兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM长距离滑行技术

1　工程概况

兰州市水源地建设工程将刘家峡水库作为引水水源地，向兰州市供水。输水隧洞为其控制性工程，全长约31km，采用两台双护盾TBM和钻爆法联合施工。TBM1施工段全长12.226km，其中TBM掘进段长10.73km，开挖洞径5.48m，桩号T11+221m～T12+717m段前期由钻爆法开挖，开挖洞径5.58m，TBM1需要长距离滑行通过并安装管片，共长1496m，具体施工布置如图1所示。

 

图1　TBM1施工段示意图

2　TBM掘进段与钻爆段精确贯通问题

TBM1施工段在桩号T11+221m～T12+717m段为接触带不良地质洞段，在TBM1到达之前已采用钻爆法处理，虽然通过TBM1的5#施工支洞进口与接触带竖井进行了人工测量，但长距离测量存在累积误差，因此存在TBM隧洞与钻爆段精确贯通问题。TBM1垂直与水平调向能力为2～3mm/m，如果偏差过大，则需要在距离T11+221m较远的时就进行调向，否则贯通时TBM1洞轴线与钻爆洞轴线无法重合，后续处理较为困难。另外，TBM大角度调向会造成管片安装困难、安装质量差、管片破损等不良后果。因此,应采取一定的措施保障TBM与钻爆段的精确贯通。具体措施如下：

（1）在TBM1掘进距离桩号T11+221m约500m时分别从5#支洞进口和接触带竖井进行人工测量复核，以修正TBM自动导向数据，如果出现偏差，则提前调向，在贯通前50m时将垂直与水平偏差控制在15cm以内。

（2）TBM在贯通前约50m时停止掘进，在钻爆段桩号T11+221m掌子面向前方钻孔，钻孔直径75mm，钻孔贯通TBM隧洞的掌子面，通过钻孔测量TBM掘进隧洞与钻爆段隧洞的轴线偏差，提供TBM调向数据。

3　滑行方案

3.1　滑行段轨道床布置

滑行段TBM采用单护盾模式滑行，TBM的伸缩护盾处于收缩位置，TBM的前、后护盾置于主洞底面的现浇混凝土轨道床之上，轨道床底部中线两侧各25°位置预埋滑行钢轨，其位置与护盾底部两侧耐磨条的位置相同，TBM主机荷载通过钢轨弧底分担传递。TBM滑行时所需要的推力由辅助推进油缸支撑在安装完成的管片上提供，主机在钢轨上向前滑动，为防止TBM滑行时被卡住，要求钢轨光滑顺畅，将预埋钢轨精度在水平和垂直方向上控制在±2mm以内。

3.2　滑行段辅助工作

滑行段两端与岩面（上、下游掌子面）接触位置各留0.5m不安装钢轨，作为TBM过渡至轨道床使用，掌子面要求处理垂直、断面平整。

在滑行段喷混凝土等施工完成后，利用滑行模拟支架检查成型的洞室质量能否满足设计要求，对不满足设计要求的部位及时进行消缺处理，保证TBM顺利滑行通过。

为保证TBM顺利贯通，滑行段前15m洞段断面尺寸直径需要复喷至5.68m，主要用于TBM进入滑行段的姿态过渡，其他洞段复喷至直径5.58m，复喷需要在贯通前完成，确保TBM以良好的姿态进入滑行段。

为保证掘进段向滑行段过渡时的管片安装质量，需要用钢板将管片环向、纵向进行连接，做到平顺过渡。

掘进方式转变：在掘进至上游贯通掌子面10m时，放慢掘进速度，减小推力，降低刀盘转速，缓慢掘进，最大限度将掌子面岩石通过皮带系统运输出洞，减轻贯通后的石渣清理量。

贯通后清理刀盘前部岩渣，随后将刀盘边缘滚刀、刮刀拆除。清理岩渣主要采用铲车和三轮车运至竖井吊运出渣，部分渣料无法直接铲起运出，需人工回填入刀盘内由TBM出渣系统传出洞外。

刀盘前部渣料清理完成后，继续安装管片，从管片处获得反力前进，直至TBM主机平稳落在轨道床上。为使前盾盾壳平缓滑入轨道床，对过渡区域1m轨道进行削坡处理（用氧气乙炔切割成带10%坡段的斜坡并打磨倒角处理）并一次性将TBM推至轨道床上，推进过程中始终保持姿态抬头趋势。

3.3　滑行方式

滑行段双护盾TBM的滑行方式采用混凝土弧面轨道滑行方式，在滑行过程中TBM刀盘不转动，皮带系统不运行，其他工序如风筒延伸、水管延伸、电缆延伸、轨道延伸、连续皮带延伸、管片安装、豆砾石回填、灌浆等正常进行。TBM出洞后将刀盘旋转到一定状态，拆除边刀和刮刀后即可开始滑行。

滑行过程中，为减少主机前进的阻力，在轨道床轨道上涂抹黄油，对不平整的轨道及轨道床进行打磨、凿平处理。

刀盘进入滑行段时，调整TBM姿态，及时消除油缸行程差，保证盾体以良好的盾体姿态进行滑行（在刀盘出洞停机出渣完成后，如姿态有偏差，需要测量人员在刀盘前部复核TBM姿态，确保TBM姿态摆正进入滑行段）。在日常掘进中保持良好的纠偏习惯，中心偏差控制在50㎜以内，保持管片姿态跟TBM姿态的一致性。

滑行过程中操作人员要灵活掌握掘进姿态，及时消除油缸行程差，防止机头单侧触碰围岩、盾体滚动等，给快速滑行造成影响。

3.4　TBM滑行进度计算

全环安装管片滑行时间计算：安装一环管片按照平时掘进拼装时间用时20min；按照主/辅推油缸最大理论滑行速度120mm/min计算，考虑空推过程中油缸行程调节控制用时较多，按照60mm/min速度进行计算，空推一环用时25min。

单护盾模式：空推一环25min，拼装管片20min，加工序衔接共用时50min，每天滑行按照20小时计算，（20×60/50）×1.5=36（m），考虑轨道安装、皮带延伸、风水电延伸等工序衔接耗时，按照时间利用率60%考虑，36×60%=21.6（m），每天滑行22m，故1496m/22=70（天），加上硫化皮带3天时间，共计需要73天。

双护盾模式：管片拼装不占用滑行直线时间，TBM设备空推计划用时 25min/环；豆砾石吹填一罐用时35min，加上豆砾石罐卸料时间8min，共需43min，豆砾石吹填占直线工期，每天工作按照20小时计算，（20×60/43）×1.5=42（m），考虑各工作面工序衔接耗时，按照时间利用率80%考虑，42×80%=34m，每天滑行34m，故1496m/34=44（天），加上3天硫化皮带时间共需要47天。

3.5　滑行段材料运输问题

TBM滑行时除刀盘不转动、不掘进之外，其他工序如安装管片、豆砾石回填、灌浆、轨道延伸、电缆延伸、风筒延伸、硫化皮带等与正常掘进时完全相同。

TBM滑行循环为1.5m，一环管片安装时间需要30分钟，管片水平运输、勾缝及封孔、底拱注浆耗时38分钟，豆砾石吹填40分钟，所以不考虑管片安装时间，豆砾石吹填控制滑行进度。滑行一个行程1.5m用时为40分钟。

滑行时列车编组为1台牵引机车、4节管片车（每节3块管片，共12块，为2环的量）、1节豆砾石罐车（6.5m³，约1.5环的量）、1节水泥罐车、1节载人车及1节其他材料车（轨道、风管、电缆、水管及其他材料等）。

为尽量缩短列车运料时间，利用列车后配套上的加利福尼亚道岔和距离洞口5km布置的加利福尼亚道岔，可以实现由5列机车组成的一个运输循环（另外第6列机车属于检修备用机车）（如图2所示）。即：第1列满编机车在TBM台车上豆粒石回填灌浆部位供料，第2列满编机车在TBM台车上的加利福尼亚道岔处等候，第3列满编机车在距离洞口5km的加利福尼亚道岔处等候，第4列满编机车在洞口等候进洞，第5列机车正在洞外装材料。当第1列机车的管片卸载完毕，豆砾石、干粉料用完之后，该空载列车向距离洞口5km处的加利福尼亚道岔前进，此时第2列等候的机车继续卸料，等第1列机车到达加利福尼亚道岔时与和原来停在此处的第3列载料列车错车，载料列车前进到TBM台车上继续等候供料，空载列车则继续运行到洞外，此时洞外等候的第4列机车向加利福尼亚道岔前进，前行至加利福尼亚道岔处等待，空载列车出洞运行至料仓处装料，已装好料的第5列机车前往洞口等候进洞，如此完成一个运料循环。根据列车空载和满载运行速度和施工部位距洞口距离，保证两列小火车在道岔处错车的时间点，实现每4小时50分钟有三罐豆砾石运输到施工部位。三罐豆砾石共19.5m³，能满足4环管片豆砾石的回填量。