敞開式TBM設備洞內拆機工藝及計算分析

張志峰

摘 要：敞開式TBM掘進速度快、成本低、適用性強，已在許多大型引調水工程、鐵路隧道工程廣泛應用。TBM貫通后，需要將設備步進至提前開挖完成并布置好橋式起重機或門式起重設備的專業拆機洞室進行TBM設備拆機。新疆某工程敞開式TBM根據計劃在洞內進行擴挖，在洞頂部對應位置布置吊點準備原地拆卸設備，并且結合后期洞段襯砌工作需要，采用分兩階段拆卸、運輸的拆機工藝，便于后期襯砌工作早日展開；其中設備部件起重吊裝計算分析、承載力驗算是工藝選擇中的重點難點。

關鍵詞：TBM設備；洞內拆機；起重吊裝；承載力驗算

中圖分類號：TV67? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）10-0060-03

1 概況

新疆某引水工程隧洞總長37.55 km， 施工支洞總長5 124 m，綜合坡度11.5%，上游隧洞TBM獨頭掘進長度17.888 km，輔助洞室長0.73 km，下游隧洞TBM獨頭掘進長度18.932 km，開挖直徑7.03 m，包含TBM主機、設備橋、噴混橋及后配套1～11#拖車，主機部分重600 t，整機總重1 300 t。

2TBM兩階段拆機、運輸

TBM貫通后停機至指定停機位開始后續拆卸工作，TBM整體刀盤尺寸7.0 m×7.0 m×2.1 m，質量130 t；其余各部件最大件為主驅動，尺寸5.3 m×5.12 m×2.1 m，質量140 t；TBM洞段襯砌后斷面半徑為2 920 mm，最大凈寬5 840 mm，最大凈高5 542 mm。

結合工期要求及部件尺寸、襯砌斷面，滿足分兩階段進行TBM拆機要求。

第一階段拆除工作包括：①連續皮帶機拆卸、運輸。②刀盤分隔為4個邊塊1個中心塊，TBM后配套1～11#拖車拆卸。③噴混橋及附屬設備設施拆卸、運輸。④設備橋及附屬設備設施拆卸、運輸。

TBM設備第二階段拆除工作在TBM洞段襯砌完成后開始，包括：①后支撐拆卸、運輸，整體刀盤分隔、拆卸。②主梁二及推進支撐系統拆卸、運輸。③主梁一及鉆機系統拆卸、運輸。④護盾及鋼拱架安裝系統拆卸、運輸。⑤主驅動拆卸。

3 主機拆卸區吊點布置

TBM主機總長23.8 m，總質量約600 t，包括整體刀盤、護盾系統、主驅動、主梁一、鋼拱架安裝器、錨桿鉆機系統、主梁二及推進撐靴系統、后支撐。主機拆卸洞室總長18 m，寬10 m，凈高9 m，主機拆卸區布置如圖1所示。

4 設備橋拆卸去區吊點布置

設備橋總長，主框架總重約40 t，由三段組成，按照三段→二段→一段的順序原地拆卸、運輸。設備橋拆卸區布置如圖2所示。

5 主機及設備橋拆卸區起吊錨桿布置

主機及設備橋拆卸區內TBM部件拆卸吊點位置及承載力嚴格按照拆除部件的質量、結構、重心設置。制作吊點砂漿錨桿采用HRB400型，直徑為?25和?28兩種規格，其中?25長度為3m，?28長度為5m，并經無損檢測和拉拔實驗檢測合格后進行吊點焊接制作。

制作吊耳等級及鋼板的規格為80 t（100/Q345D）、50 t（80/Q345D）、30 t（60/Q345D）、10 t（30/Q345C），焊接嚴格按照二級焊接工藝進行，焊縫應完全焊透，焊接24 h后進行100%UT檢測，吊耳采用氣割而成、并打磨光滑。主機及設備橋拆卸區布置如圖3所示。

680 t級吊點砂漿錨桿及吊耳鋼板承載力驗算

6.1 ?28砂漿錨桿承載力計算

查知，HRB400鋼筋屈服強度為400 MPa[1]，360 N/mm2。

?28螺紋鋼筋抗拉強度F如式（1）所示。

F=π（28/2）2×360 N/mm2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

承載重物G=F/g=22.6 t。

膠結體與巖壁粘結長度La[1]如式（2）所示。

La? =k1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中La為內錨固段長度（mm），Nt為錨桿承受的設計拉力值（kN），D為鉆孔直徑（mm），k1為膠接材料與孔壁膠結長度安全系數（仰孔取1.8），c1為膠結材料與孔壁粘接強度（MPa），Ⅱ類1.5～1.2，Ⅲ類1.2～0.8綜合取1.2。

計算結果為La=2.117 m<5 m，滿足要求。

膠結材料與錨桿粘接長度La[2]如式（3）所示。

La=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中La為內錨固段長度（mm），Nt為錨桿承受的設計拉力值（kN），K為安全系數（硬巖1.5-3.0，中硬巖1.0-1.5）取1.5，D為錨桿體直徑（mm），d為單根鋼筋直徑，n為鋼筋根數，qs為水泥結石體與鋼筋的粘接強度設計值（取2.0），取0.8倍標準值，?為兩根以上的鋼筋，強度降低，系數取0.6～0.85。

計算結果為La=2.363 m<5 m，滿足要求。

6.2 80t級吊耳承載力驗算

80 t級采用6根?28 HRB400型砂漿錨桿和鋼板100/345D制作焊接而成，其中TBM刀盤、主驅動、主梁二拆卸吊點采用80 t級吊耳，吊耳結構設計形式如圖4所示。吊耳采用氣割而成，并打磨光滑，焊縫滿足二級焊縫標準。

6.2.1 吊耳錨桿總承載力驗算

吊耳總承載力G錨桿×6=136 t>80 t，滿足要求。

6.2.2 鋼板100/345D承載力驗算

鋼板的承載力驗算如式（4）所示。

δ=F/Sa? ?τ=F/Sb? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：δ為吊耳上方正壓力（最大正應力）；τ為吊耳上鋼板受剪應力（最大剪應力）；W為吊耳上鋼絲繩應力；Sa為吊耳所受拉應力最大處的面積；Sb為吊耳所受剪應力最大處的面積。

計算結果如下：

圖中A-A的截面積Sa=（500-130）×100 mm2

=37 000 mm2

δ= F/Sa=800 kN/37 000 mm2=21.6 N/mm2

吊耳上部連接鋼板受吊耳最大剪應力Sb=500× 100 mm2=50 000 mm2

τ= F/Sb=800 kN/50 000 mm2=16 N/mm2

吊耳在實際使用過程中固定不動，不受剪力作用。

查知鋼板100/Q345設計抗拉強度[δ] [1]為270 N/mm2，抗剪強度[τ] [1]為155 N/mm2，經計算吊耳本身抗拉強度安全系數為12.5，吊耳上部連接鋼板抗剪強度安全系數為9.7，滿足安全使用要求。

6.2.3 鋼板焊縫的強度驗算

鋼板焊縫的強度[3]如式（5）所示。

[1]

（5）

式中：k為動載系數，取1.4；F為焊縫受力；L為焊縫長度；d為焊縫寬度。

計算結果為δ1=37.3 N/mm2 。

施工現場吊耳布設為洞頂部焊接，高空吊裝拆卸，查知鋼板100/Q345焊縫強度設計值[1] 為[δ1]=270×0.9=243 N/mm2（施工條件較差的高空安裝作業焊縫應乘以系數0.9）。吊耳焊縫的安全系數為6.5，滿足安全使用要求。

6.3 50t級、30t級、10t級吊耳承載力驗算

主梁一總重約70 t，拆卸吊點采用50 t吊耳，采用6根?28 HRB400型砂漿錨桿和鋼板80/345D制作焊接而成。后支撐、撐靴、護盾等拆卸吊點采用30 t級吊耳，錨桿為4根?25 HRB400砂漿錨桿和鋼板60/Q345D制作而成。設備橋、推進油缸、搭接護盾等拆卸吊點選用10 t級吊耳，采用2根?25 HRB400砂漿錨桿和鋼30/Q345C制作而成。吊耳承載力驗算過程參照上述80 t吊耳承載力驗算過程。

7 結語

敞開式TBM設備洞內拆機及部件運輸機械化程度相對降低，但有利于節約工期和節省工程成本，拆機起重吊裝工藝選擇、承載計算對工程技術人員提出很高要求。嚴格設計和準確驗算保證整個拆機工作順利完成，為工程后期襯砌施工工作展開提前移交作業面，確保整體工程按期完工，也為類似工程TBM設備洞內拆機提供借鑒。

參考文獻

[1] SL 377-2007 水利水電工程噴錨支護技術規范[S].2007.

[2] GB 50086-2001錨桿噴射混凝土支護技術規范[S].2001.

[3] GB 50017-2017鋼結構設計標準[S].2017.