斜井盾構組裝始發方案比選研究

廖悅 LIAO Yue

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司設計研究院分公司，天津 300300）

0 引言

盾構（TBM）集掘進、支護、運輸于一體，能夠有效實現長大隧道施工的工廠化作業，是世界上最先進的大型綜合性隧道施工設備，代表著國際隧道施工技術的最高水平，相對于傳統的煤礦斜井施工方法，盾構（TBM）施工煤礦斜井在安全、進度、質量、效益及環保等多方面優勢突顯[1]。神華集團開創了我國首次引入盾構（TBM）法施工煤礦斜井的先河[2-5]，在盾構（TBM）施工煤礦斜井方案研究中，盾構（TBM）的斜向始發是重難點之一，與傳統盾構（TBM）水平始發相比，由于坡度的影響，盾構（TBM）的組裝方式、吊裝方式及始發狀態均有較大不同，安全風險更高，施工難度更大，可以說盾構（TBM）的斜向始發是斜井盾構（TBM）法施工成敗的最關鍵環節之一[6-7]。針對上述問題，本文基于神華新街臺格廟煤礦斜井工程特點，設計研究了兩種盾構（TBM）組裝始發方案，并分析了方案的優缺點，提出了盾構（TBM）始發最優方案。

1 工程概況

神華新街臺格廟礦區位于鄂爾多斯市境內，地處高原荒漠～半荒漠地段，區內大面積被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，人煙稀少。臺格廟礦主斜井坡度為-10.5%（6°下坡），長度為6553m，最大埋深688m，采用雙模式盾構（具有土壓平衡盾構和單護盾TBM兩種模式）工法施工，盾構開挖直徑為7620mm，最小設計曲線半徑為500m，最大設計坡度為120‰。斜井設計內徑6.6m，管片厚350mm，寬1500m。

斜井穿越地層由老至新發育有：侏羅系中統延安組（J1-2y）上段，侏羅系中統直羅組（J2z），安定組（J2a），白堊系下統志丹群（K1zh），第三系上新統（N2），第四系（Q4），地層巖性主要為砂巖、泥巖、泥質砂巖、砂質泥巖及砂巖泥巖互層，局部附存含礫粗砂巖、泥巖破碎帶及煤層等，始發場地表層風積砂層厚度1～3m。

2 盾構組裝始發方案對比分析

根據本標段始發場地條件，為保證復合盾構的順利安裝、調試、始發，掘進機采用一次性整機始發，盾構組裝場及始發站為采用明挖法開挖的U型槽結構，盾構始發可采用掌子面組裝始發和地面組裝步進通過斜坡再始發方案。

2.1 掌子面組裝始發方案

根據盾構始發埋深經驗要求，取始發井上覆土厚度為1倍洞徑，U型槽始發面開挖深度取2倍洞徑，取16m，由于底板厚度為0.9m，因此總開挖深度為16.9m。

在U型槽內組織盾構機的組裝、調試和始發，為確保作業安全，槽內設盾構主機安裝區及反力架安裝區，采用與斜井等坡度的縱坡設計；而設備橋及后配套安裝區，按照4‰坡設計，中間區域采用100m半徑的豎曲線進行縱坡過渡，如圖1所示。350t主吊機站于始發端頭進行主機吊裝施工，槽內部署2臺40t的縱向走行龍門吊配合進行主機吊裝施工，龍門吊覆蓋整個U型槽盾構組裝區，龍門吊基座按4‰坡設計。

圖1 始發站總體設計及布局

U型槽兩側均采用1:1.5～1:2的坡度進行放坡開挖。由于U型槽局部開挖深度較大，因此在距離放坡的中部設2m寬馬道，進行分臺階開挖。

盾構始發端采用鉆孔灌注排樁進行開挖面結構圍護。始發洞門內徑比盾構外徑稍大，采用鋼筋混凝土結構施作。洞門范圍內排樁與盾構刀盤面所形成的三角區采用噴射混凝土填平。

方案特點：①適用于盾構組裝始發工期要求緊、地質條件好、埋深淺的盾構掘進施工。②盾構始發時需反力架支撐，設置難度較大，工程造價高（底部結構回填量大），易受降雨影響。

③設置盾構主機組裝平臺，明槽開挖體量大。

④盾構主機組裝需在端頭布置吊機，安全風險高。

2.2 地面組裝步進始發方案

明槽總開挖深度取為16.9m，盾構及后配套在專門組裝場地組裝，組裝后主機和后配套分別步進到掌面進行連接調試及始發，相比城市地鐵的區間盾構施工條件，煤礦斜井始發段坡度大，基座除受盾體重力作用外下滑力也是不容忽視，超長的盾體在明槽段步進完全不同于巖體內的掘進施工，在沒有任何徑向約束力，使其在步進過程中穩定性差，這給支撐反力體系和托架結構的設計、步進方式的選擇和施工提出了極高的要求，本文提出了針對性解決方案。

明槽采用與斜井等坡度的縱坡設計，取-10.5%縱坡。邊坡根據不同挖深采用分級放坡形式，最深處即始發段處采用三級放坡，網噴支護，槽底橫寬11.2m，如圖2所示。明挖段與盾構施工段接口處，采用C20素混凝土臨時封堵墻進行封堵，封堵墻后方采用水泥土回填，以滿足盾構掘進施工要求。

圖2 明槽結構剖面圖

2.2.1 設備組裝與調試

掘進機經工廠組裝、調試、驗收合格后，運輸至施工現場進行組裝。組裝場地位于沿斜井軸線方向，明槽施工場地外進行。掘進機后配套拖車組裝順序為從后往前依次連接，最后連接連接橋，采用150t汽車吊吊裝。主機組裝順序為中盾→前盾→刀盤→螺旋輸送機→管片拼裝機→尾盾，主機采用300t履帶吊和150t汽車吊機配合吊裝。最后連接液壓和電氣管路。

2.2.2 TBM步進與下落

盾構步進及下落工藝流程如圖3。

圖3 TBM步進及下落工藝流程如圖

TBM在明槽外組裝調試后縱移步進到達始發位置，因無法像正常掘進時有管片提供反力，故此TBM需要借助外力來完成縱移步進。

主機步進時，設計由電動液壓泵站、爬行頂推油缸、夾軌器三部分組成的步進夾軌反力裝置，沿預先鋪設導軌進行步進施工，該裝置在提供盾構步進所需的推力的同時能提供反向拉力，具備防盾構下滑的能力，確保大坡度條件下盾構步進安全。步進夾軌反力裝置構造如圖4所示。

圖4 步進夾軌反力裝置構造圖（單位：mm）

盾構步進到始發位置，設計盾構下落反力裝置有效確保盾構在斜井條件下安全下落，該裝置由箱梁、箱梁橫撐、箱梁斜撐、圓支撐、盾體頂升支撐、頂升油缸、盾體支承及頂升支撐座等構成，盾構下落通過逐節拆卸盾構下落頂升圓支承座及盾構圓支座實現，在斜坡條件下，通過中間箱梁橫撐與箱梁斜撐確保整個下落支撐系統的穩定與安全。

2.2.3 盾構始發

盾構機步機到始發位置并調試完成后，通過反力架及負環管片提供始發反力。負環管片采用錯縫拼裝，并設置鋼板及鋼絲繩捆緊，防止變形。

方案特點：①適用于地質條件較差、盾構組裝始發工期有保障的盾構掘進工程。②該方案解決了明槽結構內小空間、大直徑、大自重的盾構主機在大坡度條件下的步進施工。③可實現盾構主機的快速步進，連續、機械化作業，該步進反力系統考慮了下坡重力影響，在提供盾構主機步進推力的同時可提供對盾構主機的拉力，防止突然啟動的下滑失控，確保步進安全。④大坡度條件下盾構步進施工安全可靠，且施工速度快。

2.3 對比分析

對于兩種盾構組裝及始發方案，如表1所示。

表1 兩種盾構組裝及始發方案比較

通過對兩種方案的安全性、適用條件、總體工程量、施工難度及工程成本綜合分析，針對斜井盾構組裝及始發，建議采用地面組裝步進通過斜坡再始發方案，施工成本低、難度小、安全有保障。

3 結論

相比城市地鐵的區間盾構施工條件，煤礦斜井始發段坡度大，盾構組裝及始發難度大，也是煤礦斜井盾構法施工成敗的關鍵環節之一。本文針對性的設計了兩種盾構組裝始發方案，分析了兩種方案的特點，通過對兩種方案的安全性、適用條件、總體工程量、施工難度及工程成本綜合分析，建議大超度條件下斜井盾構組裝及始發采用地面組裝步進通過斜坡再始發方案，施工成本低、難度小、安全有保障。