关于双护盾TBM始发技术的研究

周　清

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710032）

关于双护盾TBM始发技术的研究

周清

（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710032）

摘要：本文以兰州水源地工程为例，针对工业广场的地利限制条件，对双护盾TBM工程的结构特点、始发技术、皮带出渣、皮带支架的安装、辅助条件工作进行了详细地说明，论述了双护盾TBM快速始发的技术方案。通过对TBM始发方案的探讨，对整个工程的完成有着促进意义。

双护盾TBM；始发技术；辅助条件

近年来，先进的全断面掘进机（TBM）在地下工程中愈来愈显示其功能的优越性。尤其是双护盾TBM，在隧道施工中（如开挖、出渣、衬砌灌浆等平行作业）实现一次成洞，有效地利用隧道空间，使施工作业达到安全、高效和快速施工的目的。在一定的地质条件下，双护盾TBM掘进机能很好地解决岩石的非稳定性及涌水问题，其结构形式和特点越来越受到广大施工单位的青睐。针对兰州水源地建设工程，引进国内首台自主设计制造双护盾TBM，采用有效的始发方案，快速完成TBM的正常掘进条件，也为未来施工建设开拓更宽广的市场做好铺垫。

全断面隧道掘进机按支护形式可分为开敝式、单护盾、双护盾3种类型。开敝式TBM一般用于硬岩层的掘进施工，单护盾常用于软岩层及地下水位较高的不稳定地层施工，双护盾TBM又称伸缩盾TBM，具有硬、软岩层的倔强施工，工程建设中运用得很广泛，对山体断层多，地质复杂的情况能很好地顺利施工。通过对双护盾TBM结构特点及始发方案的准确把握，为工程顺利建设有着促进意义。

本工程标段范围为T16+160～T30+931输水主洞TBM施工洞段，采用一台双护盾TBM进行施工，开挖洞径5.49m。TBM在主洞口外的TBM工业广场组装，从主洞（桩号T30+630）直接步行通过钻爆施工段，始发逆坡向上游进行主洞掘进至通气井（桩号T16+160）处，在洞内拆卸后出洞，TBM2施工控制段长度14.1km，掘进长度12.1km，滑行安装管片长度2.0km。

1.双护盾TBM结构特点

本工程项目的双护盾TBM主要结构为：刀盘、盾体、连接桥、后配套等组成，整个设备全长约为310m。

1.1 刀盘

刀盘采用低合金高强度钢板焊接扁平式结构，分上、下两部，面板上布满网状式的耐磨焊条，通过高强度螺栓将刀盘法兰与主驱动连接，刀盘面板上布置有多个背装式注水喷嘴，可很好地解决刀盘除尘及降温。

该设备采用大容积的刮渣铲斗，能保证石渣通过溜渣槽进入接渣斗，并用皮带输送机排除到主机外。

1.2 盾体

盾体主要由前盾、伸缩盾、撑紧盾、尾盾组成，采用锥形设计，为焊接结构件，并在底部增加耐磨条保护。盾体结构如图1所示。

1.3 连接桥

连接桥由连接桥一及连接桥二组成，通过管片拼装机上两个φ250mm的拖拉油缸相连接，安装着主泵站、主控室、管片吊机等，为管片的拼装及钢轨储存预留了足够的操作空间；通过在连接桥上增添后配套皮带机，可将主机运输出的石渣标高降低，转运到连续皮带机上，运出洞口。

1.4 后配套

整个双护盾TBM后配套有25节台车，主要配套液压系统、豆砾石系统、水泥注浆系统、电气系统、水系统、通风系统、辅助系统等，通过一系列后配套系统的配合为掘进机正常运行提供了保障。

2.双护盾TBM始发总体方案

TBM主机组装完成后，采用一台32t卷扬机牵引的方法进洞。TBM滑行至掌子面后，安装反力架始发掘进。

图1　盾体结构示意图

钻爆段主洞为200m，TBM整机长约310m，即TBM滑行至掌子面后依然有部分后配套在隧洞外；此时连续皮带机皮带储存仓因安装位置不够无法安装，须TBM完全通过扩大洞室后才能安装连续皮带机皮带储存仓。因此，TBM的始发分两步进行：①TBM后配套在洞外时的始发；②TBM后配套在扩大洞室时的始发。待TBM掘进机通过上述区域后，再安装连续皮带机的皮带储存仓、皮带主驱动后才开始正常掘进。

2.1 始发前的准备

（1）TBM进洞前，在洞外组装及滑行基座上预埋钢轨。

（2）检查TBM滑轨，对损坏、变形必须修复。

（3）检查滑轨安装位置，如不符合要求，必须进行调整。

（4）准备编组列车，满足始发期间钢轨、电缆、风水管延伸等需要。

（5）在滑行钢轨上涂抹润滑脂，减少步进的阻力。

（6）在护盾后部两侧盾壳与预埋钢轨接触部位各焊接一块止转块，防止护盾在滑行过程中扭转。

2.2 双护盾TBM始发

双护盾TBM具备两种掘进模式，即双护盾和单护盾掘进模式，双护盾掘进模式利用撑靴撑紧洞壁提供掘进反力，单护盾模式利用辅助油缸顶推管片提供掘进反力。根据始发段的地质条件，选择双护盾模式始发。

2.2.1 始发前的准备

（1）始发基座的位置要使TBM轴线与隧道设计轴线基本保持一致，保证始发阶段隧道内衬不超限。基座在始发前做好，结构为混凝土仰拱内预埋钢轨，始发前混凝土基座要达到足够的强度。

（2）反力架安装位置要精确，在洞壁内预埋足够数量的预埋件，预埋件与反力架连接后的强度要能够承受TBM始发时的反力，并且预埋位置能保证反力架精确定位。反力架安装位置如图2所示。

（3）反力架做成环形钢结构件，环向采用6组预埋件与反力架连接达到满足掘进机始发所需的强度、刚度和定位精度。反力架主框架箱型结构，主要板材采用高强度的20mm钢板，确保其强度、刚度能承受始发的反力并具有一定的保险系数。反力架通过与预埋钢件在纵向和轴向位置上的可靠固定，满足推进油缸推进时的作用力。

（4）利用掘进机上配备的导向系统，调整TBM主机的姿态，使TBM主机的轴线和隧道轴线的误差在要求范围之内。

（5）掘进机刀盘切削岩体时产生巨大的扭矩，为了防止掘进机壳体在始发基座上发生偏转，必须在两侧的壳体上焊接止转块，在基座上铺设钢板条。随着掘进机的前行，止转块在钢板条上滑动，当止转块靠近洞口时将之拆除。

（6）安装好洞门的橡胶密封装置。

2.2.2 始发过程

推进油缸全部收回，安装反力架，通过螺栓和焊接的方式使反力架与预埋件牢固固定；在反力架上拼装第一环负环管片，采取先下部管片，在两侧最后上部的拼装顺序拼装管片，在环向上通过管片上螺栓孔相互连接牢固，纵向上管片通过反力架上加工的螺栓孔与反力架连接牢固，推进油缸顶紧管片；负环管片拼装完毕后启动TBM向前掘进，推进行程结束，开始拼装第二环负环管片，拼装时管片与管片之间的密封垫和螺栓连接处的密封圈必须安装。继续掘进，直到第七环管片安装完毕后，护盾此时全部进入TBM开挖洞内，停止掘进，从管片的注浆孔内进行注浆，注浆结束后，TBM开始继续向前掘进，完成TBM的始发。

2.2.3 始发注意事项

（1）TBM始发时要根据反力架和负环管片的承载能力，制定掘进参数，避免掘进扭矩超过反力架和负环管片承受的扭矩，通过目视和监测反馈数据及时调整掘进参数。

（2）严格控制掘进机姿态，防止旋转、上飘。

（3）起始环管片应准确定位，连接牢靠，不变形，上下左右对称，误差不大于1mm。起始环处管片衬砌同围岩之间的环形空隙，使用快硬性混凝土或水泥砂浆等材料填塞密实，以利闭浆。

（4）注浆时，要对首环管片的尾端密封严实，反力架与砂浆接触的部位涂抹脱模剂，防止跑浆和黏膜。严格控制注浆量和注浆压力防止砂浆反灌入护盾外侧区域，造成板结，影响掘进。

2.3 TBM始发阶段出渣方案

TBM开始掘进时，由于场地限制，TBM后配套一部分在洞外，此时TBM连续出渣皮带系统尚未形成，需采用临时出渣方案出渣。

2.3.1 TBM后配套在洞外时的出渣

TBM整机长约310m，钻爆洞室长度200m，TBM主机皮带出渣系统形成。出料口在TBM机260m处，即TBM滑行至掌子面开试掘进时，需在洞外出渣60m，出料口才能进入扩大洞室。

出料口在洞外时，采用直接弃渣的方案。将出料口溜槽加长，掘进时通过连续皮带直接将渣料甩到洞口，通过装载机，装到自卸汽车运至永久弃渣场。出渣位置如图3所示。

2.3.2 TBM后配套在洞内时的出渣

图2　反力架安装位置示意图

图3　出渣位置示意图

图4　皮带支架安装示意图

在TBM掘进至出料口进入扩大洞室后，将出料口溜槽方向改为向内，直接排至轨道上的渣料罐。制作5×1.5×1.5m渣料罐，每罐可装载10m3渣料，共制作5个，可装载TBM掘进一个行程（1.5m）所产生的渣料。掘进时，用小火车将渣料罐运到TBM上装载渣料，装满后运出洞外。通过龙门吊或汽车吊将渣料罐装到运输汽车运至永久弃渣场。

2.3.3 TBM后配套皮带架的安装

扩大洞室总长140m，当TBM后配套完全通过该区域后，安装连续皮带机即可开始正常掘进。

皮带支架采用吊架进行延伸，在预制管片时，在管片上预埋垫板或是螺栓，进行皮带支架的固定。

皮带驱动采用“头+尾”方式驱动，头部驱动的功率为630kW，尾部驱动的功率为315kW。皮带的带宽为：700mm。

2.3.4 皮带的硫化

皮带硫化在洞内进行，采用双头硫化的工艺，缩短皮带硫化时间。具体工艺如下：

（1）制作皮带摊放台车，该台车可以在小火车轨道上行走，同时还可左右移动。皮带支架安装如图4所示。

（2）在洞外利用汽车吊将皮带摊放到台车上。

（3）用小火车将皮带台车运输到洞内皮带硫化区侧面，用4台压机将皮带台车顶升与小火车轨道脱离，在皮带硫化工位（皮带主驱动与皮带储存仓之间）铺设横向轨道与皮带台车横向对齐，使皮带台车落到横向轨道上。

（4）利用杠杆原理，两人分别持一根撬杠撬左右行走轮处，将皮带台车推至皮带硫化工位。

（5）分两头同时开始硫化皮带。

3.辅助条件的准备

3.1 通风布置

采用轴流风机独头压入式通风方案。风管采用Φ1600mm、采用每节300m长的低泄漏、无缝、拉链式软风管。风机的功率为180kW。

通风软管布置在距离洞顶约200mm以下，用Φ8的钢丝绳连接，可以通过在管片上预埋垫板或是螺栓进行连接。

3.2 供水布置

供水从离施工现场约4km处的供水管网引接，在工业广场的指定位置处设置两个约800m³的低位水池，通过DN150的管路将水供至低位水池。

在征地范围内的最高处建立一座约300m³的水池，用增压泵将低位水池的水供至高位水池，并从高位水池通过DN125的管路供应TBM用水。

TBM供水管布置在进洞口的左侧（皮带架下方）洞壁，距底管片轨道安装面0.6m高处，供水管采用管箍连接。

3.3 排水布置

洞口布置两个沉淀池。由于TBM是逆坡掘进，顺坡排水，水可以通过自流的方式流向洞外的沉淀池。

3.4 供电布置

在洞口附近建立一座35kV的变电站，其中设置一台4000kVA的变压器，由35kV降压至20kV，设置另一台8000kVA的变压器，由35kV降压至10kV。

（1）TBM的供电直接从提供的20kV电源通过3×95的高压电缆引接。3×95高压电缆安装在供水管上方，距底管片轨道安装面1.2m处，采用电缆挂钩固定在隧道左侧洞壁上。

（2）在35kV的变电站旁布置两台800kVA的变压器，由10kV降压至400V。一路专门给皮带主驱动供电，一路给通风、主洞照明、排水及工业广场供电。

（3）照明线路采用35mm2三相五线阻燃绝缘电线，照明线支架利用管片的螺栓固定在隧洞右侧洞壁，距底管片轨道安装面1.5m处。线路布置如图5所示。

图5　线路布置示意图

结语

通过对双护盾TBM始发方案技术的研究，积累了双护盾TBM经验知识，为兰州水源地引水工程的顺利完成奠定了基础，更对整个工程的如期完成提供了保证。

[1]杜士斌.开敞式TBM的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2011：60-85.

[2]山西省万家寨引黄工程管理局.双护盾TBM的应用与研究[M].北京：中国水利水电出版社，2011：100-120.

[3]掘进机隧道掘进概论[M].北京：科学出版社，2014：86-90.

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