中交四航局第二工程有限公司 广东广州 510220
摘要：TBM法自20世纪中叶开始发展迅速，TBM掘进机施工作业连续进行，施工速度快，月进尺最高可达500-600m，是公路隧道施工的发展趋势。结合中国交建新疆乌尉公路包PPP项目20公里级隧道天山胜利隧道TBM施工技术，重点介绍公路隧道TBM步进的工艺流程与关键技术，为类似工程项目提供参考和经验借鉴。
关键词：公路隧道 TBM 步进
引言
近年来，随着我国“一带一路”战略规划，区域布局向西部发展以及跨海峡隧道的建设需求，“数量多、长度大、大断面、大埋深”是我国隧道工程发展的总趋势且发展迅猛，长大公路隧道将逐渐增加。TBM施工具有施工作业连续、掘进速度快的优点，在保障隧道快速建设的前提下，降低工程投资，缩短建设周期，公路隧道对TBM施工工工艺的需求与运用将日益增加。
1 工程概况
天山胜利隧道（ZK75+685～ZK97+790/YK75+815～YK97+821.7/PK75+755～PK97+809.5）设计为分离式隧道，隧道全长22.105km（左洞）/22.0067km（右洞）/22.0545km（服务隧道），为世界最长的高速公路隧道。隧道穿越天山山脉，处于高寒高海拔地区，施工环境恶劣、施工条件复杂。隧道进口海拔约2770m，出口海拔约2900m，竖井海拔约3590m。隧道所在地区长年积雪，冬季温度在-30℃以下。隧道存在断层破碎带、岩爆、大变形、冻害、裂隙水及涎流水等病害。隧道紧邻天山1号冰川、天山大峡谷国家森林公园和乌鲁木齐水源保护地。具有建设周期长、施工组织难度大、技术含量高、环保等级高等特点。为了实现天山胜利隧道在计划工期内完成施工，天山胜利隧道设计增加服务隧道辅助主洞施工，在隧道双主洞之间设置服务隧道，采用TBM法施工，利用TBM机快速掘进的优势，通过服务隧道在每个车行横洞处开辟主洞辅助工作面，以相邻车行横洞间距约800米为施工段，将整条隧道进行“切割”，从而实现“长隧超短打”。
2 TBM设备技术参数
（1）开挖直径：Ф8430mm
（2）主机长度：约29.0m
（3）整机长度：约285.0m
（4）主机重量：约1100t
（5）整机重量：约2972.06t
（6）总装机功率：约5700kW
3 TBM步进
项目进场后，组织服务隧道215m（180m预备洞室+35m始发洞室）钻爆段施工。同时利用隧道弃渣进行洞口150m路基填筑，路基填筑完成后进行场地硬化处理，作为TBM组装场地。由于TBM组装场地仅150m，在TBM组装行程不够时，需进行步进工序，步进过程中同步进行洞外仰拱块的安装，并依次完成TBM后续台车的组装，直至整机安装连接完成。TBM步进至掌子面后进行整机调试与掘进。
3.1 步进机构
采用滑板式步进方式，步进装置主要由钢板、滑板、举升油缸、水平推进油缸、后支撑架、步进泵站等部件组成，TBM步进机构组成见图1。
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图1 TBM步进机构组成结构图
钢板：钢板主承受并分散TBM主机重量，减小接地比压；钢板光滑的表面，有利于减小摩擦阻力，提高步进速度。
水平推进油缸：推进油缸安装在钢板和TBM底护盾之间，步进中利用推进油缸的伸出推动TBM向前移动；当推进油缸收缩时，产生拖力拖动钢板向前移动。如此不断的循环，TBM实现向前移动。
举升油缸：在步进中，举升油缸将TBM刀盘举起，以使水平推进油缸向前拖动钢板。
后支撑架：一方面用于承受TBM主机后部的重量，并提供支撑反力向前移动整机。
后支撑：支撑TBM主机抬起，以使水平推进油缸向前拖动钢板。
3.2 TBM步进前准备
（1）作业人员配备相关照明设备及通讯设备，接通主变压器电源。
（2）逐项检查故障指示器，在确保没有任何故障显示时，才能进行下一步操作。如有故障，应由有关人员立即检查排除。
（3）检查润滑油油位，油位过少时，应及时补油。
（4）仔细检查各部，确保设备各部位符合要求。
（5）检查撑靴与步进架连接情况，确保连接牢固。
3.3 步进作业流程
TBM的步进主要由水平推进油缸推动TBM主机前进，并由举升油缸和后支撑将TBM主机举起后，推进油缸向前拖动钢板。如此循环，TBM就不断的向前移动。步进过程如下：
步骤1：将TBM按要求安装在步进小车及步进机架上，收起前支撑（提升油缸），提起后支撑，准备向前推进。
步骤2：推进油缸往前推进1.8m，刀盘及与主梁连接的后配套、后支撑整体前进1.8m。
步骤3：然后放下后支撑，再用前支撑（提升油缸）支撑起TBM主机，收起推进油缸，使步进小车推进1.8m；撑靴及步进架同时前进1.8m。
步骤4：收起前支撑（提升油缸），提起后支撑，进行下一循环步进。
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图2 单个循环步进流程
3.4 TBM步进辅助措施
（1）为减小于TBM步进时主机与钢板之间的滑动摩擦力，主要采取以下两个措施：①加工打磨TBM机头架的底部支撑面（与钢板配合面），使下表面平整与光洁；②在钢板上面添加足够的润滑脂，以减小摩擦力。
（2）TBM步进主要靠导向槽导向，需要调整时，使用举升油缸配合导向槽调向。
（3）步进速度主要受限于钢枕及轨道铺设速度、步进泵站的供油流量与油缸的动作时间，特别是钢枕及轨道铺设速度影响最大。可通过加工并提前铺设足够数量的钢枕，并合理做好钢枕运输与安装轨道工序铰接工作，尽量减少轨道铺设时间，可加快步进的速度。
（4）在步进过程中安排专职技术人员不断检查各个移动部位，并和指挥人员保持联系，及时报告设备情况。
（5）步进过程中，保证主机的各个移动部位充分注脂润滑，避免造成摩擦损伤。
（6）为避免步进过程中刀盘被卡，很有必要制作一个刀盘模具，模拟刀盘进洞，并及时处理岩壁障碍。
3.5 步进小车拆除
当TBM步进至始发洞室，刀盘到达掌子面后，为不影响TBM的正常掘进，及时将步进系统拆除移走。由于TBM步进系统的底部钢板尺寸和重量过大，前期先拆除TBM正常掘进需要设备以外的其他设备，如：TBM支架、举升支架、举升油缸、主梁支撑架、步进油缸等。底部钢板需等到主机通过后，拆除轨道支架才能移走。
步进系统拆除步骤：
（1）伸长后支撑并举升油缸，顶升TBM，拆除步进油缸与盾体支架。
（2）用撑靴支撑住洞壁、回缩举升油缸，拆除主梁支撑架、举升托架与举升油缸。
（3）在底部滑移钢板上安装后配套台车，调整掘进轴线，进行试掘进。
（4）待主机和后配套完全通过后拆除轨道支架，移出底部滑移钢板。
3.6 TBM步进过程中仰拱块的安装
步进段仰拱块遵循“永临结合”设计原则，即仰拱块分节段安装完成后连接成整体作为后期服务隧道排水通道。TBM洞外仰拱块的安装距离为40m，采用Ca40钢筋混凝土洞口步进段仰拱块（以下简称“步进段仰拱块”），仰拱块的截面尺寸为472cm×156cm×180cm（长×高×宽），高度同预制仰拱块高度；
TBM步进过程中采用平板车从预制场运输至配套台车尾部，采用平板车通过轨道运输至仰拱块吊机下方，采用仰拱块吊机安装仰拱块。依此方法全部安装完成洞外其余仰拱块。
为确保安装过程中仰拱块的稳定性，底部铺设截面尺寸为180cm×80cm×25cm（长×宽×高）Ca40钢筋混凝土条形垫块。仰拱块之间采用8根直径为φ25的螺栓连接，每安装5块仰拱块后，及时采用C15混凝土及时浇筑两侧混凝土，以加强仰拱块的稳定性。
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图3 步进段仰拱块设计图
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图4 步进段仰拱块安装设计图
具体安装工艺如下：
（1）清除TBM顶升油缸范围内的石渣，宽度为5m。测量队根据设计图纸放样出仰拱块底部的条形垫块的中心线，弹出墨线，并采用水准仪对TBM预备洞室及始发洞室范围内的条形垫块基础进行找平，根据隧道设计标高反算条形垫块基础的标高，低于设计标高的部分采用水泥砂浆进行找平，高于设计标高部分进行凿除，确保仰拱块顶面标高符合设计要求，减小仰拱块之间螺栓的抗剪力。
（2）TBM步进的同时进行混凝土条形垫块的安装，同时采用平板车从预制场运输至后配套台车尾部，采用平板车通过轨道运输至桥架处的仰拱块吊机下方，采用仰拱块吊机安装仰拱块，两仰拱块之间采用8根φ25的螺栓连接。
（3）浇筑仰拱块两侧C15混凝土填充。按照设计图纸每安装5块仰拱块后立即浇筑两侧C15混凝土填充，增加仰拱块间的整体稳定性。
（4）以同样的方式安装完成服务隧道洞内其余仰拱块。
4 结束语：
随着我国“一带一路”国家战略发展，20公里级长大公路隧道建设将越来越多，TBM施工工艺的运用也越多越普及与成熟。TBM的成功步进关系着TBM后续的组装、调试与顺利掘进，关系着隧道建设的进度工期与项目运营，是TBM施工的基础。做好TBM拼装、步进场地的规划及硬化，做好TBM步进前准备工作，严格按步进作业流程及步进辅助措施逐步做好步进工作，是TBM掘进前准备工作的重中之重。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.全断面隧道掘进机敞开式岩石隧道掘进机：GB/T 34652-2017.北京：中国标准出版社，2017.
作者简介：
伍家明 1985年9月，本科，工程师，中交四航局第二工程有限公司