1、长大隧道快速施工关键技术与设备研究高菊如 罗建春 涂文轩（中铁西南科学研究院有限公司，四川成都，610031）摘要：隧道掘进和衬砌是隧道施工中两个重要和主要的施工工序。传统的顺序施工模式和设备无法满足隧道在施工速度、施工质量、综合成本和运营安全等方面要求越来越高的现状以及隧道越修越多、越修越长的市场需求。笔者提出了一种新的能够实现隧道掘进与衬砌平行施作的联合作业模式，研制了能够实现这种模式的全环内通式衬砌模板台车，并将这些研究成果成功应用于辽宁省大伙房输水工程的修建。文中首先简要叙述了开敞式 TBM 和双护盾 TBM 的特点，并针对不同应用领域进行了优越性对比分析；然后介绍了大伙房输水工程中
2、TBM 选型；最后阐述了全环内通式衬砌模板台车的主要功能、特点和应用效果。关键词：长大隧道；快速施工；TBM；全环内通式衬砌模板台车；联合作业1 引言随着科技和经济的迅速发展，地表空间越来越有限，开发地下空间并为人类创造更好的生活环境就显得非常重要。越来越多的长大隧道工程出现在铁路、公路和水利水电工程修建中，成为控制整个工程工期的关键。目前隧道施工一般采用钻爆法和 TBM 法两种。不管是钻爆法还是 TBM 法，隧道施工工序大都由掘进、装碴、运碴、初期支护和二次衬砌等组成，而掘进和衬砌是隧道施工中两个重要和主要的控制整个工程工期的关键施工工序。因此，如何在有限隧道空间内处理好掘进与衬砌之间顺序关
3、系非常重要。钻爆法和开敞式 TBM 施工中，隧道掘进和二次衬砌一般采用顺序作业的施工模式，即在掘进完工后，再浇注混凝土衬砌。双护盾 TBM 虽然可以实现隧道掘进与安装预制混凝土管片平行作业，然而预制混凝土管片形成的隧道二次衬砌表面质量远不如现浇混凝土衬砌质量。传统的隧道施工模式、工艺、工法和设备均已无法满足现代隧道施工要求，因此，非常有必要研究隧道工程中的新型快速施工技术和设备选型，并为今后类似的隧道工程提供参考。辽宁省大伙房输水工程是辽宁省“十五”期间一项重要水利工程，是解决辽宁省中部抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口和盘锦六城市工业用水和生活用水的大型水资源配置工程，受益人口近 1000 万人，
4、对辽宁省中部地区的经济、社会发展具有十分重要的意义。大伙房输水工程主体建筑物为一长 85.32km 的输水隧洞，工程总体布置上充分利用天然地形，在适当的位置一共布设了 16 条施工支洞。主洞线洞室埋深较大，一般为 100300m，岩石多为中硬岩，微风化，围岩工程地质分类结果类围岩占 30.9，a 类围岩占 23.4，b类围岩占 35.0，、类围岩占 10.7，成洞条件较好，对 TBM 施工有利。隧洞施工采用以 TBM 为主，钻爆法为辅的施工方法。前 21.61km 采用钻爆法施工，后 63.71km 中除有 2km 采用钻爆法施工外，其余采用 3 台 TBM 分成 3 个标段（即TBM1、 T
5、BM2、TBM3 ）施工，每台 TBM 的掘进长度在 1820km 左右，TBM 掘进开挖的隧洞洞径为 8.0m。工程总工期 6.22 年，总投资 54.67 亿元。要建造如此工期紧、质量要求高的世界第一长大隧洞，传统的隧道施工方法、工艺和施工设备均不能满足要求。为了提高整个工程的施工速度和施工质量，降低工程综合成本，业主采用了开敞式 TBM 掘进和全环内通式衬砌模板台车联合作业的施工模式，提高了隧洞综合施工效率。2 TBM 选型2.1 开敞式 TBM开敞式 TBM 的结构主要由主机和后配套装置等系统构成，主机包括旋转刀盘、护盾、主承重梁架、支撑靴、后支撑、灭尘、出渣、机械液压传动等系统构成；
6、后配套系统主要由动力站、液压控制站、操作控制室、通风系统、出渣和物料运输系统、激光定位系统以及供排水系统等一系列后配套设备构成。旋转刀盘位于开敞式 TBM 前端，其直径与隧道开挖直径相同。掘进时，通过液压传动系统给旋转刀盘施加压力，刀盘上的滚刀旋转切碎岩体，由装在刀盘周边的集料斗转至顶部通过皮带机将岩渣运至机尾，卸入相关运输设备运走。当支撑靴伸出并固定支撑在隧道壁时，开敞式 TBM 推进油缸以支撑靴为支点，推进 TBM 前行。2.2 双护盾 TBM双护盾 TBM 除了旋转刀盘外，另外还有三段护盾，即伸缩护盾（能够在外部大护盾内部穿行的小护盾） 、支撑护盾和尾部护盾。在硬岩中施工时利用支撑靴支撑
7、洞壁传递反力，驱动组件将动力传递至刀盘，刀盘旋转切削岩体，当设备前行时伸缩护盾伸出，稳定围岩。隧道掘进过程中支撑护盾处于静止状态，管片安装工人在安全的尾部护盾内安装预制混凝土衬砌管片。因此，双护盾 TBM 可实现掘进与安装预制混凝土衬砌管片平行作业，提高隧道综合施工效率。而且，封闭的护盾内部提供了安全可靠的工作环境，确保隧道施工的安全性。当围岩不足以支撑靴支撑洞壁传递反力时，双护盾处于单护盾施工模式。此时，掘进与安装预制混凝土衬砌管片只能顺序作业。2.3 开敞式 TBM 与双护盾 TBM 的选型比较不管是开敞式 TBM 还是双护盾 TBM 都有自身的优缺点。在设备的选型过程中应当考虑如何扬长避
8、短，充分发挥出 TBM 的掘进速率和增加有效掘进时间。目前还没有一种可在任何地质条件下都能够掘进施工的 TBM。因此，在选型过程中，可根据全线 80的地质条件选择匹配相应的 TBM。2.3.1 对地质条件适应性的比较在软弱、破碎地层中掘进时，双护盾 TBM 既可更长时间地利用自身盾壳支护围岩，又可利用已安装的管片来提供推力完成掘进。开敞式 TBM 不但初期支护时间较长，围岩也不能为支撑靴提供足够的支撑反力推进设备掘进。在中、硬岩地层中掘进时，岩体相对较完整，围岩自稳能力强。开敞式 TBM 盾壳短，岩面暴露早，可尽早地对隧道围岩做地质描述和分类，以便对围岩进行有效地支护。双护盾 TBM 掘进时，
9、只能依靠判断岩碴和掘进参数的变化，才能间接地了解刀盘前方掌子面围岩变化，从而指导使用不同配筋率的管片作为衬砌，其随意性较大。与开敞式 TBM 的换步行程长，以及在中、硬岩中可不支护或少支护相比，双护盾 TBM 换步行程短，管片安装时间长、辅助工序复杂等。2.3.2 初期支护与混凝土衬砌型式的比较开敞式 TBM 的初期支护完全遵循 “新奥法”进行，其开敞式设计为钢拱架、钢筋网等的安装以及岩石锚杆钻机、超前钻机等设备的正常工作提供了有利空间，使得初期支护更加简单、及时、灵活和有效。开敞式的混凝土衬砌属于复合式混凝土衬砌施工中的二次衬砌，在二次衬砌过程中采用模板台车整体浇注，其浇注速度和混凝土衬砌质
10、量都易于得到控制。双护盾 TBM 没有初期支护，它的初期支护和永久衬砌是一体的，即由掘进期间盾尾后部拼装的预制混凝土管片环构成。这种衬砌的缺点是管片衬砌外的围岩地质情况无法得到有效的了解，影响了管片（轻型管片或重型管片）选取的合理性。同时，衬砌表面质量远不及现浇混凝土。采用预制管片衬砌的双护盾 TBM，与采用复合式衬砌的开敞式 TBM 相比较，复合式衬砌（初期支护二次混凝土衬砌）的成本更低。这是因为：（1）预制管片混凝土等级强度需达到 C40C50、厚度约 3045cm、混凝土配筋 100350kg/m 3。而二次混凝土衬砌，混凝土强度只需达到 C30、厚度 30cm、混凝土配筋 40kg/m
11、3 左右或者不配筋。 （2）生产混凝土预制管片，需要昂贵的、满足周转的大量钢模具、生产厂房和管片堆放地。2.3.3 通过不良地质段解决方式的比较开敞式 TBM 由于顶、侧护盾仅有 3.04.5m 长，当通过不良地质段时，可用少量的钻孔对刀盘前方做全环封闭栓塞式超前预灌浆处理。而双护盾 TBM 由于盾壳长、无效钻孔的距离长，不仅成本高，机器内部也无法布置钻机设备的位置，无法做到全环封闭的超前预灌浆。2.3.4 掘进与衬砌平行施工的比较如前所述，双护盾 TBM 可实现掘进与安装预制管片平行作业，提高了隧道的综合施工效率。而常规理念的开敞式 TBM 掘进与衬砌采用的是顺序作业的施工模式，即掘进完工后
12、再进行二次衬砌，这对于总工期要求很高的工程是很不利的。为了充分发挥开敞式TBM 在隧道掘进过程中的优越性，弥补掘进与衬砌不能平行作业的不足，中铁西南科学研究院有限公司在与开敞式 TBM 配套的施工设备二次混凝土衬砌设备上进行了创新，提高了隧道综合施工效率。2.4 大伙房输水隧洞 TBM 选型经过专家论证和调研，结合大伙房输水工程洞线地质的实际情况，大伙房输水工程长约 84km，分三个标段，由三台 TBM 进行施工。三个标段分别由北京振冲工程股份有限公司、中铁隧道集团和辽宁省水利水电工程局承担，其中，TBM1 标段和 TBM3 标段采用的是美国罗宾斯公司生产的开敞式 TBM，刀盘直径为 8.03
13、m。TBM2 标段采用的是维尔特TB803E TBM，该 TBM 是维尔特原 TB770E 1995 年1997 年在瑞士费尔艾那隧道已掘进9.45km，经改装大修后出售给中铁隧道集团的，刀盘直径 8.03m。3 全环内通式衬砌模板台车图 1 全环内通式衬砌模板台车3.1 全环内通式衬砌模板台车在长大隧道快速施工应用的必要性钻爆法或开敞式 TBM 法隧道施工中，混凝土衬砌一般只能在掘进完工后才能进行，即掘进与衬砌只能采用顺序作业的施工模式。虽然双护盾 TBM 能够实现掘进与安装预制混凝土管片平行作业，但是预制混凝土管片构成的隧道衬砌结构质量远不及现浇混凝土衬砌。因此，在长大隧道施工中，现有的隧
14、道施工技术与设备均无法满足优质快速的隧道施图 2 优质的衬砌混凝土质量工要求。为了提高整个隧道施工技术水平和施工质量，缩短隧道施工综合工期，降低综合成本，非常有必要在长大隧道施工中应用能够实现开敞式 TBM 掘进与现浇混凝土衬砌平行作业的全环内通式衬砌模板台车。3.2 全环内通式衬砌模板台车的主要功能和特点（1）全环内通式衬砌模板台车采用液压、电气控制执行机构的动作与机械锁紧定位相结合的方式克服了抗浮难题，实现了台车各种功能，自动化程度高，安全性好。（2）全环内通式衬砌模板台车有足够的内净空，隧道施工运输车辆能够安全顺利地从台车腹下通过。（3）隧道掘进相关大型配套设施（如：TBM 连续皮带运输
15、机、高压电缆、进排水管和大直径风管等）能够穿过全环内通式衬砌模板台车内部，确保前方掌子面掘进工作正常运行。（4）全环内通式衬砌模板台车的模板为全环模板，衬砌后无纵向施工缝，实现了隧道现浇混凝土衬砌的全环整体一次浇筑成型。（5）混凝土养护期间，运输车辆通过全还内通式衬砌模板台车不会对混凝土品质产生影响。3.3 大伙房输水工程中的应用效果全环内通式衬砌模板台车在大伙房输水工程 TBM3 标段进行了 2km 的衬砌。施工期间，开敞式 TBM 掘进月平均进尺为 600m 左右，在冬季洞内混凝土入仓温度仅 10左右且混凝土供料严重不足的情况下，TBM 与全环内通式衬砌模板台车联合作业时衬砌速度达到144
16、m/月以上，TBM 掘进完成后衬砌速度达到 240m/月以上。该台车在该工程施工中，提高了隧洞的综合施工速度，使工程提前 2 个月完成；降低了隧洞的综合施工成本；提高了隧洞现浇混凝土衬砌质量。4 结论相对传统钻爆法而言，开敞式 TBM 与双护盾 TBM 在长大隧道施工中都具有明显的优势，如何有效地应用优势才是长大隧道施工中的关键。长大隧道施工过程中，当总工期较紧和施工质量要求较高的情况下，对开敞式 TBM 配套的施工设备进行创新，应用掘进与现浇混凝土衬砌平行作业的施工模式以及能够适应这种模式的全环内通式衬砌模板台车，具有重要的经济和社会效益。参考文献1 高菊如.关于铁路客运专线长大隧道采用全环
17、整体模筑衬砌结构的探讨J. 铁道工程学报,2004,增刊:158-159 转 132.2 高菊如,梅志荣等.铁路隧道全环整体模筑衬砌结构与设备的优化设计研究A.中国铁道学会,中国土木工程学会,茅以升科技教育基金委员会,西南交通大学.中国交通土建工程学术论文集C.成都:西南交通大学出版社,2006.522-525.3 高菊如等.全环内通式衬砌模板与 TBM 联合作业的设计与研究研究报告 R.中铁西南研字第 563 号,成都:中铁西南科学研究院有限公司 ,2008.4 中铁西南科学研究院有限公司.一种与掘进同步的衬砌方法以及实施该方法的衬砌台车P.中国 ZL2005 1 0021426.6,2006.02.08.5 唐与,黄柏洪.支撑式 TBM 与双护盾 TBM 在设计选型中的比较J. 现代隧道技术.2009,68-72.6 茅承觉 .全断面岩石掘进机（TBM ）在大伙房水库输水隧洞工程中的应用J. 建筑机械技术与管理.2006.12.58-61.7 徐光和.长大隧道快速施工技术J. 铁道工程学报.2007 年 12 月增刊.385-388.
