廖悅 LIAO Yue

（中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院分公司，天津 300300）

0 引言

盾構(gòu)（TBM）集掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸于一體，能夠有效實(shí)現(xiàn)長大隧道施工的工廠化作業(yè)，是世界上最先進(jìn)的大型綜合性隧道施工設(shè)備，代表著國際隧道施工技術(shù)的最高水平，相對于傳統(tǒng)的煤礦斜井施工方法，盾構(gòu)（TBM）施工煤礦斜井在安全、進(jìn)度、質(zhì)量、效益及環(huán)保等多方面優(yōu)勢突顯[1]。神華集團(tuán)開創(chuàng)了我國首次引入盾構(gòu)（TBM）法施工煤礦斜井的先河[2-5]，在盾構(gòu)（TBM）施工煤礦斜井方案研究中，盾構(gòu)（TBM）的斜向始發(fā)是重難點(diǎn)之一，與傳統(tǒng)盾構(gòu)（TBM）水平始發(fā)相比，由于坡度的影響，盾構(gòu)（TBM）的組裝方式、吊裝方式及始發(fā)狀態(tài)均有較大不同，安全風(fēng)險更高，施工難度更大，可以說盾構(gòu)（TBM）的斜向始發(fā)是斜井盾構(gòu)（TBM）法施工成敗的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[6-7]。針對上述問題，本文基于神華新街臺格廟煤礦斜井工程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研究了兩種盾構(gòu)（TBM）組裝始發(fā)方案，并分析了方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了盾構(gòu)（TBM）始發(fā)最優(yōu)方案。

1 工程概況

神華新街臺格廟礦區(qū)位于鄂爾多斯市境內(nèi)，地處高原荒漠～半荒漠地段，區(qū)內(nèi)大面積被第四系風(fēng)積沙所覆蓋，植被稀疏，人煙稀少。臺格廟礦主斜井坡度為-10.5%（6°下坡），長度為6553m，最大埋深688m，采用雙模式盾構(gòu)（具有土壓平衡盾構(gòu)和單護(hù)盾TBM兩種模式）工法施工，盾構(gòu)開挖直徑為7620mm，最小設(shè)計(jì)曲線半徑為500m，最大設(shè)計(jì)坡度為120‰。斜井設(shè)計(jì)內(nèi)徑6.6m，管片厚350mm，寬1500m。

斜井穿越地層由老至新發(fā)育有：侏羅系中統(tǒng)延安組（J1-2y）上段，侏羅系中統(tǒng)直羅組（J2z），安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh），第三系上新統(tǒng)（N2），第四系（Q4），地層巖性主要為砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖及砂巖泥巖互層，局部附存含礫粗砂巖、泥巖破碎帶及煤層等，始發(fā)場地表層風(fēng)積砂層厚度1～3m。

2 盾構(gòu)組裝始發(fā)方案對比分析

根據(jù)本標(biāo)段始發(fā)場地條件，為保證復(fù)合盾構(gòu)的順利安裝、調(diào)試、始發(fā)，掘進(jìn)機(jī)采用一次性整機(jī)始發(fā)，盾構(gòu)組裝場及始發(fā)站為采用明挖法開挖的U型槽結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)始發(fā)可采用掌子面組裝始發(fā)和地面組裝步進(jìn)通過斜坡再始發(fā)方案。

2.1 掌子面組裝始發(fā)方案

根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)埋深經(jīng)驗(yàn)要求，取始發(fā)井上覆土厚度為1倍洞徑，U型槽始發(fā)面開挖深度取2倍洞徑，取16m，由于底板厚度為0.9m，因此總開挖深度為16.9m。

在U型槽內(nèi)組織盾構(gòu)機(jī)的組裝、調(diào)試和始發(fā)，為確保作業(yè)安全，槽內(nèi)設(shè)盾構(gòu)主機(jī)安裝區(qū)及反力架安裝區(qū)，采用與斜井等坡度的縱坡設(shè)計(jì)；而設(shè)備橋及后配套安裝區(qū)，按照4‰坡設(shè)計(jì)，中間區(qū)域采用100m半徑的豎曲線進(jìn)行縱坡過渡，如圖1所示。350t主吊機(jī)站于始發(fā)端頭進(jìn)行主機(jī)吊裝施工，槽內(nèi)部署2臺40t的縱向走行龍門吊配合進(jìn)行主機(jī)吊裝施工，龍門吊覆蓋整個U型槽盾構(gòu)組裝區(qū)，龍門吊基座按4‰坡設(shè)計(jì)。

圖1 始發(fā)站總體設(shè)計(jì)及布局

U型槽兩側(cè)均采用1:1.5～1:2的坡度進(jìn)行放坡開挖。由于U型槽局部開挖深度較大，因此在距離放坡的中部設(shè)2m寬馬道，進(jìn)行分臺階開挖。

盾構(gòu)始發(fā)端采用鉆孔灌注排樁進(jìn)行開挖面結(jié)構(gòu)圍護(hù)。始發(fā)洞門內(nèi)徑比盾構(gòu)外徑稍大，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施作。洞門范圍內(nèi)排樁與盾構(gòu)刀盤面所形成的三角區(qū)采用噴射混凝土填平。

方案特點(diǎn)：①適用于盾構(gòu)組裝始發(fā)工期要求緊、地質(zhì)條件好、埋深淺的盾構(gòu)掘進(jìn)施工。②盾構(gòu)始發(fā)時需反力架支撐，設(shè)置難度較大，工程造價高（底部結(jié)構(gòu)回填量大），易受降雨影響。

③設(shè)置盾構(gòu)主機(jī)組裝平臺，明槽開挖體量大。

④盾構(gòu)主機(jī)組裝需在端頭布置吊機(jī)，安全風(fēng)險高。

2.2 地面組裝步進(jìn)始發(fā)方案

明槽總開挖深度取為16.9m，盾構(gòu)及后配套在專門組裝場地組裝，組裝后主機(jī)和后配套分別步進(jìn)到掌面進(jìn)行連接調(diào)試及始發(fā)，相比城市地鐵的區(qū)間盾構(gòu)施工條件，煤礦斜井始發(fā)段坡度大，基座除受盾體重力作用外下滑力也是不容忽視，超長的盾體在明槽段步進(jìn)完全不同于巖體內(nèi)的掘進(jìn)施工，在沒有任何徑向約束力，使其在步進(jìn)過程中穩(wěn)定性差，這給支撐反力體系和托架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、步進(jìn)方式的選擇和施工提出了極高的要求，本文提出了針對性解決方案。

明槽采用與斜井等坡度的縱坡設(shè)計(jì)，取-10.5%縱坡。邊坡根據(jù)不同挖深采用分級放坡形式，最深處即始發(fā)段處采用三級放坡，網(wǎng)噴支護(hù)，槽底橫寬11.2m，如圖2所示。明挖段與盾構(gòu)施工段接口處，采用C20素混凝土臨時封堵墻進(jìn)行封堵，封堵墻后方采用水泥土回填，以滿足盾構(gòu)掘進(jìn)施工要求。

圖2 明槽結(jié)構(gòu)剖面圖

2.2.1 設(shè)備組裝與調(diào)試

掘進(jìn)機(jī)經(jīng)工廠組裝、調(diào)試、驗(yàn)收合格后，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝。組裝場地位于沿斜井軸線方向，明槽施工場地外進(jìn)行。掘進(jìn)機(jī)后配套拖車組裝順序?yàn)閺暮笸耙来芜B接，最后連接連接橋，采用150t汽車吊吊裝。主機(jī)組裝順序?yàn)橹卸堋岸堋侗P→螺旋輸送機(jī)→管片拼裝機(jī)→尾盾，主機(jī)采用300t履帶吊和150t汽車吊機(jī)配合吊裝。最后連接液壓和電氣管路。

2.2.2 TBM步進(jìn)與下落

盾構(gòu)步進(jìn)及下落工藝流程如圖3。

圖3 TBM步進(jìn)及下落工藝流程如圖

TBM在明槽外組裝調(diào)試后縱移步進(jìn)到達(dá)始發(fā)位置，因無法像正常掘進(jìn)時有管片提供反力，故此TBM需要借助外力來完成縱移步進(jìn)。

主機(jī)步進(jìn)時，設(shè)計(jì)由電動液壓泵站、爬行頂推油缸、夾軌器三部分組成的步進(jìn)夾軌反力裝置，沿預(yù)先鋪設(shè)導(dǎo)軌進(jìn)行步進(jìn)施工，該裝置在提供盾構(gòu)步進(jìn)所需的推力的同時能提供反向拉力，具備防盾構(gòu)下滑的能力，確保大坡度條件下盾構(gòu)步進(jìn)安全。步進(jìn)夾軌反力裝置構(gòu)造如圖4所示。

圖4 步進(jìn)夾軌反力裝置構(gòu)造圖（單位：mm）

盾構(gòu)步進(jìn)到始發(fā)位置，設(shè)計(jì)盾構(gòu)下落反力裝置有效確保盾構(gòu)在斜井條件下安全下落，該裝置由箱梁、箱梁橫撐、箱梁斜撐、圓支撐、盾體頂升支撐、頂升油缸、盾體支承及頂升支撐座等構(gòu)成，盾構(gòu)下落通過逐節(jié)拆卸盾構(gòu)下落頂升圓支承座及盾構(gòu)圓支座實(shí)現(xiàn)，在斜坡條件下，通過中間箱梁橫撐與箱梁斜撐確保整個下落支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。

2.2.3 盾構(gòu)始發(fā)

盾構(gòu)機(jī)步機(jī)到始發(fā)位置并調(diào)試完成后，通過反力架及負(fù)環(huán)管片提供始發(fā)反力。負(fù)環(huán)管片采用錯縫拼裝，并設(shè)置鋼板及鋼絲繩捆緊，防止變形。

方案特點(diǎn)：①適用于地質(zhì)條件較差、盾構(gòu)組裝始發(fā)工期有保障的盾構(gòu)掘進(jìn)工程。②該方案解決了明槽結(jié)構(gòu)內(nèi)小空間、大直徑、大自重的盾構(gòu)主機(jī)在大坡度條件下的步進(jìn)施工。③可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)主機(jī)的快速步進(jìn)，連續(xù)、機(jī)械化作業(yè)，該步進(jìn)反力系統(tǒng)考慮了下坡重力影響，在提供盾構(gòu)主機(jī)步進(jìn)推力的同時可提供對盾構(gòu)主機(jī)的拉力，防止突然啟動的下滑失控，確保步進(jìn)安全。④大坡度條件下盾構(gòu)步進(jìn)施工安全可靠，且施工速度快。

2.3 對比分析

對于兩種盾構(gòu)組裝及始發(fā)方案，如表1所示。

表1 兩種盾構(gòu)組裝及始發(fā)方案比較

通過對兩種方案的安全性、適用條件、總體工程量、施工難度及工程成本綜合分析，針對斜井盾構(gòu)組裝及始發(fā)，建議采用地面組裝步進(jìn)通過斜坡再始發(fā)方案，施工成本低、難度小、安全有保障。

3 結(jié)論

相比城市地鐵的區(qū)間盾構(gòu)施工條件，煤礦斜井始發(fā)段坡度大，盾構(gòu)組裝及始發(fā)難度大，也是煤礦斜井盾構(gòu)法施工成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文針對性的設(shè)計(jì)了兩種盾構(gòu)組裝始發(fā)方案，分析了兩種方案的特點(diǎn)，通過對兩種方案的安全性、適用條件、總體工程量、施工難度及工程成本綜合分析，建議大超度條件下斜井盾構(gòu)組裝及始發(fā)采用地面組裝步進(jìn)通過斜坡再始發(fā)方案，施工成本低、難度小、安全有保障。