(1.广东华隧建设集团股份有限公司,广东 广州 510000;
2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510000)
【摘 要】 硬岩掘进机TBM设备在穿山隧洞工程中应用越来越广泛,以其经济型、安全性、环境友好的特点,成为机械化隧道施工的重要设备,应用于长距离硬岩隧道的开挖。在隧洞断面较小的情况下,TBM整机设备设计往往会比较长,在山岭隧洞施工,始发场地又是各种条件限制,因地势、用地、工期等原因始发场狭小,设备无法整体始发。本文通过工程实例,阐述了有限的施工条件中,通过采取技术措施,实现超长TBM的始发掘进。
【关键字】 小半径 分体始发步进 设备改造 场地布置
1 概述
由广东华隧建设集团有限公司承建的榕江关埠引水工程,该项目是广东省重点水利工程项目,项目位于广东省的粤东地区,主要包括汕头市的潮阳区和揭阳市普宁市,该工程是韩江榕江练江水系连通工程的四个子项之一,也是最关键的控制性工程,其中输水隧洞采用的是TBM设备进行施工,是广东省水利工程行业中首个应用TBM设备进行隧洞掘进的工程项目。
TBM输水隧洞总长26.775km,分3段采用3台双护盾式TBM进行施工,隧洞开挖直径Φ5.06m,采用拼装预制六边形钢筋混凝土管片衬砌。其中的1#TBM洞段,隧洞长8.5km,项目始发场地位于村落旁山脚林地,TBM采取洞外分体组装,组装场地位于1#隧洞入口处,受规地势条件及征地的影响,施工始发场地直线段仅有50m,转弯段仅能满足R=150m小半径转弯,对超长TBM的始发带来了非常大的困难,整体始发需要重新协调项目用地,大大的增加施工难度、成本、工期。
图1 TBM进洞场地图
2 始发技术研究
1#TBM设备整机长度435m,其中主机长度13m,设备桥一号长9.5m,设备桥二号长9.7m,后配套47节拖车长约402m。始发场地位于山脚边坡,经边坡开挖支护及场地平整后,形成了一段平台长50m×宽20m和一段跟平台成135°夹角的400m的狭窄长坡,TBM设备布置中线调整后仅能满足R=150m的转弯半径,而TBM主机所需的最小转弯半径为300m,无法达到设备组装要求。由于工地组装场地限制,TBM设备的组装只有采取分段组装、分体步进的形式,主机部件的存放需预先指定存放区域,后配套台车从后向前分批次进场组装。
2.1 TBM 运输及组装安排
依据现场场地条件,TBM运输进场顺序需满足现场组装场地及存放规划,根据阶段性组装进度计划及场地存放计划,制定TBM各部件的进场顺序,避免场地的堵塞造成造成交通不顺而影响组装效率。计划各部件分为四批依次进场,具体进场顺序如下:
第一批:后配套拖车(斜坡轨-10#台车)及附属设备——线缆、管路——随机工具——随机资料。
第二批:刀盘及组件——前盾及驱动箱——扭矩臂——伸缩盾(分块)及盾体平台——支撑盾——管片机——尾盾——主机皮带机(含皮带、硫化机、硫化材料)——设备桥及组件——1#台车。
第三批:后配套拖车(2-9 节)——线缆、管路——刀具修理间。
第四批:连续皮带机相关组件——随机配件。
TBM分体组装顺序:
后配套拖车组装和TBM主机组装步进同步进行以减少工期,主机组装顺序受到安装场地影响,主机安装必须在直线段进行安装,只能在隧洞轴线和洞外50m区域进行,特制了一套可移动式钢托架,在距离洞口约20米处洞轴线位置开始组装,同时后配套拖车组装在斜坡段尾部进行安装,再沿着斜坡依次往洞口拖上去。
2.2 主机分体步进
由于主机段无法转弯,需在洞外直线段进行组装后再往前步进,为减少常规砼导台的浇筑和凿除工作量,项目部预制了三段钢托架基座,钢托架由工厂进行加工制作,每段长9.2m,宽3.6m,高0.6m,底部由横纵向的H型钢组成底梁,同时在场区底板安装了预埋件,进行钢托架安装固定。
托架顶部为左右两道对称的43钢轨,用于TBM步进过程盾体支撑和步进滑动,另现场加工了一套支撑反力装置,放在管片拼装机下部的千斤顶前方,架上再放置了两个钢牛腿与托架固定提供反力,并可以随着主机的移动,预制钢托架便于拆解,可以再用于2#/3#TBM段始发,节省组装成本。
主机分体步进需先外接TBM底部辅推千斤顶的液压管路,使辅推千斤顶无需全部安装完毕也能提前使用,启动底部的2组千斤顶为步进提供动力,辅推千斤顶行程是2.5m,做为每次步进行程,再固定支撑反力装置,经计算推力控制在400KN左右,即可稳步推进盾体步进。
反力装置的钢支撑架采用钢格栅结构形式,模拟管片的弧形尺寸结构,长度为2.5m,同时设置连接孔,当TBM步进行程走完后,直接把连接孔和辅推千斤顶固定,利用千斤顶收缩将反力装置往前拖动,同时拆除反力牛腿,往下一步进行程位置安装,再重复上一循环作业,反复往前推进。当一个9.2m的预制钢托架完全脱离TBM后,则将后面的钢托架固定件拆除,往TBM设备前方线路铺设及固定,从而利用3个钢托架可实现连续不断步进。
图4 可调节反力装置
2.3 小半径段过弯措施
1)调整设备线路中心:因隧洞洞口中心与长斜坡直线段的夹角将近135°,为获得最大的转弯半径,经过CAD上线路模拟,在后配套拖车不侵限的情况下,洞口段的设备中线要尽可能往右侧偏移,斜坡段的设备中线需尽可能往东侧偏移贴近坡顶边线,从而获得了最大转弯半径,经实测后也只能满足140m的小转弯半径。
2)小半径转弯段特殊处理:当后配套拖车按照140米转弯半径摆放时,会出现拖车转弯内侧结构的平台干涉,拖车无法连接,因此新增了一段短的连接销,加大了拖车间的距离避免干涉,又由于电瓶车编组是在拖车上行走,拖车间距离加长后,铁轨就无法衔接,就需重新加工转弯段专用的铁轨,拖车通过转弯段前进行更换,出去转弯段后再调整回正常轨道。
3)拖车重心平衡:原拖车设备制造仅考虑了隧洞内的工况,隧洞外的小半径转弯及斜坡并未考虑,且增加短的连接销后设备整体连接性就有所减弱,电瓶车重载通过转弯段时拖车出现重心偏移,极易产生倾覆,因此在转弯段拖车的另一侧上采取堆放铁轨进行重心平衡,解决重心偏移,同时对电瓶车进行重新编组,采用一个机头挂一节砂浆车、二节管片车,减少电瓶车编组重量,控制拖车整体重心不偏移太多,确保拖车过转弯段时的稳定。
4)电瓶车通行模拟:由于局部拖车上设备尺寸较大,为避免转弯段平板车与设备进行碰撞,特别在一节平板车上预制了个简易外框骨架,每次调整转弯拖车时,先用该节平板进行通行模拟,若可能产生碰撞则提前进行处理,减少设备损坏。
3 结语
榕江关埠引水工程项目的“三江一号”双护盾TBM自2020年4月15日始发,2021年9月17日完成掘进任务,用时520天完成隧洞贯通,其中日最大掘进35环(49m),月掘进最高达586环(820.4m),通过本项目技术研究编制的《TBM分体始发钢托架连续步进工法》《超长TBM设备小半径始发技术》分别获得了广东省省级工法和广东省土木建筑学会科学技术奖,同时也为后续二期工程和类似TBM工程提供宝贵的借鉴经验。
图5 获奖证书
参考文献
[1] 刘俊生.双护盾TBM小半径曲线地铁隧洞施工技术.中国新技术新产品,2016
[2] 徐艳群.TBM超小曲线半径始发技术研究.建筑机械,2021