兰渝铁路西秦岭隧道TBM步进施工技术

兰渝铁路西秦岭隧道TBM步进施工技术
王峻武;陈大军
【摘要】随着地下工程技术的发展,TBM掘进机在国内应用越来越广,在钻爆法与TBM掘进法施工相结合的情况下,TBM步进距离较长,步进的速度直接影响工程建设的进度.在该工程步进的技术准备工作中工程技术人员对TBM步进的方式、方法进行研究和对比,提出了油缸推进、孤形滑道步进和电机驱动、整体托架步进两种方法,并时西秦岭隧道采用的步进方法的技术特点,控制重点和详细的施工方法进行了介绍、总结和研究,希望能为今后类似的工程提供借鉴.
【期刊名称】《铁道建筑技术》
【年(卷),期】2011(000)005
【总页数】6页(P101-106)
【关键词】隧道;TBM;弧形滑道;电机驱动;步进技术
【作者】王峻武;陈大军
【作者单位】中铁二十一局集团有限公司,兰州,730000;中铁隧道集团,甘肃武都,746042
【正文语种】中文
【中图分类】U455.43
1 引言
随着地下工程施工技术的飞速提高，特长隧道采用TBM施工也越来越普遍，尤其
是TBM与钻爆相结合的理念得到广泛应用后，TBM的应用将会更加广泛。

TBM
法施工是一种投资大、围岩适应差、作业方式不灵活但施工速度非常快、机械化及安全作业程度高的隧道开挖和支护方法。

我国长大隧道采用TBM施工始于西康铁路秦岭隧道，其后在西南铁路桃花铺隧道、磨沟岭隧道、中天山隧道使用。

TBM
步进作为TBM施工的一道工序，尤其是TBM与钻爆相结合使得TBM步进越来
越长，其施工周期更长，使得人们更加投入地研究其技术的先进性及可靠性。

兰渝西秦岭隧道TBM直径10.2 m，为目前国内铁路上直径最大的TBM掘进机，整机全长176 m，整机重1 800 t，前端刀盘及轴承等总重800 t。

根据施组要求，TBM步进指标为1 000 m/月。

不同国外厂家生产的机型一般建议采用的步进方法不同，本机型厂家建议采用油缸推进、弧形滑道步进方案，但本工程的技术人员通过细心研究大胆提出了电机驱动、整体托架步进的方案，并对两种步进方案进行了对比，对各自的步进技术进行了研究，为以后类似工程提供借鉴。

2 工程概况
兰渝铁路西秦岭隧道XQLS2标位于新建铁路兰渝线中段，地处甘肃省陇南市武都区境内。

西秦岭特长隧道全长28.236 km，为左右线分设的两条单线隧道，隧道
最大埋深约1 400 m。

隧道左线均处于直线，进口段以10‰、13‰、7‰上坡，出口段以3‰、4.6‰下坡。

隧道限界按时速200 km客货共线设计。

隧道穿越的地层岩性为:第四系全新统松散层，石炭系下统砂质千枚岩，泥盆系下统灰岩、千
枚岩、下元古界灰岩、变砂岩、砂质千枚岩，断层角砾岩和断层泥砾。

隧道穿越的断层为F6全新活动断层及 f60、f59、f55、f54 四条次生断层。

根据设计，本隧道采用钻爆法和TBM掘进联合施工，其中隧道出口在围岩好的地段分两段采用TBM掘进:第一段长7 680 m，第二段长7 840 m。

本隧道TBM步进长度比较大，分为两段:第一段为洞口钻爆预备洞段，长约2 100 m;第二段为罗
家理斜井钻爆预备洞段，长约3 000 m。

本隧道施工工期非常紧，线下工程总工期61.5月，根据实施性施组安排，TBM步进速度要求1 000 m/月，这就要求该TBM步进方案必须具备可靠性及先进性，以满足要求。

3 西秦岭隧道TBM步进技术难点
(1)采用何种方式作为TBM步进驱动力
由于TBM预备洞采用钻爆施工，在步进前未进行砼衬砌，钻爆开挖后边墙凹凸不平，无法利用TBM上撑靴作为步进驱动力。

(2)如何解决仰供预制块随步进同时安装时的平整度及稳定
预备洞底部设计为平底，仰供预制块为弧型，考虑TBM通过的预留值，则中线处平底距仰拱底距离25 cm，两边处达52 cm，采用何种楔块施工来保证仰供预制块的平整度及稳定。

(3)始发段如何步进过渡并进行掘进
4 TBM步进总体方案
根据以往的经验，结合现有的各种施工水平，首先确定了两种方案，一种为油缸推进、弧形滑道步进方案;另一种为电机驱动、整体托架轨道步进方案。

通过对两种方案的研究、比选选择最佳方案。

4.1 油缸推进、弧形滑道步进方案
TBM步进采用弧形钢板支撑刀盘放在弧形滑道上，弧形钢板上安装2组步进推力油缸(200 t×4，行程1.8 m)，以弧形钢板和弧形滑道的摩擦力作为反作用力推动弧形钢板带动刀盘总成前进，以1.8 m为一个步进行程，当刀盘前进1.8m后，采用前举升油缸撑起刀盘，伸长后支撑油缸，收缩推力油缸带动后配套前行，以此来实现TBM的步进作业。

该方法步进原理是:弧形钢板和弧形滑道的摩擦力大于TBM刀盘及总成与弧形钢板间的摩擦力因弧形钢板与混凝土弧形滑道间摩擦系数
约为0.5～0.6，而弧形钢板与TBM刀盘及总成摩擦系数约为0.1～0.2，且弧形钢板与弧形滑道接触面积大于弧形钢板与刀盘及总成的接触面积。

本方案的难点:
(1)弧形滑道的精确性。

只有滑道的弧形面最大程度与支撑刀盘的弧形钢板密贴，才能提供最大的摩擦力，保证动刀盘总成前进。

(2)如何保证TBM步进的安全性。

要防止推力油缸推进时，支撑刀盘的弧形钢板翻转而引起整个TBM失稳。

(3)推力油缸所提供推力是否足够大。

(4)如何提高主机步进速度。

(5)如何优化方案，节约TBM步进的成本。

4.2 电机驱动、整体托架轨道步进方案
TBM步进采用弧形钢板支撑刀盘，放在在弧形钢板两侧焊接的前端整体式托架上(8台整体式托架承载，每台可承载100多t，其整体式托架利用转向销将托架和轮对铰接固定，可防止TBM在推进过程中瞬间所承受的转载力)，整体式托架通过敷设在仰拱混凝土面上的整体式轨道由电机驱动(16台电机，每台1.5 kW)向前滑行;TBM撑靴处放在后端整体托架上，用轮轨从动前行;同时后配套牵引油缸同步前行。

滑行以1.8 m为一个行程，当主机前进1.8 m后，将整体式托架的走行轮锁死，后支撑腿收起，后配套牵引油缸收缩带动后配套前行，以此来实现TBM的步进作业。

本方案的难点:
(1)整体式托架及轨道设计的安全性，是否满足承载要求及稳定性。

(2)TBM主机步进一个循环，是否有足够的空间让后侧的整体式轨道如何迁移至TBM的前方重复使用。

(3)驱动电机的功率采用多大合理，并如何满足16个电机的同步运行。

(4)如何提高主机步进速度。

(5)如何优化方案，节约TBM步进的成本。

5 TBM步进工艺流程
5.1 油缸推进、弧形滑道步进方案
步进流程(见图1):施工准备(包括掘进始发段施工、导向槽施工、步进推力油缸安装、洞口场地硬化及出发导向槽施工、弧形钢板制作、TBM组装调试、滑行支撑
架安装)→步进推力油缸及推力油缸同时推进1.8 m，使TBM主机及后配套前进1.8 m→举升油缸举升TBM主机使主机脱离弧形钢板，同时后支撑支腿伸出使撑
靴的滑行支撑架脱离弧形滑道→步进油缸收缩牵引弧形钢板沿滑道步进1.8 m，同时主机推力油缸收缩牵引滑行支撑架步进1.8 m→举升油缸收缩，后支撑腿收缩→安装仰拱预制块敷设轨道，预制块注浆→进行下一循环。

图1 油缸推进、弧形滑道步进方案示意
5.2 电机驱动、整体托架轨道步进方案
步进流程(见图2):施工准备(包括掘进始发段施工、隧道底面整体式轨道垫层施工、洞口场地硬化、整体式轨道加工安装、整体式托架加工安装、K TBM组装调试)→后支撑支腿支撑地面→同步电机带动整体托架，拖动主机步进1.8 m，同时后配套牵引油缸伸长1.8 m→锁住整体式托架行走轮→收起后支撑支撑腿→收缩后配套油缸带动后配套步进1.8 m→安装仰拱预制块敷设轨道，预制块注浆进行下一循环。

图2 电机驱动、整体托架轨道步进方案示意
6 两种方案对比及方案确定(见表1)
表1 两种方案对比项目名称电机驱动、整体托架轨道步进油缸推进、弧形滑道步
进步进速度较慢，每月1 666 m(理论) 较快，每月1 822 m(理论)步进技术可靠
性较低(电机同步技术较难)较高(步进摩擦原理可靠)步进程序简单简单步进安全
性较低较高配件制作较复杂较简单配件费用较少较多钻爆施工时间可多施工
15 d 少15 d(必须提前施工基础)所需空间每边需扩挖20 cm，多开挖0.17 方/延米，5 000 m步进总计多开850 m2不需要步进道基础施工简单，投入低，速度快复杂，投入高，速度慢
经过专家论证会认真研讨，鉴于电机驱动时16台驱动电机同步技术不太成熟，扁担梁式托架走行轮的线位平整度要求很高，西秦岭隧道的TBM步进选择了弧形滑道步进的方案。

7 油缸推进、弧形滑道步进方案详细施工方法
7.1 掘进始发段隧道施工
原设计掘进始发段为圆形砼衬砌断面，见图3。

衬砌为C35钢筋砼，厚35 cm，初支为12 cmC25喷砼，长度20 m。

图3 设计始发段衬砌断面
如按原图施工，则无法滑进到掘掌子面，原图中无举升油缸、滑行托架的位置，并且该段要投入简易衬砌台车，且钢筋砼施工时间较长，须要提前停止预备洞钻爆施工，经济性较差。

为此，将该段作变更，采用Ⅰ20b工字钢喷锚断面，待TBM通过后再进行衬砌，其断面见图4，支护参数见表2。

图4 变更后始发段衬砌断面
钢支撑必须加工精确，架立准确无误，喷砼平整度达到1 cm，以保证撑靴获得所需要的反力。

表2 掘进始发段支护参数初期支护二次衬砌围岩级别C25喷砼cm系统砂浆锚杆HPB235拱墙厚度cm钢筋网长度m m×m位置直径mm间距间距cm×cm布网位置Ⅰ20b钢架榀/mⅢ 30 3.0 1.2×1.5拱墙φ8 25×25 拱墙0.5 30
7.2 滑道施工
在掘进始发段20 m、钻爆预备段约2 100 m、洞口外17 m施工步进滑道(为保证洞内作业面能施工以减少停滞时间，洞口外10 m最后施工)，步进滑道采用
C30砼。

为提高施工速度，提高滑道的精确度，以便为步进提供更大的摩擦反力，在钻爆期间先施工两边边墙基础，作为以后滑道模台车轨道铺放，钻爆停止、掘进始发段完成后采用滑道滑模台车施工中间部分。

滑道模板台车(长6 m)施工，要求平整度小于10 mm，砼采用坍落度3～5 cm干硬性砼，保证每天100 m速度，
完成该段施工。

经检算，边基部位举升油缸底部与混凝土基础面接触应力约为2 MPa，弧形钢板
与砼混凝土面接触应力约为0.3 MPa，后支撑与混凝土基础接触应力约3.8 MPa，边基及滑道基础均为C30混凝土，完全满足强度要求。

7.3 洞口段场地施工
TBM组装时，在隧道出洞口预留10 m(里程DIK423+362～DIK423+352)位置，保证在TBM进行组装调试时隧道内车辆的正常通行。

对洞口段20 m(里程
DIK423+382～DIK423+362)在TBM组装前需进行硬化处理，硬化采用1 m厚
C30混凝土(场地其余部位均采用30 cm厚C30混凝土硬化)，硬化宽度为隧道中
心线两侧各7.5 m范围，除前7 m滑道外混凝土面与隧道口仰拱预制块面标高(1 062.63 m)一致，如图5所示。

图5 洞口场地硬化示意
7.4 弧形钢板加工安装
主机下弧形钢板采用70 mm厚钢板加工，尺寸为7 688.5 mm ×5 736.8 mm
×70 mm(长× 宽×厚)，以外半径5 120 mm、内半径5 050 mm弯成弧形，弧
形钢板前应上翘3 cm，防止收缩油缸钢板推进时与滑道砼相碰阻力增大，后方应整体上翻10 cm，作为推进油缸的支撑，在弧形钢板端头焊接弧形钢板防扭工字
钢(524 mm×306 mm×21 mm×40 mm)，防止弧形钢板滑动过程中发生侧转，
如图6所示，TBM主机组装前应提前把弧形钢板就位。

图6 弧形钢板
7.5 滑行支架安装
TBM步进时撑靴都已收回，在撑靴下安装1个滑行支撑架，用于支撑TBM主机及支撑靴。

滑行支撑架在TBM组装时一起安装完成，当TBM步进时滑行支架向前滑行。

7.6 举升受力钢板、举升油缸安装
在护盾两侧对应的位置焊接举升受力钢板，安装举升油缸，如图7所示。

图7 举升油缸及受力钢板
7.7 步进推进油缸连接
TBM组装调试完成后，安装步进推力油缸，步进推力油缸共两组，每侧一组，每组2个。

步进推力油缸前部与护盾连接，后侧与弧形钢板连接，每个步进推进油缸推力200 t，行程1.8 m。

具体如图8所示。

7.8 TBM步进施工
(1)步进推力油缸及推力油缸同时推进伸长
步进各准备工作完成后，TBM步进开始。

TBM刀盘通过200 t×4个TBM步进推进油缸推进伸长1.8 m，同时 TBM撑靴处的推力油缸推进伸长1.8 m，使TBM 主机及后配套向前行进1.8 m。

图8 步进推进油缸连接
(2)举升油缸举升、同时后支撑支腿伸长
步进推进油缸伸展1.8 m后，用设在TBM主机护盾下方的二组举升油缸(每组3根150 t油缸)把主机进行举升，举升油缸将TBM护盾提升1～2 cm，使主机脱离弧形钢板，后支撑伸长至下部弧形滑道砼弧形上，使撑靴处的滑行支架举升脱离弧形滑道边部砼面1～2 cm。

(3)步进推进油缸、主机推力油缸收缩
TBM主机被举升后，通过四组TBM步进推进油缸收缩带动弧形钢板前行，同时
主机推进油缸收缩，带动撑靴处的滑行支撑架前行1.8 m。

步进油缸收缩完成后，举升油缸和后支撑支腿收缩，把TBM主机放置在弧形钢板上及滑行支架放置在下部混凝土面上，进入步进下一循环。

(4)步进至始发洞后，将主机刀盘顶进围岩，拆除举升油缸、步进推力油缸及支撑处滑行支架，使主机刀盘在弧形钢板上转动掘进，在TBM后配套全部通过弧形钢板后，将弧形钢板提至平板车上运出洞外。

7.9 仰拱预制块安装、后方仰拱块注浆、运输轨道安装
与正常掘进相同，采用后配套装备进行仰拱预制块安装，采用楔块塞填，灌筑细石砼，不满处压注水泥砂浆。

在达到强度后敷设运输轨道。

8 步进速度理论计算
TBM步进选用的步进推力油缸、举升油缸和后配套牵引油缸伸缩速度为12
cm/min，则步进各步用时如下:
(1)步进推力油缸伸长1.8 m(主机推进油缸同时伸长)用时:1.8 m×100/12=15 min
(2)举升油缸伸举升10 cm(后支撑支腿同时伸长)用时:10 cm/12=1 min
(3)步进推力油缸收缩1.8 m(主机推进油缸同时收缩、后配套牵引油缸同时伸长)用时:1.8 m×100/12=15 min
(4)举升油缸伸收缩10 cm(后支撑支腿同时收缩)用时:10 cm/10=1 min
每循环再考虑其他因素影响考虑1 min，则步进一个循环用时32 min。

步进施工的同时，与其同步的工序只有仰拱块安装、仰拱块底部回填注浆、轨道延伸等，在32 min内每循环仰拱块安装、仰拱块底部回填注浆、轨道延伸都可以完成。

每月考虑2 d时间进行连续皮带机的延伸连接，1 d时间的电缆延伸，故步进每月按27 d考虑，每天考虑4 h用于机械设备的检查。

根据以上循环时间计算TBM步进月进度为:20 h×60×27 d/32 min×1.8 m=1
822.5 m。

9 结束语
随着TBM在长大隧道的越来越广范的应用，特别是TBM与钻爆相结合(钻爆采用辅助导坑的方式处理破碎围岩，TBM步进通过后再掘进)的形式，使得TBM步进
距离会更大，为此，TBM步进技术的研究与应用就有着重要的意义。

西秦岭隧道
通过对步进方式的研究，保证了快速的步进，在第一阶段的步进中，最高班进度(每天二班，每班12 h)100.5 m，最高日进度173 m，第一阶段步进长2 113 m，25 d完成了步进，平均进度达84.5 m，超过了施组1 500 m/月的指标，实现TBM快速步进的目标。