与TBM配套的全环内通式衬砌范本台车在大伙房输水工程中的应用

 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中的應用 高菊如1 羅建春2 塗文軒3 中鐵西南科學研究院有限公司 1副總工程師 2工程師 3副研究員 摘要 與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中獲得了成功應用，實現了TBM掘進與全環整體模築襯砌聯合作業的施工模式，提高了隧洞綜合施工效率和現澆混凝土品質，降低了隧洞綜合修建成本。本文首先分析和總結了隧道（洞）襯砌施工工法與設備現狀，然後介紹了與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車的主要功能和特點、主要技術參數；最後對與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中的應用情況和應用效果進行了介紹。 關鍵字：TBM、全環內通式、襯砌範本台車、聯合作業。 一、前言 1.1 工程概況 遼寧省大伙房輸水工程是遼寧省“十五”期間一項重要水利工程，是解決遼寧省中部撫順、瀋陽、遼陽、鞍山、營口和盤錦六城市工業用水和生活用水的大型水資源配置工程，受益人口近1000萬人，對遼寧省中部地區的經濟、社會發展具有十分重要的意義。大伙房輸水工程主體建築物為一長85.32km的輸水隧洞，工程總體佈置上充分利用天然地形，在適當的位置一共佈設了16條施工支洞。這樣既簡化了施工期的通風、出碴問題，又保證了運行期的補氣和維修通道問題。主洞線洞室埋深較大，一般為100～300m，岩石多為中硬岩，微風化，圍岩工程地質分類結果Ⅱ類圍岩占30.9％，Ⅲa類圍岩占23.4％，Ⅲb類圍岩占35.0％，Ⅳ、Ⅴ類圍岩占10.7％，成洞條件較好，對TBM施工有利。隧洞施工採用以TBM為主，鑽爆法為輔的施工方法。前21.61km採用鑽爆法施工，後63.71km中除有2km採用鑽爆法施工外，其餘採用3台TBM分成3個標段（即TBM1、TBM2、TBM3）施工，每台TBM的掘進長度在18～20km左右，TBM掘進開挖的隧洞洞徑為8.0m。工程總工期6.22年，總投資.67億元。 1.2 襯砌施工工法與設備現狀 目前，隧道（洞）施工一般採用鑽爆法和TBM法兩種。對於鑽爆法施工，由於能採用傳統的襯砌施工工藝，襯砌的施工方法一般可採用先鋪底（或仰拱）後 C29 - 1 高菊如等人 與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中的應用 邊頂拱或先邊頂拱後鋪底的分開澆築的方法，或者全圓整體澆築的方法。對於襯砌設備，如果採用分開澆築的方法，邊頂拱一般只能採用普通襯砌範本台車施工，鋪底（仰拱）只能由人工澆築，且仰拱施作的同時，會干擾掘進的運輸作業；如果採用全圓整體澆築的方法，一般只能採用普通針梁式範本台車，而這種襯砌設備內部不能通過運碴等車輛，隧道（洞）開挖運輸與襯砌施工相互干擾。因此，上述施工模式都不能很好解決隧道（洞）開挖運輸與襯砌相互干擾矛盾實現開挖與襯砌的平行作業，在很大程度上影響了隧道（洞）施工速度的進一步提高。對於TBM法施工，若採用市場上一般的襯砌設備（普通範本台車或針梁式範本台車等），掘進與襯砌只能採用順序作業模式，即在掘進完成後，再澆注混凝土襯砌。採用這種施工方法和施工工藝，在工期要求較高的情況下，很難滿足進度要求。 因此，不管是採用鑽爆法還是TBM法施工，一般襯砌施工設備均無法解決掘進運輸與襯砌施工相互干擾問題，隧道（洞）的綜合施工速度受到。而且，在隧道（洞）施工中，仰拱和邊頂拱通常都是分開澆注施工的，兩者之間遺留的縱向施工縫使得隧道（洞）襯砌品質很難得到保證。 中鐵西南科學院有限公司針對一般隧道（洞）襯砌施工模式及設備無法滿足隧道（洞）在施工速度、施工品質、綜合成本和運營安全等方面要求越來越高的現狀以及隧道（洞）越修越多、越修越長的市場需求，經過多年的探索和研究，首次提出了TBM掘進與襯砌聯合作業的施工模式，並研製了適應這種施工模式的與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車（簡稱“全環內通式襯砌範本台車”）並成功應用於國際最長的大伙房輸水工程隧洞施工。 二、全環內通式襯砌範本台車簡介 全環內通式襯砌範本台車是中鐵西南科學研究院有限公司自主研製的能夠實現TBM掘進與襯砌聯合作業和襯砌全環整體一次澆築成型的現澆混凝土襯砌設備（見圖一）。該台車已獲國家發明專利和實用新型專利各一項，通過了由四川省圖一 全環內通式襯砌範本台車 科學技術廳組織的科學技術成果鑒定，總體上達到了國際領先水準。 C29 - 2 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 2.1 主要功能和特點 （1）全環內通式襯砌範本台車採用液壓、電氣控制執行機構的動作與機械鎖緊定位相結合的方式克服了抗浮難題，實現了台車各種功能，自動化程度高，安全性好。 （2）全環內通式襯砌範本台車有足夠的內淨空，隧道施工運輸車輛能夠安全順利地從台車腹下通過。 （3）隧道掘進相關大型配套設施——出碴連續皮帶運輸機、高壓電纜、進排水管和大直徑風管（直徑2.2m）等能夠穿過全環內通式襯砌範本台車內部，確保前方掌子麵掘進工作正常運行。 （4）全環內通式襯砌範本台車的範本為全環範本，襯砌後無縱向施工縫，實現了隧道現澆混凝土襯砌的全環整體一次澆築成型。 （5）混凝土養護期間，運輸車輛通過全環內通式襯砌範本台車不會對混凝土品質產生影響。 主要技術參數（見表一）見表一） 2.2 主要技術參數（2.3 應用領域 全環內通式襯砌範本台車可廣泛應用於鐵路、公路及水利水電工程的長大隧道（洞）工程的襯砌施工。 表一 全環內通式襯砌範本台車主要技術參數 內容 斷面（寬×高） 迴圈長度 移動速度 額定工作壓力 裝機容量 腹下淨空（寬×高） 單位 參數 m m m/min Mpa kVA mm ≥8×8 9～16 ≤5 16 25～30 ≥2600×3200 三、全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中的應用全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中的應用 3.1 施工組織 （1）日工作兩班制 每天24小時工作時間分兩個班，班與班之間的工作交接在各自所在崗位處完成，例如：負責澆注混凝土的工班在全環內通式襯砌範本台車所在位置交。因此，每班12小時確保了日工作時間的有效利用率。 （2）生產組織 （a）混凝土拌合班：負責拌合混凝土，每班3人，兩班6人； C29 - 3 高菊如等人 與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中的應用

（b）混凝土運輸班：負責將混凝土從拌合站運輸到全環內通式襯砌範本台車所在位置，每班2人，兩班4人； （c）混凝土澆注班：負責泵送混凝土，每班2人，兩班4人； （d）混凝土振搗班：負責振搗混凝土以及全環內通式襯砌範本台車立模、脫模和移位等，每班6人，兩班12人； （e）輔助工序班：負責隧底清碴、運輸車輛走行軌道（有軌運輸）裝拆、TBM連續皮帶運輸機和進排水管的隨動調整等，每班10人，兩班20人； （f）維修保養班：負責全環內通式襯砌範本台車及其相關配套設備電氣、液壓系統維修保養等工作，2人。 （3）技術組織 （a）測量組：全環內通式襯砌範本台車立模時，負責洞軸線和台車範本中心線位置測量； （b）質檢組：負責監督隧洞襯砌施工品質； （c）安全監測組：負責洞內安全工作。 3.2 施工工藝 3.2.1 隧洞襯砌迴圈長度 根據《水工隧洞設計規範》、《鐵路隧道施工規範》的要求、典型施工實例以及大伙房輸水隧洞的具體情況和全環內通式襯砌範本台車結構設計等相關因素，大伙房輸水隧洞襯砌合理迴圈長度為12m。 3.2.2 分層澆築工藝 為了減少灌築混凝土時產生的巨大浮力對台車結構的不良影響，根據現場施工的實際情況和混凝土特性設計採用了分層澆築工藝，降低了浮力對台車結構的影響，減輕了台車的設計重量。 3.2.3 混凝土襯砌品質的監控措施 （1）對初期支護的要求 大伙房輸水工程中，與TBM配套的全還內通式襯砌範本台車二次襯砌施作都是在圍岩和初期支護變形基本穩定並具備以下條件時進行的： （a）位移速率有明顯減緩趨勢； （b）水準收斂（水準洞徑）小於0.2mm/d； （c）已產生的位移量占位移總量80%以上； （d）拱頂相對下沉速度小於0.15 mm/d。 （2）混凝土的外加劑 混凝土中摻外加劑可提高混凝土強度、改善混凝土性能、節省生產能耗、保護環境等。全環內通式襯砌範本台車與傳統台車不同之處在於：連續灌築混凝土 C29 - 4 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 會在台車底部產生很大的浮力，使台車結構的受力很大，為保證安全，勢必使構件（元件）大型化。為減少浮力的大小，在仰拱部位的混凝土中如果摻加適量的早強高效減水劑，初凝時間可提前約60～90min。此外，添加早強高效減水劑以後，還可提高混凝土的可泵性，拌制時減少用水量和水泥用量，提高混凝土的後期強度。由於凝結時間的提前和混凝土早期強度的提高，可實現提前拆模，縮短襯砌迴圈時間，加快施工進度。 （3）混凝土的拌合 嚴格按施工配料單計量，定期檢查校正計量裝置。加強砂石料含水率檢測，及時調整拌合用水量。 （4）混凝土的運輸 在混凝土運輸過程中，始終保持罐體慢速旋轉，避免了混凝土在運輸途中產生分層離析現象。 （5）混凝土的灌築 全環內通式襯砌範本台車立模工作完成後才正式開始灌築混凝土，在灌注過程中，嚴格按照以下兩點要求進行： （a）混凝土在運輸和泵送過程中嚴禁加水； （b）仰拱和兩側邊牆要對稱分層灌築，在仰拱部位要適當放慢灌築速度，在每個分層處停歇1h左右（混凝土未初凝前），再往上層灌築。 （6）混凝土的搗固 混凝土灌築過程中必須振搗，以提高混凝土的密實度和均質性，減少內部微裂縫和氣孔，提高抗裂性。全環整體模築襯砌結構實際上只是一個薄型的環形混凝土結構，其搗固方法與直牆混凝土搗固不盡相同，一般採用插入式振搗器（棒式）初震，二次振搗採用附著式振搗器。附著式振搗器採用了變頻振搗器。振搗過程中，施工人員嚴格控制了振搗品質既沒有欠振也沒有過振，因為無論欠振或過振，都會影響混凝土的表面品質和內在品質。 （7）混凝土的養護、拆模 （a）由於洞內的溫度較低，因此，混凝土的養護時間相對較長。拆模前須經試驗人員檢測同意拆模時方可拆模。嚴禁未經試驗人員同意提前拆模，拆模時不得損傷混凝土表面品質。 （b）拆模後，由於洞內濕度較大，只在隧洞底部蓄有一定量的水進行養護。 3.2.4 配套設備及軌道佈置 大伙房輸水隧洞混凝土襯砌施工的配套設備包括混凝土拌合站（樓）、混凝土運輸車、混凝土泵和全環內通式襯砌範本台車（帶振搗器）等。 大伙房輸水工程輸水隧洞施工因其洞內只設置了一條運輸線（有軌運輸），在襯砌台車作業期間，混凝土輸送泵要佔用一條運輸線，為保證前方TBM掘進工作的順利進行和充分發揮全環內通式襯砌範本台車在襯砌施工速度方面的潛 C29 - 5 高菊如等人 與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中的應用 力，在適當地點設置了運輸車輛的會讓站。會讓站由浮放道岔及原軌道等組成，其平面佈置如圖二。 后后后后后坡后后后后后后后后后隧隧隧隧隧隧隧后后隧 圖二 會讓站的平面佈置 3.3 施工進度 全環內通式襯砌範本台車與TBM聯合作業期間，襯砌進度的制約因素主要是TBM的工班安排，為了不影響TBM的掘進，台車的移位安排在TBM停止掘進進行維修保養時運輸機不運轉的情況下進行。襯砌混凝土澆築完成後還要進行養護，該台車在與TBM聯合作業期間，襯砌進尺可達180m/月以上。全環內通式襯砌範本台車與TBM聯合作業時的迴圈時間見圖三。 圖三 全環內通式襯砌範本台車與TBM聯合作業時的迴圈時間圖 TBM完成掘進後，全環內通式襯砌範本台車的襯砌作業不再受TBM工班安排的制約，襯砌進尺可達240 m/月以上。 3.4 應用效果 全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程TBM3標段進行了2km的襯砌。施工期間，TBM掘進月平均進尺為600m左右，在冬季洞內混凝土入倉溫度僅10℃左右且混凝土供料嚴重不足的情況下， C29 - 6 图四 优质的衬砌混凝土质量 第八屆海峽兩岸隧道與地下工程學術與技術研討會 2009年11月 台北 TBM與全環內通式襯砌範本台車聯合作業時襯砌速度達到144m/月以上，TBM掘進完成後襯砌速度達到240m/月以上。該台車在該工程施工中，提高了隧洞的綜合施工速度，使工程提前2個月完成；降低了隧洞的綜合施工成本；由於實現了隧洞全環無縱向施工縫澆築，提高了隧洞現澆混凝土襯砌品質（見圖四）。 應用情況表明：該台車結構合理、工藝性好、操作維修方便，使用可靠，各項功能及技術性能指標均達到了設計和現場施工的要求。 四、結論 與TBM配套的全環內通式襯砌範本台車在大伙房輸水工程中得到了成功應用，取得了良好的效果，實現了TBM掘進與全環整體模築襯砌聯合作業施工模式，提高了隧道綜合施工效率和現澆混凝土品質，降低了隧洞綜合修建成本。該台車可廣泛推廣應用於各種長大隧道（洞）工程施工中，但針對具體的長大隧道（洞）工程，還必須結合具體工程施工情況在施工組織、施工工藝及施工機械配套等方面加以協調組織，充分發揮全環內通式襯砌範本台車與TBM聯合作業施工模式以及全環內通式襯砌範本台車的優勢，提高長大隧道（洞）綜合施工速度、降低綜合施工成本等。 參考文獻 1. 楊殿臣、李久平、韓志遠（2006），「大伙房水庫輸水工程隧洞地質條件綜述」，水利水電

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