新型TBM洞內平移始發反力一體化裝置 研究及使用

摘要：常規的TBM洞內平移裝置在隧洞內組裝及拆除時費時費力費成本，針對此問題，通過對傳統TBM洞內始發工藝進行了改進，研制了一種使TBM、反力架和始發架一體的可移動式裝置。利用該裝置快速實現洞內始發，同時在始發完成后，可將負環管片與始發反力架整體滑移至洞外進行拆解，大大減少了洞內作業風險，縮短了施工時間，減輕了施工人員的勞動強度，節省了施工成本，也為今后類似的工程項目洞內始發提供了很好的參考價值。

關鍵詞：TBM；洞內始發；一體化裝置；始發反力架；定位加固

0" "引言

隨著地下隧洞工程的快速發展，TBM洞內平移、始發的情況也越來越多。目前，國內已有多位相關技術人員開展了TBM洞內平移始發技術及裝置的研究。黃永杰[1]研究了大直徑TBM礦山法洞內始發技術。李旭輝等[2]研究了TBM自動化過站裝置使用效果。朱朋金等[3]研究了洞內始發反力鋼環及安裝方法。楊霖等[4]研究了大直徑土壓平衡盾構導洞內始發技術。

現有研究雖然不少，對TBM洞內始發后反力架、負環、始發架的拆除技術研究較少。鑒于此，本文發明了一套平移始發反力一體化裝置，可將TBM和反力架置于始發架上進行整體快速平移，同時始發完成后也可將始發架上的反力架和負環管片整體平移至隧洞外進行拆解，由此大大減少了洞內作業風險，縮短了施工時間，減輕了施工人員的勞動強度，并節省了施工成本。

1" "工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程中深圳境內配套項目之一。該工程位于深圳市西北部城區，輸水隧洞自寶安區松崗鎮東北部羅田水庫取水，往南引入鐵崗水庫和沿途水廠，將西江來水在深圳境內進行合理分配和使用，實現新增境外水優化配置，保障西部片區供水，滿足遠期寶安區、光明區、南山區（部分）供水要求。

該工程共采用4臺TBM掘進施工，其中公明檢修排水井至羅田閥室區間、五指耙分水井至公明檢修排水井區間采用雙模TBM，3#檢修交通洞至五指耙分水井區間采用雙護盾TBM，3#檢修交通洞至鐵崗工作井區間采用敞開式TBM。

公明檢修排水井至羅田閥室區間、五指耙分水井至公明檢修排水井區間，分別各采用一臺直徑為6730mm雙模式TBM掘進，在公明檢修排水井及五指耙分水井內組裝始發。始發均設置長142.7m的始發導洞，用于TBM整體組裝始發。TBM主機部分在井底組裝并平移至掌子面，再與后配臺車進行相連接，然后調試后進行始發。豎井與導洞關系如圖1所示。

2" "始發平移裝置結構與原理

2.1" "整體結構布置

TBM始發平移裝置采用鋼結構形式，架體部分稱始發架，在始發架兩側按照電瓶機車輪距及TBM臺車輪距，在始發架底部安裝20個輪對并均勻布置，將平移時的滑動摩擦力變成滾動摩擦力。輪對采用TBM18寸滾刀（不安裝刀圈）軸承，主要承受TBM機的重力荷載和推進時的滾動摩擦力。

該裝置設計同時也考慮了TBM始發反力架的布設，在該裝置尾部設計弧形反力架，并與該裝置進行栓接，可進行上下調節。在盾構機在始發架上安裝完成后，反力架上調懸空與始發架進行連接，平移到達指定位置后，可下調與預埋鋼板連接，再進行洞內斜支撐加固。

2.2" "始發拖車

始發拖車圖如圖2所示。該裝置全長10.8m，寬5.6m。輪對使用5排，每排4個，共20個輪對。較以往始發架相比，將滑動摩擦變為滾動摩擦。18寸滾刀軸承承載力為25t，20個輪對承載力為500t。

TBM主機是個圓柱體，放置于始發拖車上要考慮到防翻滾、防扭轉措施。始發拖車兩側采用鋼軌作為導軌，根據TBM的直徑計算好導軌的高度，導軌的高度要保證TBM主機放置后最低點與始發拖車有15mm以上的間隙，防止TBM主機除與導軌接觸外其他點的接觸造成后期卡盾風險。現場安裝后的始發拖車如圖3所示。

2.3" "始發架平移動力裝置

由于施工現場空間小，始發方向為上坡，給TBM步進增加了更大的難度，可使用電瓶車作為動力，推動始發架前移。若施工現場條件限制，電瓶車動力條件限制，可配合采用液壓千斤頂和夾軌器為始發架平移提供動力。

始發架平移動力裝置如圖4所示。現場根據條件，采用鋼板和軌道夾板自制夾軌器作為反力支座，將2臺100t液壓千斤頂作為動力，防止始發架倒退，刀盤前方采用2條10t倒鏈配合，始發架底部輥輪使用鐵鞋防止始發架倒退。

3" "始發工藝流程

3.1" "導洞軌道鋪設及牽引力計算

3.1.1" "導洞軌道鋪設

為保證TBM順利步進至始發斷面處，TBM始發導洞底板面層采用澆筑30cm厚的C30混凝土；反力架安裝位置的前端距離始發洞門掌子面為11.5m，寬與導洞等寬（TBM1導洞寬7.5m，TBM2導洞寬7.9m）。在該區域澆筑厚度80cm的C30鋼筋混凝土，以確保為TBM步進提供足夠的地基承載力。

根據TBM步進方案，工作井和導洞內需要鋪設6條軌道，分別為2條TBM電瓶車軌道、2條后配套臺車軌道和2條始發拖車軌道。軌道鋪設寬度依據電瓶車輪對寬度、TBM臺車輪對寬度和始發拖車輪對進行布置，且需要進行測量放線，確保TBM中線不會出現偏差，以免與導洞側部發生刮擦，能夠準確到達始發預埋位置。利用45t電瓶車將盾體和一號臺車推至導洞內始發洞口。始發導洞尺寸及軌道鋪設示意圖如圖5所示。

3.1.2" "額定牽引力計算

45t電瓶車持續牽引時額定牽引力計算公式為：

式中：F為機車持續驅動牽引力，值取92kN；G1為機車粘重，值取45000kg；G2為牽引力，單位為kg；μ1為坡道阻力系數4‰；μ2為列車運行阻力綜合系數，值取0.013；g為重力加速度，值取9.8m/s2。

當坡度為4‰時，通過式（1）計算可得45t電瓶車的額定牽引力為507t。

TBM主機包含90t刀盤、160t前盾、70t中盾、45t尾盾、23t拼裝機、39t螺旋輸送機、18t始發拖車以及16t反力架，整體質量為464t。經計算45t電瓶車在4‰坡度上的牽引力滿足要求。

3.2" "TBM下井組裝

按照TBM組裝方案，首先依次將前盾、中盾、拼裝機、螺旋輸送機、尾盾、刀盤下井進行安裝。組裝完成后，利用千斤頂將主機推至對應位置，并在拖車后部留出放置反力架的位置。

其次，在地面組裝好反力架，將其下井放置在托車后部（需臨時墊高），其頂部用3根角鐵（3個位置）與盾尾焊接，防止反力架傾倒。

最后，通過電瓶車機頭將主機及反力架推入始發導洞，直到露出連接橋。隨后進行TBM連接橋與一號臺車至十二號臺車的組裝。

3.3" "反力架和始發架的定位加固

3.3.1" "反力架定位加固

反力架由厚度為20mm的鋼板（材質Q235B）按設計圖下料焊接而成，法蘭連接螺栓為8.8級M27螺栓，斜撐采用直徑為600mm焊管（材質Q235B），壁厚10mm。

本次反力架按基準環面（即反力架前端面）離開始發端墻內側面12m定位。需將反力架左右偏差控制在±10mm之內，高程偏差控制在±5mm之內，上下偏差控制在±10mm之內。反力架定位完成后，其立柱與預埋在導洞底面下偏差需控制在±10mm之內。

反力架定位完成后，將其立柱與預埋在導洞底面的鋼板焊接，然后將直徑為600mm的斜撐焊接在導洞底面的預埋鋼板上，左右兩根立柱各上下安裝兩道斜撐。反力架上半部后端面用錨桿支撐。錨桿一頭背離掘進方向傾斜打入導洞上部土體，另一頭與反力架焊接。TBM始發反力架斜撐如圖6所示。

3.3.2" "始發架定位加固

由于始發拖車需要承受430t的質量，所以始發拖車必須具有足夠的剛度、強度。此外，在始發拖車的兩側每隔一定距離加設200H型鋼作為橫向支撐，支撐在導洞側墻上，端部焊接鋼板來提高作用面積，以提高始發托車的穩定性。

本次始發拖車的車軌直接鋪設在導洞底板上，始發拖車的高度根據隧道中線與底板的高度3.75m及盾體直徑6700mm來制作，長度為10.8m、寬度為5.6m。始發拖車的前端距離洞門墻外墻93cm（TBM切口環露出始發托車前端4cm）。

在始發前，需對始發拖車四周采取擋泥措施，避免發生始發及推進過程中泥漿及漿液流入始發拖車內，將輪對糊死，從而增加后退阻力。

3.4" "反力架、負環、始發架的拆除

當TBM掘進至80環后（即掘進120m后）且前50環隧道內管片背后填充砂漿齡期達到7d以上，對TBM推進80環的最大推力進行計算。

若管片與土體之間的摩擦力符合TBM推力的要求，選擇合適的停機點即可進行停機，然后對洞口始發反力裝置進行拆除。

3.4.1" "反力架的拆除

首先將反力架頂部與錨桿焊接處進行切割，之后按照先上后下、左右對稱的順序，對斜撐與底板預埋件的焊接面進行切割，使反力架整體釋放擠壓應力。利用倒鏈將斜撐放置在地面上，并用電瓶車將斜撐運出導洞。割除反力架焊接點如圖7所示。

支撐割除完成后，使用倒鏈及槽鋼等將其反力架固定在始發拖車尾部，并用工字鋼加固牢靠，防止倒塌。反力架與拖車尾部墊實固定牢靠后，對反力架立柱底部與預埋件焊接處進行切割。可利用千斤頂對反力架的整體高度進行微調，以滿足始發拖車能夠正常行進。

3.4.2" "負環的拆除

再次緊固1環至10環的所有管片螺栓，滿足緊固扭矩后由高到低依次拆除-1環與+1環之間的16條M27環縫連接螺栓，使7環負環管片及始發反力的部分整體脫離正環隧道。

3.4.3" "始發架的拆除

首先，由于始發階段存在漏漿、施工雜物等，需將其清理干凈，保證始發拖車輪對的滾動順暢。

其次，將電瓶車牽引端連接始發拖車及負環管片，讓電瓶車慢行逐步將始發拖車、負環、反力架后拖，使得負環與正環管片脫離，直至拖至豎井中。

最后，利用45t門式起重機將反力架吊至地面進行分解，隨后對負環和始發拖車進行拆解分離并吊至地面。

3.5" "現場施工注意事項

始發拖車高度要滿足要求，以避免盾體與始發拖車底部接觸。要嚴格控制始發洞口底板標高，確保其與始發架高度相符合，同時要控制好TBM進簾布時周圈尺寸均勻，確保其不會發生栽頭現象。確保導洞周圈無欠挖情況，保證始發拖車能夠平穩步進，并且周圈錨桿、噴錨層不會影響反力架。

要確保底板平整度，保證鋼軌鋪設平整，始發拖車與6根鋼軌能夠全部接觸。要保證量測掌子面的平整度，如不平整則要量取最突出位置的里程，適當調整洞門鋼環的位置，確保TBM切口過導臺及簾布后能夠正常轉動刀盤。

始發導洞若為下坡，則要加裝始發拖車的剎車制動功能，避免由于始發拖車無法剎車造成溜車現象。始發拖車就位后對周圈進行擋泥處理，否則漿液流出將輪對固結，會造成拖出時阻力加大。根據停機時的推力，計算好地層摩擦力，滿足要求時才可進行負環拆除，且對管片螺栓要進行多次緊固。

4" "結束語

本工程為雙模TBM在前導洞中始發，因礦山法洞內空間小，吊裝難度大，常規的TBM洞內平移裝置在隧洞內組裝及拆除時費時費力費成本。鑒于本工程實際存在的問題及工況，項目團隊研制了一種可移動式始發架。通過在洞外組裝及拆解，洞內使用的方法，巧妙地解決了洞內難以組裝和拆除地問題，同時也提出了一種新的TBM前導洞洞內始發技術。應用該技術大大減少了洞內施工安全風險，縮短了施工時間，減輕了施工人員的勞動強度，節省施工成本，也為今后類似的工程項目洞內始發提供了很好的參考價值。

參考文獻

[1] 黃永杰.大直徑TBM礦山法洞內始發技術研究[J].江西建材，2022（12）：192-196．

[2] 李旭輝，王寶佳，余峰崗，等.TBM自動化過站裝置使用效果[J].工程機械與維修，2017（8）：96.

[3] 朱朋金，肖利星，趙康林，等.TBM洞內始發反力鋼環及安裝方法[J].工程技術，2021（6）：130-132.

[4] 楊霖，王遠志，龐培彥，等.大直徑土壓平衡盾構導洞內始發技術[J].建筑機械化，2019（5）：25-27.

[5] 李旭輝，曹磊.TBM小間距大斷面暗挖隧道始發施工技術[J].工程機械與維修，2015（5）：114-115.