本文结合新疆某隧洞工程施工实例，对长距离深埋隧洞TBM拆机方案提出了拆卸洞室前置法与“拆 + 埋”法，从地质、工程安全、投资、工期进行分析研究，最终采用“拆 + 埋”法实现TBM拆机，以期对长距离深埋隧洞TBM拆机施工提供借鉴，从而达到快速、安全、经济的目的。 Based on a construction example of a tunnel project in Xinjiang, this paper proposes the pre-demolition method and the “demolition + burying” method for the TBM dismantling plan of a long-distance deep-buried tunnel. The analysis and research are carried out from the perspective of geology, engineering safety, investment, and construction period. Finally, the “dismantling + burying” method is adopted to realize the TBM dismantling, in order to provide a reference for the TBM dismantling construction of long-distance deep-buried tunnels, so as to achieve the purpose of rapid, safe and economical.
本文结合新疆某隧洞工程施工实例，对长距离深埋隧洞TBM拆机方案提出了拆卸洞室前置法与“拆 + 埋”法，从地质、工程安全、投资、工期进行分析研究，最终采用“拆 + 埋”法实现TBM拆机，以期对长距离深埋隧洞TBM拆机施工提供借鉴，从而达到快速、安全、经济的目的。
TBM，拆机，方案比选，“拆 + 埋”法
Cheng Ma
Development, Construction and Administration Bureaus for Yili River Basin, Urumqi Xinjiang
Received: Apr. 2nd, 2021; accepted: Apr. 21st, 2021; published: Apr. 28th, 2021
Based on a construction example of a tunnel project in Xinjiang, this paper proposes the pre-demolition method and the “demolition + burying” method for the TBM dismantling plan of a long-distance deep-buried tunnel. The analysis and research are carried out from the perspective of geology, engineering safety, investment, and construction period. Finally, the “dismantling + burying” method is adopted to realize the TBM dismantling, in order to provide a reference for the TBM dismantling construction of long-distance deep-buried tunnels, so as to achieve the purpose of rapid, safe and economical.
Keywords:TBM, Dismantling, Plan Comparison and Selection, “Dismantling + Burying” Method
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新疆某输水隧洞全长41.823 km，最大埋深2268 m，设计内径5.3 m，纵坡1/565，隧洞设计为无压洞，隧洞进口10 km软岩洞段采用人工钻爆法施工，其后32 km洞段采用2台全断面隧洞硬岩掘进机(Tunnel Boring Machine以下简称：TBM)从隧洞进、出口相向掘进。TBM开挖洞径6.53 m，隧洞衬砌采用现浇钢筋混凝土，其中TBM1标段完成施工掘进任务，现场从掌子面前方地质条件、设备性能、工程总工期、施工通风、施工排水、施工降温各方面综合分析，在桩号25 + 600处实施就地拆机。
目前TBM1已掘进至桩号25 + 600，其中在掌子面前方桩号25 + 620~26 + 000段，段长380 m，隧洞埋深1615~1735 m，地貌上属构造剥蚀高山。隧洞穿越的主要地层为志留系上统博罗霍洛山组(S3b)。属滨海相－浅海相沉积，受构造及热接触变质作用影响，地层经历过变质作用，主要岩性为变质粉砂岩或变质泥质粉砂岩。本段位于博罗科努山复背斜范围内，复背斜呈北西西方向展布，地层产状不稳定。根据前期勘察成果和已施工洞段判断，无大的断裂构造。该段最大地应力分量为垂直应力σv，量值介于35~41 MPa之间。
距掌子面最近的重要含水构造是26 + 664~27 + 095灰岩富水带，该富水带分布在F7与F41断层之间，岩层产状多陡立，且较破碎，导致灰岩岩体中含水丰富，而TBM1为顺坡掘进，逆坡排水，且排水距离已达18.4 km，净扬程已达279 m，若发生超出已配排水能力的突涌水，将很快发生淹机事故，即使不发生淹机，排水成本数量级增加，故TBM1应在桩号26 + 664前拆卸。
拆卸洞室应设置于Ⅲ类及以上围岩中，从地质纵剖面分析，桩号25 + 600~26 + 076为Ⅲ类围岩，所以拆卸位置应位于桩号25 + 600~26 + 076洞段。
根据本工程施工特点，结合类似工程拆机经验，考虑以下2种TBM拆机方案：
方案一：拆卸洞室前置法，即拆卸洞室位于主洞拆机法；
拆卸洞室位于刀盘之前，TBM掘进任务完成后(掘进至主洞桩号25 + 564.8)，TBM前端预留35 m拆卸洞室。拆卸洞室采用钻爆法开挖，从护盾尾部开挖旁通洞绕至刀盘前，采用钻爆法在刀盘前35 m开挖成为TBM主机拆卸洞室。
在拆卸洞室顶部布设主机拆卸吊具，主机向前边步进边进行主机拆除。并将刀盘中心块、主驱动基座、主梁一、后支撑等难以整体运输的重大件在拆卸地分割肢解后运出 [
采用拆卸洞室前置法拆机方案时，拆卸洞室布置于掘进机前方，需通过旁洞开挖。该方案地质条件要求相对不高，遇到围岩完整性较差时，也可以实现。
1) 重大件整体拆除法
首先需对桩号14 + 225~14 + 234钢拱架变形段的钢拱架进行更换，随后还需进行以下工作：① 在TBM桥架位置开挖侧壁洞并布设泵站，将原主洞TBM开挖段3级排水改为1级排水，一级将污水排至主支洞交叉段上游蓄水池；② 将主支洞TBM开挖段沿线布设的4处排水泵站、主洞16 km供水管及(25处)闸阀、主洞布设的变压器(3处)、支洞排水管镇墩(3处)和闸阀(1处)拆除；③ 将主、支洞TBM开挖段沿线所有排水管闸阀(约26个)的手轮、阀杆、阀盖等拆除后，采用法兰进行封堵。重大件全部运输完成后方可恢复。
TBM主机拆除的主要程序为：在主驱动基座两侧安装顶升油缸(油缸安装工位在边块焊缝刨除工位开挖时进行开挖) → 主驱动前方和后方隧洞底部安装翻身葫芦耳座 → 利用顶升油缸将主驱动基座及底护盾顶升345 mm，并在顶升工装上加装斜支撑 → 主驱动基座前方和后方各安装两个50t的翻身葫芦→ 利用翻身葫芦将主驱动基座旋转至水平状态 → 主驱动基座前后两侧安装临时支撑(防止倾倒)，并将翻身葫芦拆除 → 底部安装轨道 → 采用轨行式板车将主驱动基座运出洞外。后配套就地拆解运出洞外 [
如前所述，隧洞施工断面布置不满足重大件(刀盘中心块、主驱动基座、主梁一、后支撑)整体运输的要求，需对洞内运输条件进行改造。
2) 重大件分割拆除法
TBM的主机拆卸方法与整体拆除法相同，主机拆除后在不进行洞内运输条件改造的情况下，将重大型结构件在拆卸地进行肢解后运出洞外。需肢解的重大件有：刀盘中心块、主驱动基座、主梁一及后支撑 [
| 序号 | 大型组件名称 | 肢解后尺寸(长m*宽m*高m) | 肢解后重量(t) | 备注 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 刀盘中心块 | 4.0 × 2.0 × 1.76 | 27.50 | 分为2块 | |
| 2 | 主驱动基座 | 2.56 × 2.56 × 1.93 | 28.75 | 分为4块 | |
| 3 | 主梁一 | 3.93 × 2.0 × 2.0 | 14.00 | 分为4块 | |
| 4 | 后支撑 | 4.05 × 3.12 × 3.8 | 15.00 | 分为2块 | |
表1. TBM大型组件肢解方案
TBM掘进至桩号25 + 600后，利用TBM调向系统，以400 m的水平转弯半径、向下1.8‰的坡度，向左掘进约150 m (若揭露围岩为Ⅳ/Ⅴ类围岩或受桥架影响转弯困难时，只掘进约100 m，将桥架钢结构拆除，并运出洞外)，TBM开挖的偏离主洞的左侧洞室作为TBM的拆卸洞室。TBM停止掘进后，将主机及桥架区域配置的设备(如刀具、驱动电机、L1区和L2区支护设备、主推油缸、电气及液压等设备)拆除，将刀盘、主驱动基座、主梁一、主梁二、撑靴、鞍架、后支撑、及桥架等难以拆除的钢结构件(合计约642 t)就地舍弃至左侧拆卸洞内。
掌子面三角体在TBM主机及桥架区域配置的设备及台车钢结构拆除完成后，采用爆破法进行开挖。掌子面三角体拟开挖断面为直径6.5 m圆形(与TBM开挖断面一致)。拆卸洞室洞口封堵回填厚度不小于3 m，掌子面三角体钻爆开挖的同时，利用钻爆开挖石块，将TBM拆卸洞洞口采用M10浆砌石+灌注C25细石混凝土/M10砂浆进行封堵回填，详见图1。
本方案重大件不拆除，均埋于拆卸洞室内，后配套拆除方法同方案一。
图1. 拆埋洞室平面布置图
1) 方案一拆卸洞室前置法
a) 本方案拆卸洞室采用钻爆法扩挖，拆卸洞室断面大，尺寸为9.9 m宽 × 11.2 m高，拆卸洞室对围岩的完整性要求高，且爆破作业火工品使用量较大，爆破循环产生CO等有害气体较多，施工周期长(约3.4个月)，且作业环境条件差，但当前通风系统通风能力不足，存在一定的安全风险 [
b) 本方案若采用重大组件整体拆除法，需对洞内设施进行拆除或改造，尤其是对排水系统改造，其工期约需27天，其间排水工作中断，而洞内实测稳定排水量高达230 m3/h，排水系统停止工作1 h后，TBM主机区域积水深度为40 cm，将导致施工人员无法正常工作；排水系统停止工作10 h后，TBM区域积水深为1.5 m，积水区域长达900 m，TBM区域的排水泵站被淹没，将导致排水系统难以恢复，存在极大的安全风险。
c) 本方案若采用重大组件整体拆除法，重大件的吊运及支洞大坡度运输存在较大的安全风险 [
d) 本方案若采用重大件分割拆除法，因切割工作量较大，其过程中产生较多CO、CO2、SO2和O3，在通风能力不足的情况下，将对作业人员健康产生有害影响。
2) 方案二“拆 + 埋”法
a) 本方案采用TBM开挖拆埋支洞，与主洞正常段开挖支护条件相同，风险小；只有支洞与主洞交叉部位三角楔形体采用钻爆法扩挖，工程量小，涉及爆破作业的火工品使用量小，爆破循环产生CO等有害气体较少，施工周期相对较短(约1个月)，作业环境条件相对较好，安全风险相对较低。
b) 本方案无需对排水系统进行改造，排水系统的排水功能不中断，淹机风险小；
c) 本方案拆卸起吊结构件重量小于10 t，吊运及支洞大坡度运输安全风险小。
d) 本方案实施过程切割工作量小，拆机过程中产生的CO、CO2、SO2和O3相对较小，作业环境相对较好，对作业人员健康有害影响小。
本次ABH输水隧洞工程Ⅲ标TBM拆除方案投资编制原则和依据、基础单价、工程单价取费标准同初步设计概算。其中前置法拆卸方案工程直接投资293.68万元，拆埋方案工程直接投资256.9万元，上述工程费用只计取建筑工程投资未计列其他工程费用。
方案一钻爆法开挖及运输改造工期107天，主机拆除工期92天，后配套拆除工期103天，TBM拆卸总工期195天，即6.5个月。
方案二钻爆法开挖工期25天，主机拆除工期26天，后配套拆除工期42天，TBM拆卸总工期97天，即3.2个月。TBM采用拆 + 埋方案时，本标段施工工期可缩短3.3个月。
本文通过从地质、工程安全、投资分析TBM拆机方案，首先地质条件对拆机方案无制约。拆卸洞室前置法扩挖断面大，对围岩的完整性要求高，爆破作业产生有害气体较多，作业环境条件差，对施工排水影响大，施工周期长(约3.4个月)，重大件的吊运及支洞大坡度运输存在较大的安全风险。而采用“拆 + 埋”方案开挖量小，作业环境条件相对较好，安全风险相对较低，无需对排水系统进行改造，结构件重量小，吊运安全风险小，工期较短(约1个月)，施工工期可缩短3.3个月，投资优于拆卸洞室前置方案；最终确定采用“拆 + 埋”方案。该方案的选取过程为本工程及今后类似工程施工提供参考。
马 骋. 长距离深埋隧洞TBM拆机研究Research on Dismantling of TBM in Long-Distance and Deep-Buried Tunnel[J]. 土木工程, 2021, 10(04): 356-360. https://doi.org/10.12677/HJCE.2021.104040