機的布置位置，要綜合考慮襯砌施工、鉆爆段施工、電纜布線等方方面面。

（3）TBM掘進速度快，日出渣量大，除皮帶機布置的位置外，選擇適宜的皮帶機參數，以匹配TBM施工進度也是一個重要的課題。

3 皮帶機出渣系統設計

3.1 具體設計方案

3.1.1 總體設計

根據工程現場的實際情況，施工期間的整體設計方案如下：

采用連續皮帶機和支洞皮帶機接力，把棄渣從TBM后配套運至支洞洞口，利用洞外轉載皮帶機運輸至臨時棄渣場，之后以自卸車運至永久棄渣場。TBM在第一階段掘進時，通過6號支洞將棄渣運至支洞洞口；TBM在第二階段掘進時，通過5號支洞將棄渣運至支洞洞口。TBM施工段采用連續皮帶機出渣，可最大限度地保證TBM的高效率掘進。

3.1.2 皮帶機出渣系統設計

TBM掘進采用皮帶機系統出渣，連續皮帶機受料端安裝在TBM后配套上，卸料端位于主洞與支洞交叉口部位，將棄渣卸入支洞皮帶機，再運輸到支洞洞口。

6號支洞和5號支洞的皮帶機系統共用一套設備。

連續皮帶機和支洞皮帶機的布置位置，涉及到同步襯砌、鉆爆段施工、洞內運輸、供排水管布線、電纜布線等方方面面。根據嶺北TBM施工段技術部分相關資料，綜合考慮洞內施工中的各種可能，皮帶輸送系統的布置方案如下：

連續皮帶機沿TBM掘進方向的左側布置。由于5號、6號支洞分別位于主洞的兩側，不具備在洞內改變TBM后配套臺車安裝的連續皮帶機移動尾端位置的條件，在第一階段或第二階段支洞皮帶需要橫貫主洞，與連續皮帶機料斗相接，才能實現轉渣運輸。

在第二階段實現支洞皮帶橫貫主洞進行轉渣難度較大，需要提高支洞皮帶的安裝高度，在連續皮帶機尾部增加一條用于轉渣的斜皮帶，避免支洞皮帶影響洞內運輸。由此將會導致降低皮帶輸送系統的工作可靠性，同時還可能會造成同步襯砌臺車無法通過?？紤]到TBM組裝前，6號支洞與主洞交匯處已完成鉆爆開挖，施工空間較為充足，安裝難度相對較低。因此在6號支洞位置實現支洞皮帶機橫貫主洞出渣更為有利，安裝工作可以在組裝期間同步進行，不會影響組裝工期，而且橫貫的支洞皮帶不會影響TBM施工材料運輸。

3.1.3 皮帶機出渣系統相關參數

第一階段皮帶機驅動系統采用2 kW×355 kW的主驅動+1 kW×355 kW的喇叭口驅動+160 kW的回程輔助驅動，設計運輸長度10000 m；

第二階段皮帶機驅動采用洞口主驅動+支洞內5套輔助驅動，電機功率均為355 kW,支洞皮帶機長度4590 m。

以上三條皮帶均寬800 mm，帶強ST2000，皮帶出渣能力設計770 t/h。

3.1.4 出渣過程降塵措施

在出渣后和出渣過程中用高壓水沖洗巖壁及對渣堆分層灑水，減少裝渣過程中揚起粉塵，運輸道路保持濕潤，防止車輛運輸揚起塵土。

3.2 出渣效果

采用上述皮帶機出渣系統以來，TBM掘進第一階段自2014年6月15日開始，2015年8月23日貫通，掘進長度6788 m，月平均進尺551 m，最高日進尺50.5 m，最高日出渣量2525 m3。TBM第二掘進階段2015年11月10日開始至今，共掘進7755.12 m，平均月進尺為269.5 m（除去3個月的卡機時間），最高月進尺551.79 m，最高日進尺36.03 m，最大日出渣量1801.5 m3。設計的皮帶機出渣系統完全可以滿足TBM施工段落出渣要求。

3 結論

（1）以引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM施工段為研究對象，結合TBM主洞和施工支洞的布置，對洞內皮帶機出渣系統設計進行了研究，針對性地提出分階段設計的方案。有效地解決了長大隧洞TBM施工出渣難題，取得了很好的效果。

（2）初步研究結果表明，對于TBM連續皮帶機出渣問題，根據TBM施工段落配套進行分段的出渣設計是一種合理可行的解決方案。皮帶機的布設位置應根據現場實際情況進行安排。但是，在工程實踐中，皮帶機的參數選擇往往都偏大，今后的研究中可結合施工進度、成本等進行進一步研究。