靳思东
TBM(Tunnel Boring Machine)即隧洞掘进机的英文简称,TBM以其掘进速度快(为常规开挖的5倍～10倍)、一次成洞、能提供安全作业环境并能保证隧洞的整体安全等特点,被越来越多的隧洞工程采用,现就双护盾TBM施工法简述如下。
1 TBM概况
1.1 TBM的发展及分类
美国工程师Charles Wilson于1851年设计了世界上第一台掘进机TBM。但由于设计中存在诸多问题和困难,难以与钻爆法技术相媲美,因此没有得到应用。1952年,美国人James S.Robbins设计了将索镐与滚刀相结合的掘进机,没有试验成功。1956年,James S.Robbins仿照100年前Charles Wilson的设计,只采用滚刀,此次试验取得了成功。
TBM技术经过半个多世纪的发展,目前已相当成熟。现今TBM种类很多,以围岩硬度划分,有硬岩掘进机,软硬岩兼容掘进机,软土掘进机;以护盾形式划分,有开敞式(单护盾)TBM,双护盾或多护盾TBM,盾构TBM,硬岩和软土兼容的混合盾构TBM;以TBM直径大小划分,有微型TBM(0.3 m～1.0 m),小型TBM(1.0m～3.0 m),中型TBM(3.0 m～ 8m),大型TBM(＞8m);以开挖断面形状划分,有单一的圆形断面TBM,双圆或多圆TBM,不规则断面TBM;以隧洞的水平—垂直度划分,有水平掘进TBM,竖井TBM和斜井TBM。随着技术的发展,根据工程的需求,相信还会出现更多的新型掘进机。
1.2 双护盾TBM的组成及功能
一套完整的TBM系统由机头和后配套两大部分组成,TBM机头由刀盘、前护盾、伸缩护盾、后护盾和尾盾组成。后配套是承载、输送、动力和控制平台,后配套分联结桥、单轨段、双轨段和斜坡段。
TBM的各组成部分功能上相互独立,但又互相依赖形成一个整体,刀盘的主要作用是切削岩体和出渣;前护盾主要是支撑刀盘、稳定刀盘和给刀盘提供动力;伸缩护盾是实现双护盾模式的主要机构,主推进油缸、刀盘电机、反扭矩油缸全部布置在伸缩护盾内。后护盾在掘进过程中撑开支撑盾,对掘进机起支撑和稳定作用,并通过安装在后护盾上的辅助推进油缸,对安装好的管片起支承作用;尾护盾是为管片安装提供安全保障的区域,管片安装器设置在尾盾内。TBM主机皮带机贯穿于刀盘至尾盾的中央空间。后配套联结桥是联结TBM机头和单轨段的装置,该区域为轨道安装区域,风筒除尘器可布置于此。后配套单轨段仅设置一条轨道,因此叫单轨段,轨道主要停放管片和豆砾石车,后配套双轨段是布设两条轨道的区域,主要为出渣和错车使用,后配套斜坡段是动力机车上下后配套的必要设施,在该处还进行供水钢管的安装。
2 双护盾TBM掘进施工
2.1 双护盾模式
双护盾模式施工即掘进和衬砌同步进行,互不影响,掘进速度快。施工时后盾的支撑盾伸出,先后后前启动出渣皮带机,转动刀盘,主推进油缸向前推进;同时,辅助推进油缸传递推力和辅助管片拼装。当掘进一个行程后(主推进油缸全部伸出),刀盘停止转动,伸出前稳定器,收回后支承盾,主推进油缸拉回,进行换步,完成换步后,继续下一行程的掘进。在掘进过程中,由于刀盘向一个方向有阻力旋转,对机头产生一定的扭力,伸缩盾中的反扭矩油缸在电脑PLC程序的控制下及时调整消除刀盘扭力所引发的盾体侧滚,来保证TBM的运行姿态。
2.2 单护盾模式
由于围岩的限制,如果撑靴不能顶住岩石或岩体较为软弱或破碎不适宜使用双护盾模式时,前护盾和支撑盾合成一体,伸缩护盾完全闭合,主推进油缸完全收回。施工时先后后前启动出渣皮带机,转动刀盘,辅助推进油缸向前推进,当掘进一个行程后,刀盘停止转动,辅助推进油缸配合管片安装机进行管片安装,管片安装完成后继续下一行程的掘进。由于掘进时需要辅助推进油缸产生必要的推力,掘进和管片拼装无法同时进行,前进速度相应降低。
由于在双护盾模式下,掘进和管片安装同时进行,掘进速度快,因此我们常在双护盾模式下工作。当TBM掘进到土洞、煤层段时,如果撑靴不起作用,那么只能靠辅助推进油缸来推动掘进。掘进和管片安装无法同时进行,掘进速度相应降低。
3 出渣及材料运输
1)出渣运输。
TBM出渣运输系统由三条皮带机(主机皮带机、后配套1号、2号皮带机)、装渣装置(扒渣机或移动卸料小车等)和出渣列车组成,每组列车可以装运TBM一环管片的开挖渣料。装渣人员可以利用扒渣机将出渣火车推到装渣点或利用移动卸料小车进行布料,装渣时不需要利用出渣火车车头推动,以减小作业空间的空气污染。
当出渣火车装满弃渣并重新加挂管片车和豆砾石车后,将渣车推到洞外至渣车平台由翻车机械倒空渣斗,然后用常规方式进行渣料的弃运。
2)其他施工材料运输。
在双护盾TBM施工中主要材料有管片、豆砾石和水泥,运输列车最前端为管片车,管片车的数量根据掘进进尺确定;管片车后部为豆砾石车,豆砾石车的容量及数量也由掘进进尺决定;后部为渣斗车,渣斗车的容积总和为每一循环掘进进尺所开挖渣料的虚体积,并有一定的富余度;在渣斗车后挂接平板车,运输灌浆水泥及其他材料。
3)车辆调度。
采用机车出渣时,为了保证掘进施工的顺利进行,施工调度非常关键,调度不力将直接影响施工的正常进行,甚至会发生撞车事故。根据隧洞洞径尺寸和费用等原因,一般洞内只布置单条运输轨道,在没有错车装置的部位,只能单向行驶,因此单条轨道的长度决定运输时间。车辆调度分三部分:后配套调度、洞内调度和洞外调度,三部分的调度由洞外调度总控制。
在后配套的调度:在后配套双轨段平台上可停放两组列车,接渣时通过卸料小车的移动将渣斗依次装满,卸料小车设置两个出料口,可分别装载两列车辆,一列渣车装满后即可挂接空材料车辆驶离后配套。
在洞外的调度:重载列车和空材料车驶出洞,进入调车场摘除材料车后,重载列车驶入翻渣机进行翻渣,每次翻渣两斗,用时3 min,20 min全部翻完。材料车进入材料场进行材料装车,在25 min内将管片车和豆砾石罐车装完。此时空渣车、管片车、豆砾石车重新编组到洞口处等待。
在洞内的调度:主要靠错车平台调度。错车平台设置双轨,其长度要满足列车编组的长度并有一定的余量,错车平台两侧有上下平台的斜坡段。
4 管片的安装
在双护盾TBM施工中,衬砌一般采用预制管片形式,预制管片在TBM尾盾中安装。管片车输入洞内的管片通过管片吊机吊至管片喂片器上依次摆放,管片安装器从喂片机上抓取管片,旋转至所需要安装的部位,就位后辅助推进油缸顶推,使管片通过设置在管片侧壁的定位销紧密联结在一起,辅助推进油缸顶推直至下一环该部位管片开始安装。
5 豆砾石回填和灌浆
5.1 喷豆砾石
在开挖面和管片背面之间存在一环形空腔,必须用豆砾石回填密实并进行水泥灌浆,使管片与洞壁形成一个稳定的整体。管片生产时在适当的位置预留了灌浆孔,安装时可兼作安装孔使用(视管片安装器形式决定),经过筛选的豆砾石用列车的豆砾石车运到洞内,豆砾石车的豆砾石罐可采用安装在豆砾石泵上端的吊具吊至豆砾石泵接料斗上方。打开豆砾石罐仓门将豆砾石送入风泵,风泵按既定的速率将豆砾石通过管片上的灌浆孔吹入管片后部的环形空隙。豆砾石回填的顺序是先底后顶,按照设计孔位和施工工序进行施工。
5.2 灌浆
灌浆在掘进机后部实施,按照既定的施工工艺采用环间分序、环内加密的原则进行。其中每隔20环设封闭环,以达到灌浆起压效果,保证灌浆结石的强度,受双护盾施工的影响,封闭环的设置是一个比较困难的问题,目前采用管片预埋灌浆细管,采用高发泡化灌材料形成封闭环效果比较理想。
TBM施工是个庞大的系统工程,各部分都可作为一个独立的对象进行研究,在施工中总结实践经验,改进影响施工进度因素,极大的发挥TBM工作效能,将更好的推进TBM 发展,为安全施工和改善施工环境创造条件。
[1] 陈 淼.盾构机在⑤2层地质条件下进洞技术的研究[J].山西建筑,2009,35(24):336-337.
