仰拱喷射混凝土施工及设备改造技术应用研究.pdf

第 4 5卷 第 3期 2 0 1 4 年 2 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 4 5， No 3 Fe b，2 01 4 文章 编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 4) 0 3 0 0 6 3 0 3 仰拱喷射混凝土施工及设备改造技术应用研究 杨 凡 ， 陈 方 明 ， 王 丽宏2 ( 1 中国葛洲坝集 团 巴基斯坦 NJ 项 目部 ， 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ； 2 长 江勘测规 划设 计研 究有限责任公 司 施 工设计处 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 开 敞式 T B M掘进 支护施工的难点是仰拱施 工 ， 及 时进行仰拱施 工对隧洞安全、 工程 质量具有重要 意 义。 但 开敞式 T B M 由于设备功 能限制， 在选择仰拱施 工方式上 受到较 大局 限 ， 从 而大 大增 加 了仰 拱施 工的 困难 。 针 对巴基 斯坦 NJ工程 中使 用的 2台开敞式 T B M， 结合 工程和设备 实际条件 ， 通过反 复试验和 实际应 用， 对 仰拱 混凝土喷射施 工方法和设备改造 方案进行 了深入 研 究和分 析 ， 最终找 到 了一种 简便 可靠且行之 有 效的 仰拱施 工方法 。可 为类似 工程和在 T B M 设备上解 决仰拱施 工问题提供 一些具有 实际应用价值的经验 。 关键词 ： 开敞式 T B M； 仰拱混凝 土；喷射施 工；设备改造 中图法分类号 ： T V 5 3 文献标志码 ： A T B M 全 称 为 隧 洞 掘 进 机 ( T u n n e l B o r i n g Ma - c h i n e ) ， 是一种用于隧道全断面机械开挖的施工设备 ， ：i 生 半个多世纪的时间内已逐步在 国内外的地下工程中 得 到广 泛和 成 功应 用 。在 巴基斯 坦 N e e 1 u m J h e l u m ：水电工程( 以下简称 NJ 工程 ) 中使用了 2台开敞式 F B M 用 于 21 1 5 k m 长 的 引水 隧 洞 开挖 。本 文 主要 针对开敞式 T B M支护施工 中的难 点之一仰拱混 凝土( 如图 1 所示) 施工进行研究和分析 ， 寻找适应该 工程特定施工设备条件的简便可靠且行之有效的仰拱 施工方法 ， 并对相关的设备改造一并展开研究 。 图 1 T B M仰拱混凝土布 置示意 1 仰拱施工主要方式简述 开敞式 T B M仰拱混凝土施工由于工序较多、 影 响 范围大 、 作业空间狭窄、 工艺要求高等原 因， 导致实施 困难较大， 一般可采用 的施工方 法有 ： 预制混凝 土仰 拱 、 现浇混凝土仰拱和喷混凝土仰拱等。 ( 1 )预制混凝土仰拱是一种广泛采用且简单易行 的施工方法 ， 其主要作法为， 按照设计要求使用快速养 护模具预制出钢筋混凝土管片 ， 并利用 T B M上的运输 和安装机具将该管片铺设在隧洞仰拱处 ， 完成底部 回 填后形成最终仰拱 。由于该工程隧洞埋深大 ， 围岩差， 存在大收敛情况 ， 且因施工征地问题导致无法布置大 型预制车间等 ， 在 T B M选型时业主方未考虑预制仰拱 施工手段 ， 因此预制仰拱的方案无法实现。 ( 2 )现 浇混凝 土 仰 拱 一 般 为 掘进 后 的施 工 手 段 ， 所谓掘进后施工手段是指 T B M完成掘进并通过后 ， 在 T B M后部利用专用 或 自制 的仰拱施 工台车完成仰拱 立模 、 混凝土入 仓、 振捣 、 养护 和拆模形成隧洞仰 拱。 前期 NJ 工程 中计划采用此方式 ， 并使 用 自制的仰 拱台车和混凝土运输设备进行了仰拱施工试验， 但结 果极不理想 ， 存在施工难 度大、 工艺要求高 、 施工干扰 多、 成型质量差、 准备时间长等诸 多难点和弊端 ， 要实 现现 浇仰 拱极 为 困难 。 ( 3 )喷混凝土仰拱则是结合现场实 际情况 ， 通过 收稿 日期 ： 2 0 1 31 2 0 3 作 者简介 ： 杨 凡 ， 男， 工程师 ， 主要研 究方向为 大型施工设备技 术及 管理。Em a i l ： 3 6 9 6 7 3 7 9 5 q q c o rn 6 4 人 民 长 江 对 T B M进行必要 的、 合理的设备改造， 采用成套混凝 土湿喷机械臂实现仰拱混凝土 的喷射施工 ， 完成仰拱 一 次成形的施工方法。该方法相对其它两种方法而言 实施 的难 度 较 小 ， 而且 具 有 工 序 环 节 少 、 工 艺 控 制 简 便 、 掘进 和仰 拱 同步 、 岩 石封 闭及 时等 优势 。 N J 工程为满足 T B M 仰拱混凝土施 工需要 ， 在 保证 施 工质 量 的同时 ， 必须 尽量 简化 工艺 流程 ， 减 少施 工难度 ， 提高整体效率 。经反复试验和论证后 ， 采用湿 喷机械臂实现仰拱混凝土的喷射施工 ， 完成仰拱 的一 次成形。本文将结合该工程 T B M设备的实际特点 ， 重 点分析和研究喷混凝土仰拱施工技术和与之配套的设 备 改造 技术 。 2 仰拱喷 混凝 土施工技术研究 2 1 基本 思路 NJ 工程 的 开 敞 式 T B M 由 主机 、 设 备 桥 和 7节 后配套 台车组成 ， 其 中在 2个 区域布置 了混凝土喷射 施工设备 ， 即位于主机主梁顶部的 L 1区和后配套 1 号 台车 上 的 L 2区 ， 这 两 个 区 域 可 以 完 成 仰 拱 以 上 约 2 7 0 。 范围的喷混凝 土作业 ， 但无法满足仰拱施 工的要 求 。为了实现仰拱喷混凝土施工要求 ， 经过对 T B M设 备 、 成套喷混凝土设备 、 小火车平板及施工空间等设备 性 能 和现场 条件 进 行 实测 和分 析 后 认 为 ， 如 果 将 成套 湿混设备分解后安装在 T B M上的合适位置， 使之形成 较为配备的整体 ， 便可实现 T B M掘进和仰拱喷混凝土 施 工 同步进 行 。 2 2主要施工程序 首先按仓位设计尺寸设置隔水 围堰 ， 完成仓位排 水和清基作业后， 利用安装在后 配套上 的混凝土输送 泵将混凝土输送至施工部位 ， 采用喷射机械臂对仰拱 区域进行喷混凝土作业 ， 一次性形成仰拱。机械喷射 臂 安装 在 一个 可在 轨 道 上 滑行 的小 火 车 平 板 上 ， 可 移 动到 中心 轨道 一侧 ， 不影 响 吊机 对材料 的运输 。 2 3 仰 拱喷混凝土施工 仰 拱 喷 混 凝 土 施 工 主 要 包 括 ： 仓面排水 、 清理基面、 喷混凝土作业 、 回弹控 制 等工 序 。 ( 1 )仓 面 排 水 。 在 清 渣 料 斗 和 后支撑位置分别设置一道隔水 围堰 ， 围堰 距 离为 6 m； 使 用 1台污 水 泵 ( 水泵 数量 根 据 前 方水 量 确定 ) 抽 排 T B M后支撑 前部 的积 水 ， 确保水 位 超 过 围堰高 度 ； 另用 1台污水 泵 抽 排两道 围堰之间的水 ， 便于清渣。围 堰一般可采用砂袋 围堰和钢板 围堰 ， 钢板 围堰和砂袋 围堰相 比， 具有使用方便 、 设置速度快 、 可重复利用 、 不 会造成二次污染等优点 ， 该工程采用钢板 围堰 。使用 5 mm厚 钢板 ， 切 割成 弓形 ， 弧度 与 隧洞 开挖 线 相 同 ， 高 度为 6 0 c m， 不超 过轨 枕 面 ， 避 免影 响轨 道 铺设 。 ( 2 )基 面清 理 。两 道 围 堰 之 间 的水 抽 排 完 后 ， 人 工将 石渣 清理 到 出渣料 斗 中 ， 提 升倾 倒 至 出渣 皮带 ， 确 保围堰之间石渣清理干净 ， 剩余的泥浆用污水泵排净 ， 直到露出基岩面。然后再采用高压水或高压风进行岩 面清 理 。 ( 3 )喷混凝土作业。 作业 空间。喷混凝土作 业空间为 T B M设备桥前轮到出渣料斗位置 ， 喷射 区域 为隧洞底部 1 0 0 。 范围 ， 即仰拱范 围。 仓位设置。机 械臂伸缩长度为 3 m， 仰拱混凝土每延米约 1 5 m ， 混 凝土罐车容量为 5 m ， 可施工长度约为 3 IT I ， 因此每次 喷混 凝 土长 度 可设 置 为 3 m， 仓 位 设 置 长度 为 6 m， 分 两次 喷射 施 工 ， 每 次 清 基 长 度 为 6 m。 工 艺 流 程 。 每次清基 6 m后 ， T B M掘进 6 m， 将清基仓位移动至喷 混凝 土作 业 区域 ， 然 后 进 行 后 续 测 量 放 线 、 铺 设 预 制 块 、 喷射仰拱等工作。完成 3 m喷射后 ， 铺设轨枕轨道 ( 板车移动 ) ， 向前移 动机 械臂 ， 再 完成仓位剩 余 3 m 的施工( 见图 2 ) 。在第 1次喷射混凝土时 ， 掘进 、 清基 持续 进 行 ， 到完成 整个 仓位 的喷混 凝 土施 工 时 ， 另一仓 位已经清基 、 准备完毕 ， 具备仰拱 喷混凝土条件 ， 可实 现 掘进 、 清基 、 喷 混凝 土持 续循 环 作业 。施 工 工艺 流程 为 ： 设 围堰排 水一 清 渣一 测 量 放 线一 铺 设 预 制块 一 机 械 臂就 位调 整一 管路 连接 一 喷射 仰拱 混凝 土一 铺 设 轨 枕 轨道 。 ( 4 )回弹控制 。通过调整 喷射 嘴到岩 面距 离 、 速 凝 剂掺 量 以及 喷射顺 序 等控 制 回弹料 。喷嘴 到 岩面距 离通过喷射试验确定 ， 选择最适合 的距离 ； 速凝剂掺量 也 通过 试验 确定 ； 喷射顺 序 为 ： 先 喷底 部 、 再 喷两 侧 ， 由 下 到上 分段 、 分 片进 行 。因 喷头 基本 朝下 喷 射 ， 理 论上 回弹率很低 ， 实际回弹率还需通过现场试验确定 。 图 2仰拱 喷混 施工布置( 尺寸单位 ： m) 第 3期 杨 凡 ， 等 ： 仰拱 喷射 混凝 土施工及设备 改造技术 应用研 究 6 5 3 仰拱喷混凝土设备改造技术 3 1改造方 案 通 过对 性 能稳 定 、 技术 成 熟 的成 套湿喷设备进行 合理 的分解 、 改装 ， 并结合 T B M 没备的安装空间和仰拱 施工部位的具体条件 ， 将湿喷设备混 凝土输送泵 、 喷射机械臂 、 速凝剂供 应系统等与 T B M 和小火车平板整合 ； 芏一起 ， 在 完 成 仰 拱 喷 混 施 工 的 同 时 ， 保 证 T B M 同步掘 进 。 2成套湿喷设 备 ( 1 )湿喷机械臂。使用 目前非常成熟的 A l i v a 3 0 2 机械臂， 实测机械臂尺寸 ： 长 宽 高为 2 5 m x( 0 7 0 8 )m1 8 m， 伸出后长度为 5 6 m。A l i v a 3 0 2机 械 臂作 业 范 围见 图 3 。 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 距离 m 图 3 Al i v a 3 0 2机 械 臂 作 业 范 围 ( 2 )混凝土输送设备 。使用性能稳定 、 应用广泛 的 S i k a P M7 0 2 E P混凝土湿喷泵。 3 3设备改造 技术 ( 1 )喷射机械臂改装 。将喷射机械臂安装在小火 车平板 的前端 ， 该小火车平板放 于 T B M设备桥底部 ， 即在后 配 套轨 道 的末 端 处 ， 这 样 机 械 臂 所 覆 盖 的施 工 范 围 中没 有铺 设轨 道 ， 可 以方便 实 现 喷混作 业 。此外 ， 机械臂通过一组滑动轨道与小火车连接 ， 可使机械臂 实现沿洞轴线垂直方 向移动 的功能 ， 从而保证在不进 行仰拱喷混施工时留出中间通道 ， 方便材料运输 。 ( 2 )混凝土湿喷机改装。考虑为方便混凝土供料 和混凝土输送管线 的布置 ， 以及混凝土输入泵 的安装 尺寸要求 ， 通过仔细研究和分析 T B M后配套结构和功 能 ， 决定将 S i k a P M7 0 2 E P混凝土湿喷泵安装在后配 图 4混 凝 土 湿 喷 机 布 置 套 4号台车左侧下平台上( 详见图 4所示 ) ， 该部位原 安装有一套灌浆设 备 ( 根据施 工的实际需要 ， 可以拆 除不用) ， 并配置了一部水 泥罐 吊机 ， 可 以方便装卸水 泥或 混凝 土罐 ， 从 而解 决 了混凝 土输 入泵 的供 料 问题 。 ( 3 )速凝剂供应系统。将速凝剂泵和速凝剂桶布 置在小火车平板上 ， 与喷射机械臂较近， 可 以方便仰拱 施工人员及时对速凝剂供给进行控制和调整 ， 减少速 凝 剂 的浪 费 。 ( 4 )管线 布置 。主要指 混凝 土输 送管 线 和压缩 空 气管线 的布置。混凝土泵布置在后配套 4号台车上可 以直接利用原来的灌浆 管线 ， 该管线从 4号 台车一直 向前布置到设备桥 ， 然后通过喷混软管连接到喷射机 械臂上； 压缩空气同样利用 T B M 自带空压机系统的管 线 得 到解决 。 4 结 语 通过对开敞式 T B M仰拱喷射混凝土施工和设备 改造技术的研究 ， 综合考虑 NJ工程 引水 洞的地质 特点 ， 结合 T B M设备具体情况 ， 提 出了施工方法和设 备改造方案， 并在实际工程中反复进行试验和应用 ， 证 明仰 拱喷 射 混 凝 土施 工技 术 和 设 备 改 造 是 完 全 可 行 的。为今后类似工程解决仰拱喷射混凝土施工提供 了 有 益 经验 。 ( 编辑 ： 徐诗银 ) t夕 ( 下转第 6 9页) O g 8 7 6 5 4 3 2 l O 睫 第 3期 王焕明 ， 等： 复杂地质 区 T B M卡机成 因分 析及 脱 困技术 6 9 掘进 。刀盘卡住时也不能轻易退刀 ， 必须保持刀盘紧 贴岩面， 防 止退 刀 后形 成 空 腔 ， 导 致 塌 方 向深 层 发 展 。 ( 5 )严 重卡机 时采取 超前导洞扩 挖脱 困是有 效 的。 自进式锚杆结合化学灌浆材料可以有效加 固松散 体 ， 保证超前导洞扩挖的安全性和施工连续性 ， 结合巷 道施工经验进行导洞开挖 ， 可以有效解决 中高埋深区 Q 5类 围岩卡 机 的难题 。 ( 6 )应开展 T B M隧洞软岩变形破坏机理与支护 参数优化 的相关研 究。科 学地预测 围岩变形破 坏机 理 ， 进而提出合理 的支护设计方案 ， 是有效解决 T B M 穿越断层破碎带 的理论保 障。 参考文献 ： 1 尚彦 军， 史永跃 ， 曾庆 利 ， 等昆明上 公 山隧道 复 杂地 质条 件下 T B M卡机及护盾 变形 问题 分析 和对 策 J 岩石 力 学与 工程 学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 )： 3 8 5 83 8 6 3 2 宋天 田， 肖正学 ， 苏华友 ， 等 上 公山 T B M 施工 2 2 2卡机 事故工 程地质分 析 J 岩 石 力 学与 工 程 学报 ， 2 0 0 4， ( 增 1 )： 4 5 4 4 4 5 4 6 3 赵鹏涛 深埋长输水隧洞 T B M 卡机事 故分析及 处理措施 J 人 民长江 ， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 1 7 ) ： 7 27 6 4 隆威 ， 尹俊涛 ， 尚彦军 ， 等 上公山隧洞 T B M掘进 主要 工程地质 问 题及施工对策 J 探矿 工程( 岩 土钻掘 工程 ) ， 2 0 0 4 ， ( 1 2) ： 5 3 5 5 ( 编辑 ： 郑 毅) C a u s e a n a l y s i s o n T B M j a m a c c i d e n t i n a d v e r s e g e o l o g i c a l s t r a t a a n d j a m - r e mo v i n g t e c h n i q u e s W ANG Hu a n mi n g， CHEN Fa n g mi n g ( N e e l u mJ h e l u m P r o j e c t D e p a r t m e n t i n P a k i s t a n ， C h i n a G e z h o u b a ( G r o u p )C o r p o r a t i o n ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e Ne e l u m J h e l u m Hy d r o p o we r S t a t i o n w i t h d e e pb u r i e d w a t e r i n t a k e t u n n e l i n P a k i s t a n i s l o c a t e d a t t h e s o u t h p i e d mo nt o f Hi ma l a y a s，wh i c h i s c o n f r o n t e d wi t h a d v e r s e g e o l o g i c a l c o n di t i o nTwo s e t s o f o p e nt y p e TBM we r e a do p t e d t o e x - c a v a t e a do u b l et u nn e l s e c t i o n o f t h e wa t e r i nt a k e t un n e 1 Un de r c oi n flu e nc e s o f s h e a rf r a c t u r e z o n e。s o f t r o c k ma s s a n d g r o u n d wa t e r s e e p a g e ，r o c k ma s s c o l l a p s e d d u ri n g t h e e x c a v a t i o n a n d f u r t h e r c a u s e d a T BM j a m a c c i d e n t T h r o u g h c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o n t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n o f t h i s t u n n e l s e c t i o n，a c c o r d i n g l y ，we p r o p o s e a j a m r e mo v i n g s o l u t i o n t h a t i s e x c a v a ti n g a s ma l l p i l o t t u n n e l a t t h e t o p o f T BM s h i e l d T h e j a m r e mo v i n g t e c h n i q u e w a s v e r i fi e d e f f e c t i v e l y b y t h e e n g i n e e ri n g p r a c t i c e ， t hu s g a i ni ng v a l u a bl e e x pe rie n c e s f o r TBM c o ns t r uc t i o n i n s i mi l a r a dv e r s e g e o l o g i c a l s t r a t a Ke y w o r d s ： T B M j a m； a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r o b i n g ； j a m r e mo v i n g s o l u t i o n ； N e e l u m J h e l u m H y d r o p o w e r S t a t i o n ( 上 接第 6 5页 J App l i c a t i o n o f s h o t c r e t e c o n s t r uc t i o n t e c hn o l o g y f o r t un ne l i n v e r t - a r c a nd e q ui pme n t r e f o r m a t i o n YANG Fa n ， CHEN Fa ng mi n g ， W ANG Li h o n g ( 1 N e e l u m J h e l u m P r o j e c t D e p a r t me n t i n P a k i s t a n ， C h i n a G e z h o u b a ( G r o u p )C o r p o r a t i o n ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， C h i n a ； 2 C o n - s t r u c t i o n D e s i g n D e p a r t me n t 。 C h a n g fi a n g I n s t i t u t e o fS u r v e y ， P l a n n i n g ， D e s i g n a n d R e s e a r c h ， W u h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t：Tu nn e l l i ng s up po rt i s o n e o f t h e d i f f i c u l t a n d k e y p o i n t s o f o p e nt y pe TBM c o ns t r uc t i o n a n d i t i s s i g n i fic a n t f o r t h e t u n n e l s a f e t y a n d p r o j e c t q u a l i t y t o t i m e l y p e r f o r m t u n n e l i n v e r t a r c c o n s t r u c t i o n Ho w e v e r ， d u e t o t h e f u n c t i o n l i m i t o f T B M e q ui pme n t ，i t i s l a r g e l y r e s t ric t e d t o s e l e c t a me t ho d for t u nn e l i nv e rt a r c c o ns t ruc t i o n，whi c h l a r g e l y i n c r e a s e s t he c o n s t ruc t i o n d i f f i c u l t i e s I n v i e w o f t h e t w o s e t s o f o p e nt y p e T B M b e i n g u s e d i n Ne e l u m J h e l u m Hy d r o e l e c t r i c P r o j e c t i n P a k i s t a n，a c c o r d - i n g t o t h e a c t u a l c o n d i t i o n s o f t h e p r o j e c t a n d t h e t u n n e l l i n g e q u i p m e n t c a p a c i t y ， t h r o u g h r e p e a t e d t ri a l s t e s t s ， t h e p a p e r p r e s e n t s t he c o n s t ru c t i o n me t h o d f o r i n v e r ta r c c o n s t ruct i o n by s h o t c r e t e a n d t he c o r r e l at e d e qu i pme n t r e f o rm a t i o n s o l u t i o n，s o a s t o g e t a s i mpl e，r e l i a bl e a nd e f f i c i e n t wa y for t un ne l i n v e rt a r c c o ns t ru c t i o n Ke y wor ds： op e nt y p e TBM ；t u nn e l i n v e rt a r c c o n c r e t e，s ho t c r e t e c o n s t ruc t i o n；e qu i pme n t r e f o rm a t i o n