TBM掘进同步衬砌施工关键技术及实施效果

　　摘要：叙述了TBM掘进同步衬砌施工新工法在设计过程中，实现工法突破所遇到的关键性技术难题的设计解决思路，以及工法在实际施工实践中取得的效果。
　　关键词：同步衬砌，衬砌台车，边界条件，矮边墙
　　
　　1.TBM掘进同步衬砌工法产生背景
　　我国1997年在安康线秦岭特长隧道自德国引入TBM（敞开式硬岩掘进机）以来，经历安康线秦岭特长隧道、西合线（西安～合肥）磨沟岭隧道及桃花铺隧道，一直采用的是在TBM掘进全隧贯通之后，单工序进行二次衬砌的施工工法。传统工法的缺点十分明显，第一是TBM掘进与二次衬砌施工单工序作业，工期大大延长，第二是在TBM掘进贯通后为赶进度，不得不多投入二次衬砌台车及配套混凝土运输设备等大量物力及人力，造成施工成本大大增加。隧道TBM掘进施工单位曾多次计划实现工法的突破，进行TBM掘进与二次衬砌的同步施工，但均由于这样那样的原因未能实现，TBM掘进同步衬砌施工工法，也因此成为一个悬而未决的施工难题。
　　2007年5月南疆吐库（吐鲁番～库尔勒）二线中天山特长隧道（左右单线隧道）开工，隧道全长22.452km，隧道进口采用两台φ8.8m的TBM施工，TBM施工段长约14km，规定合同工期46个月。参照西康线及西合线TBM掘进平均进度指标及最高进度纪录，要在如此短的时间内完成如此长的隧道工程施工，传统施工工法根本无法实现，因此进行TBM掘进与二次衬砌同步施工，实现传统施工工法的突破，无法回避，势在必行。
　　2.关键性技术难题设计解决思路
　　2.1关键性技术难题的提出和确定
　　根据中天山隧道进口工程总体策划，即使按照TBM掘进与二次衬砌同步施工方案进行工期倒排，TBM掘进平均指标也达到502m/月，同步二次衬砌平均指标为480m/月。如此之高的TBM掘进平均进度指标，已经远远超出了西康线、西合线TBM掘进单工序作业的平均进度指标（约350m/月）。
　　在TBM掘进与二次衬砌同步施工的情况下，要实现如此高的施工进度指标，必须要很好地解决以下两大技术性难题：
　　（1）解决在同步衬砌的情况下如何保证TBM快速掘进的问题，特别是TBM掘进与二次衬砌同步施工二者之间的交通运输相互干扰问题，是需要解决的所有问题的重中之重。
　　（2）在TBM掘进隧道断面形状特点及管线布置特点条件下，解决TBM掘进供风、供水、供电管线过台车的问题，特别是φ2.2m通风软管过台车的问题。
　　要有效解决同步衬砌与TBM掘进之间的以上两大问题，关键在于台车的选型和设计，而台车设计的关键，在于台车设计边界条件的确定。
　　2.2问题的解决
　　（1）台车的选型
　　A、传统工法衬砌施工中台车下交通情况
　　在西康线秦岭隧道、西合线磨沟岭隧道传统施工工法的二次衬砌施工中，采用的是16.5m穿行式模板台车，台车及防水板铺设作业台架走行轨利用仰拱块上双线运输轨道外轨，台车（架）下铺设浮放道岔单线通过。优点是衬砌速度快，轨道利用仰拱预制块上既有轨道，不用单独铺设。缺点是运输车辆上下浮放道岔必须停下来扳道，行车速度慢，容易跳道，且浮放道岔在起吊、移动、定位过程中交通完全中断。且单工序二衬作业尚可利用前方二衬等强或脱模定位间隙进行浮放道岔的移动，在TBM掘进同步衬砌过程中则必将影响TBM掘进运输的连续进行。
　　B、同步衬砌台车（架）下交通要求及台车型式确定
　　为确保TBM快速掘进，除TBM系统本身机况必须确保良好外，交通运输的畅通、快速是重要保证条件之一。
　　在同步衬砌的条件下，交通运输车辆通过衬砌台车（架），是制约交通运输畅通、快速进行的瓶颈。采用传统台车（架）及浮放道岔显然达不到目的，最理想的状态莫过于台车（架）下双线通行。由于传统工法中穿行式二衬台车为保证模板穿行，台车主架下空间有限，并且模板脱模和穿行时必须中断交通，故最好选用传统衬砌台车模式（模板和主架固定）。
　　（2）台车（架）下双线通行问题的解决
　　在台车型式确定后，为实现衬砌台车（架）下双线通行，则衬砌台车走行轨必须单独铺设，并保证台车下双线通行的行车限界。由于空间的限制，确定双线通行行车限界，限界见图1。
　　
　　图1衬砌台车（架）设计制造边界条件图
　　衬砌台车走行轨必须铺设在行车限界之外，且台车（架）结构件不得侵入限界。由图1可以明显看出，在仰拱块顶高度平面内无法布设台车走行轨道，否则将严重削弱二次衬砌厚度，则台车走行轨铺轨平台须高出仰拱预制块顶面。经综合考虑方便施工、不与隧道断面结构设计相冲突、尽量降低对二衬厚度的削弱以及二次衬砌矮边墙与拱墙砼纵向施工缝位置等因素，最终确定衬砌台车（架）设计制造边界条件。
　　（3）TBM掘进供风、供水、供电管线过衬砌台车问题的解决。
　　通过周密考虑TBM掘进隧道断面空间及同步衬砌台车边界条件的特点，最终确定供水管路在仰拱块中心水沟内布置，进洞高压电缆布置在矮边墙台阶下并用槽钢反扣保护，通风管从台车上部中心穿过。
　　2.3衬砌台车（架）设计制造边界条件确定过程中的两个创新设计
　　（1）矮边墙形状的创新设计
　　通过将二次衬砌矮边墙设计成台阶状，抬高台车走行轨铺设平台，满足了台车（架）走行轨及结构件不侵入双线行车限界的要求，同时上台阶设计为斜面，在满足台车结构设计空间的同时，大大减小了对二次衬砌厚度的削弱。
　　（2）台车走行轨轨枕的创新设计
　　采用20mm厚钢板作为台车走行轨轨枕，既满足了走行轨抗倾覆的要求，又在满足了台车整体下降脱模及走行时台车模板下沿不与轨面触碰摩擦的条件下，将矮边墙顶面高度降低到了传统二衬所遵循的内轨顶面高程以下，使竣工后纵向施工缝掩盖于侧沟砼顶面下，二衬外观效果得到改善；另外钢板作为轨枕，与钢轨连为一体，整齐美观，利于整体移动，并且由于钢板厚度不大，使二次衬砌施工期间文明施工非常方便。
　　3.TBM掘进同步衬砌施工工法衬砌台车设计制造及同步施工工法实施效果
　　3.1台车设计制造效果

　　
　　3.2工法现场施工效果图

　　3.3同步衬砌施工工法实施效果小结：
　　中天山隧道右线进口工区TBM掘进同步衬砌新工法于2008年5月1日开始实施，施工进展顺利。通过现场施工实践和经专家确认，工法取得了成功，实现了如下预期效果：
　　（1）在二衬砼浇筑期间，砼罐车、输送泵占道一股，另一股道畅通无阻，运输车辆通过衬砌台车（架）下部时，只需略为减速。通过在洞内每隔850m设置一副固定道岔的方式，解决了二衬施工期间台车下单线通行车辆会车问题。
　　（2）在二衬浇筑完成后，拖走输送泵，可迅速恢复双线交通，在二衬砼等强及台车脱模、走行、定位期间，台车下均能保证双线通行。确保了前方TBM掘进运输的畅通、快速。
　　（3）在工法实施期间，在保持二衬正常跟进同步施工的情况下，TBM最大月进度达到551m，与磨沟岭隧道期间的掘进记录575m/m相比，二衬同步施工对TBM掘进的影响几可忽略。
　　4.结束语
　　中天山隧道进口工区TBM掘进同步衬砌施工新工法的实施，完全达到了预期效果，成功实现了施工工法的突破，解决了TBM掘进同步衬砌这一施工难题，有效缓解了本工程工期压力，并将为今后同类工程施工提供宝贵的参考经验。