“一洞雙機”TBM施工輔助洞室規劃影響因素分析

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

全斷面巖石隧道掘進機(TBM)為依靠刀盤旋轉推進、通過盤形滾刀破巖實現隧道全斷面一次開挖成型、采用主機帶式輸送機出渣的大型機械設備，具有技術先進、速度快、安全環保、工作環境好、對圍巖擾動小等優點，是目前最先進的隧道施工設備之一[1-3]。TBM法隧道施工技術近年來日益得到相關行業的認可，應用范圍不斷擴大，已經廣泛應用于水利水電、軌道交通、鐵路、礦山、綜合管廊、公路等行業，同時施工的TBM數量已達40余臺(套)，有TBM施工業績的企業近20家，發展前景十分光明[4-5]。

以往由于應用規模較小，我國TBM在同一工程中的應用基本上是“單打獨斗”模式，1～2臺TBM施工的項目較多，如西南鐵路桃花鋪一號隧道和磨溝嶺隧道、青海引大濟湟工程、云南那邦電站、甘肅省引洮供水工程7#洞和9#洞等分別采用1臺TBM施工，西康鐵路秦嶺隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、四川錦屏二級引水隧洞、陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段等分別采用2臺TBM施工，遼寧省大伙房輸水工程采用3臺TBM同時施工。隨著TBM總體應用規模的擴大，呈現“集群化”態勢，如遼西北供水工程同時采用8臺TBM，青島地鐵一號線和四號線分別同時采用4臺、6臺TBM，新疆EH工程同時使用20臺TBM施工，川藏鐵路雅安—林芝段投入的TBM數量預計達到近30臺，正在前期研究過程中的瓊州海峽海底隧道、渤海灣海底隧道(煙臺—大連或者蓬萊—大連)預計分別采用10余臺TBM。

通常，不論TBM在隧道進出口組裝，還是通過支洞進入洞內組裝，大多數情況下1個通道只為1臺TBM服務，如西康鐵路秦嶺隧道2臺TBM分別由進出口共同承擔I線隧道施工、蘭渝鐵路西秦嶺隧道2臺TBM分別從左右線隧道出口開始掘進施工、引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段2臺TBM分別通過3#和6#支洞進入組裝洞施工正洞，這樣的規劃2臺TBM形成完全獨立的2個工作區，施工相互干擾少，有利于TBM施工組織。

然而蘭渝鐵路西秦嶺隧道2臺TBM進入第二階段施工時，皮帶機出渣、通風、施工物料與人員運輸等工作需要共同使用羅家理斜井這一施工通道，但大部分施工材料仍然從隧道出口運抵工作面；新疆EH工程XE隧洞、KS隧洞共有5個支洞需要分別同時為2臺TBM施工服務，即2臺TBM均通過同一支洞運至正洞組裝洞室完成組裝調試后背向掘進施工正洞；大瑞鐵路高黎貢山隧道大小2臺TBM共用擴大斷面的同一個隧道出口作為施工通道；即將開工建設的川藏鐵路部分隧道2臺TBM將通過同一斜井(或者同一雙斜井)進入正洞組裝洞室完成組裝調試后同向掘進施工左右線隧道。上述工況，稱之為“一洞雙機”TBM施工，其難度相對較大，對規劃設計、施工組織、施工管理、施工技術提出了更高要求。本文重點研究“一洞雙機”TBM施工輔助洞室規劃設計，總結其布置形式，分析輔助洞室的功能，闡述輔助洞室的規劃與設計要點，為今后TBM施工提供助力。

1 “一洞雙機”TBM施工輔助洞室的布置形式

不同的隧道建設條件，根據施工通道(支洞或者正洞)與TBM掘進隧道的位置關系決定了不同的TBM施工通道規劃布置。

1.1 “T”型布置

如圖1所示，2臺TBM背向掘進同時施工同一隧道的不同區段，共用同一支洞作為施工通道，稱之為“T”型布置。新疆EH工程的5組“一洞雙機”TBM施工均為該布置形式。

圖1 某工程“一洞雙機”“T”型布置簡線圖

1.2 “Y”型布置

很多工程需要2座平行布置的隧道，有的工況條件下在洞口區域兩座隧道合并為一座隧道，大瑞鐵路高黎貢山隧道出口段就是如此。如圖2所示，全長34.5 km的高黎貢山隧道由怒江特大橋分左右線進入，平行布置，在距離隧道出口約500 m處合并為大斷面隧道，以利于車站布置。該隧道出口段正洞和平導分別以直徑9.6 m、6 m的敞開式TBM施工為主，由出口洞外組裝后步進到掌子面開始同向掘進施工，所有工序都需要以出口段的隧道作為通道[6]。

圖2 高黎貢山隧道“一洞雙機”“Y”型布置簡線圖

2臺TBM以同一隧道洞口進入組裝洞室或者始發洞，分左右線同向掘進施工，并且全部或者大部分相關工序都以上述同一洞口作為通道，稱之為“Y”型布置。

1.3 “干”型布置

全長28.23 km的蘭渝鐵路西秦嶺隧道出口段左右線分別采用1臺TBM施工，距離洞口約10 km處設有羅家理斜井，如圖3所示。TBM施工分為2個階段，第一階段TBM在洞口場地組裝調試后步進到掌子面開始掘進施工，到達羅家理斜井后開始第二階段施工，TBM第二階段施工時以羅家理斜井作為施工通道[7]。

圖3 西秦嶺隧道“一洞雙機”“干”型布置簡線圖

圖3所示羅家理斜井與正洞的布置方式，稱之為“干”型布置。

1.4 “開”型布置

2臺TBM利用同一支洞同向或者背向施工左右線隧道，為了減少干擾、提高工效，將設計2座并行的施工支洞。該工況稱之為“開”型布置，詳見圖4。

圖4 “一洞雙機”TBM施工“開”型布置示意圖

即將開工的川藏鐵路部分采用TBM法施工的隧道計劃采用該布置形式。

2 主要輔助洞室及其功能

為TBM施工服務的洞內空間，統稱為輔助洞室，包括始發洞、步進洞、組裝洞、調頭洞室、施工支洞等。

2.1 始發洞

始發洞有時稱為出發洞，是為TBM開始掘進施工提供必要條件的輔助洞室，為TBM以準確的位置、正確的姿態開始掘進創造條件，對于具有撐靴的敞開式和雙護盾TBM需要滿足撐靴撐緊洞壁提供掘進反力的要求，步進機構(如果有)將在TBM始發后被拆除并臨時存放于此。

2.2 步進洞

步進洞是布置在始發洞和組裝洞之間的輔助洞室，同時也是主體隧道構筑物的一部分，TBM組裝后通過該洞室步進到始發洞。在TBM開始掘進之前，步進洞內需要安裝必要的TBM配套施工設備(如皮帶機)，TBM掘進初期，步進洞主要用于臨時容納TBM；TBM正常掘進期間，步進洞內需要布置通風管、皮帶機、軌道、電力電纜、照明線路與燈具、通訊線路、供水管路、排水通道等；步進洞的空間通常較大，可作為部分材料存儲空間、列車調度空間，也可以布置施工廢水沉淀池。

2.3 組裝洞

組裝洞是TBM洞內組裝的作業空間，用以臨時存放少量TBM部件并及時按設計圖拼裝組合形成一個整體，根據對應的TBM區域不同可分為主機組裝洞和后配套組裝洞，也可以共用一個組裝洞。通常情況下TBM主機與連接橋在主機組裝洞內組裝，后配套臺車在后配套組裝洞內組裝或待主機向前步進后在主機組裝洞內組裝。組裝洞內需配置起重設備、工具、備品備件等臨時存放空間。

TBM掘進時，組裝洞成為施工材料中轉站、列車調度站，也是連續皮帶機主驅動安裝間，同時為其他管線等設備設施提供安裝和工作空間。

2.4 調頭洞室

洞內空間相對狹小，往往無法滿足組裝前期TBM部件、施工期鋼軌鋼管等物資與設備運輸車輛調頭需求，因此應合理規劃用于車輛調頭的洞室。

2.5 施工支洞

不具備條件直接以隧道進口或者出口作為施工通道時，需要設置施工支洞，鐵路行業通常稱之為斜井、豎井，水利水電行業根據坡度不同稱之為平支洞、緩斜井、斜井、豎井[8]。結合通常工況條件，為了便于研究，本文以最大坡度不超過13%的施工支洞作為主要研究對象，并統稱為施工支洞。

支洞為TBM施工提供一系列通道，具備如下功能：

(1)運輸功能。支洞需要實現前期洞內鉆爆法施工運輸，洞內輔助設施設備運輸，TBM部件運輸，TBM施工物料及人員運輸、出渣等運輸功能。

(2)給排水功能。支洞是施工期供水、排水的主要通道，甚至是唯一通道；支洞還需具備其自身廢水匯集排放功能。

(3)通風排污功能。支洞是施工通風的主要甚至唯一通道，需要合理配置，將新鮮風送至工作面，并排出污風，為施工生產提供必要的空氣環境。

(4)供電功能。支洞需為洞內施工供電提供線纜敷設條件。

(5)其他功能。支洞還需提供洞內外通訊線纜敷設、必要通訊設備安裝條件，洞內照明安裝條件。

3 主要輔助洞室規劃設計要點

合理適用的輔助洞室規劃與布置，有利于車流、人流、物流、氣流、水流的順暢運轉，是“一洞雙機”TBM順利施工的重要保障，可以稱之為TBM施工的“生命線”。

3.1 總體要求

輔助洞室在TBM施工全過程中都要承擔“渠道”作用，貫穿始終，而使用期最長的工序是TBM掘進，因此輔助洞室規劃設計，在滿足TBM洞內組裝的前提下，要為掘進施工提供適宜的空間環境。

3.2 始發洞

2臺TBM的始發洞分別布置，規劃設計需要重點關注以下幾點：一是長度，刀盤接觸掌子面時，撐靴撐緊洞壁，且保證洞壁結構穩固，撐靴后端到始發洞起點的距離不小于5 m；二是斷面，始發洞斷面應該略大于TBM開挖直徑，又沒必要太大，通常始發洞半徑大于TBM刀盤半徑10～20 cm為宜；三是底板形式，要適應TBM步進方式與步進機構，與步進洞保持相同的形式；四是高程，TBM始發時，步進機構將留在始發洞內，因而始發洞的底面高程應略低于TBM開挖隧道，高差為步進機構的底部厚度；五是軸線和TBM掘進隧道保持一致；六是坡度，需要和TBM初始掘進段保持一致。始發洞設計示例如圖5所示。

圖5 始發洞橫斷面設計示例(單位：mm)

3.3 步進洞

(1)為了便于TBM步進通過，步進洞斷面略大于TBM開挖直徑，間距以不小于20 cm為宜。

(2)底板結構應與TBM步進機構相適應，并且充分考慮TBM掘進期間軌線布置、物料存儲等需求，建議采用平面結構，標高與始發洞起點相同。

(3)坡度與TBM初始掘進段保持一致為宜。

(4)盡量避免水平小曲率半徑轉彎，以直線為宜；無法避免水平曲線時應合理考慮隧道連續皮帶機正常運行的需求，現有技術條件下轉彎半徑不小于800 m，最好能夠按不小于1 000 m規劃設計。

(5)線型與成洞保持一致，中線與隧道中線重合。

(6)通常情況下2臺TBM的步進洞分別設置，其最小長度需要根據TBM整機長度、隧道連續皮帶機初始長度、洞內物料運輸中轉的必要長度，結合始發洞、組裝洞等洞室長度綜合確定，TBM始發時盡量形成正常生產的格局，避免中間長時間停機。步進洞橫斷面設計如圖6所示。

圖6 TBM步進洞橫斷面設計示例(單位：mm)

3.4 組裝洞

(1)主支洞呈“T”型布置時，為減小大斷面洞室施工工程量，2臺TBM可以共用組裝洞；主支洞呈“開”型布置時，不論TBM直徑大小，都應分別設置組裝洞；主支洞或者兩主洞呈“Y”型布置時，根據布置形式、轉彎半徑考慮共用或者分別設置組裝洞，也可以TBM洞外組裝后步進到掌子面開始掘進施工。

(2)組裝洞底板必須設計為平坡、水平平面，標高與步進洞相同。

(3)組裝洞應設計為水平直線。

(4)組裝洞長度需要考慮如下因素：TBM主機長度，連接橋長度，刀盤臨時存放、拼裝與焊接空間，刀盤與組裝好的驅動組件之間的安全距離(不小于1.5 m)，起重設備前后兩端的工作盲區。

(5)組裝洞寬度需要同時滿足下列條件：一是單側超出TBM開挖輪廓線不少于1.5 m；二是配置的TBM組裝用起重設備(如橋式吊機)吊鉤有效工作范圍不小于TBM開挖輪廓線；三是TBM掘進期間，滿足皮帶機出渣系統、列車運行軌道系統(軌線數量按施工組織需要布置)、物料存儲空間布置且各區域間合理預留安全間距。

(6)組裝洞高度設計由下述因素決定：一是刀盤直徑；二是TBM組裝時吊索最小垂直高度；三是起重設備最大起升高度較前二者之和大20 cm以上；四是吊鉤及起重設備安裝高度；五是根據上述條件，按相關規范確定拱頂結構形式與尺寸。

(7)組裝洞中線不必與成洞中線重合，宜適當偏心布置，皮帶機出渣系統安裝側滿足安裝、運行、檢修空間需求即可，盡量減小皮帶機出渣系統至洞壁之間的距離，避免空間浪費。

組裝洞橫斷面設計示例見圖7。

圖7 TBM組裝洞橫斷面設計示例(單位：mm)

3.5 調頭洞室

(1)位置。主支洞呈“T”型布置時，調頭洞室宜布置在主支洞交叉口正對支洞處，以便于車輛調頭駕駛操作；主支洞呈“干”型、“開”型布置時，洞室布置已經具備了車輛調頭條件，但需要結合車輛轉彎半徑合理規劃洞門擴大；主支洞或者兩主洞呈“Y”型布置時，如果洞內設組裝洞則調頭洞室宜設置在組裝洞附近，如果沒有組裝洞則不需調頭洞室，有軌運輸延伸至洞外。

(2)長度。調頭洞室長度需要根據計劃采用的運輸車輛長度、轉彎半徑、運輸物資與設備尺寸等因素，結合正洞寬度等因素，計算機模擬后綜合確定。

(3)斷面。綜合考慮運輸車輛的限界尺寸、安全間距確定調頭洞室凈空尺寸，安全間距不小于50 cm。

(4)高程與坡度。調頭洞室洞口底板高程與正洞保持一致，以便于車輛進出；為了避免積水，調頭洞室宜設計為內高外低，坡度約為1.5%。

(5)調頭洞室內不宜放置其他設備、物資。

調頭洞室布置示例見圖8。

圖8 調頭洞室設計示例(單位：mm)

3.6 施工支洞

“一洞雙機”工況下，2臺TBM共用同一施工支洞，支洞內設備與設施較多，運輸工作量大且集中，需充分考慮各影響因素，兼顧安全與效率，確定其規劃與設計。

(1)條件允許、洞長對總體投資影響不嚴重時盡量減小支洞縱坡，最大坡度最好調整為2.5%以下以便于有軌運輸列車在洞外裝車后正常運行至洞內并運抵TBM工作區域；否則就要無軌運輸至洞內再轉換為有軌運輸方式，影響施工效率。

(2)支洞內應參照相關規范合理設置平坡段或者緩坡段，以利運輸安全。

(3)綜合考慮設備設施安裝、安全間距、運輸通道等因素，確定支洞凈寬。通常情況下皮帶機出渣系統以支架安裝在洞壁或以吊鏈懸掛在洞頂，合理提高安裝高度，與洞壁間距不小于30 cm；供排水管路宜鋪設在皮帶機下方，以托架上下布置；高壓電纜、照明、通訊線纜等宜布置在皮帶機對側，豎向排布；中間布置運輸通道，無軌運輸按雙車道(上行與下行分離)規劃，有軌運輸布置四軌雙線制軌道，列車編組與其他設備設施安全間距不小于30 cm，無軌運輸車輛運行安全間距不小于50 cm，兼顧施工期最寬部件(如軟風管儲存筒)運輸、人員躲避等要求。確實不具備雙車道通行條件，則必須合理設置錯車洞，以免影響運輸效率，錯車洞應布置在皮帶機對側。

如果支洞較短(如數百米或更短)，可以不必強制要求無軌運輸雙車道布置。

(4)重點考慮通風軟管尺寸與安裝位置、運輸線路規劃及限界尺寸，確定支洞凈高。通風軟管到洞頂(或洞壁)間距不小于20 cm；停風軟管下垂時最低點與運輸限界最高點的間距不小于20 cm；緩坡段或者平坡段風管懸掛應順直，風管與運輸限界的間距仍需滿足上述要求。

(5)支洞皮帶機配置輔助驅動系統時，應合理規劃擴大洞室，滿足皮帶機順直布置要求；同時規劃輔助驅動專用的變壓器洞室。

(6)根據排水規劃，合理布置梯級排水泵站專用洞室，宜布置在支洞皮帶機同側；集水倉容積滿足設計要求，斷面滿足水泵拆裝、變壓器安裝、控制柜安裝要求，并合理考慮電氣設備安裝高度，避免水淹。

施工支洞設計示例見圖9。

圖9 施工支洞典型橫斷面設計示例(單位：mm)

4 結束語

采用TBM法施工的隧道，在適宜的地質條件下一定要充分發揮TBM的優勢，努力實現持續、均衡、快速施工[5]，因而“一洞雙機”模式下需要高度重視具有“渠道”作用的輔助洞室的規劃設計。一是明確輔助洞室是為TBM施工服務的，其功能務必得以保障，需要合理的規劃與設計；二是確保長期使用過程中輔助洞室的安全，需要保證輔助洞室支護設計的長期可靠性；三是切忌為了節約局部成本而盲目壓縮輔助洞室的有效空間，從而制約其功能的正常發揮，降低TBM施工效率，這是得不償失的。