热点追踪 | 大直径变径TBM的成功应用——“双直径”TBM顺利完成Mill Creek排水隧道掘进

小编语

2022年8月4日， 应用于美国德州Mill Creek排水隧道的罗宾斯“双直径”硬岩TBM完成了全程掘进。这台TBM在掘进途中成功将原本11.6m的刀盘直径变换为了9.9m，一台设备完成了两种不同直径的隧道掘进。本期，就让小编带大家一起回顾一下这次“地下变形之旅”！

项目背景

美国德州达拉斯Mill Creek排水隧道全长8km，建成后将提升达拉斯市东部和东南部的防洪能力。由于上游段和下游段的设计流速不同，所以项目最初将上游5.2km段设计为圆形断面，而下游2.8km段则设计为马蹄形断面，全程采用一台硬岩TBM开挖，马蹄形断面需在TBM开挖过后使用凿岩机扩径。

改进设计

为了寻求改进方案，施工团队委托罗宾斯设计并建造了一台可以在隧道内改变直径的TBM，在掘进过程中将刀盘直径从11.6m转换至9.9m，完成整条隧道不同直径段的掘进。

新的掘进计划

这台可变径硬岩TBM于 2020 年 4 月 24 日以11.6m的刀盘直径始发，先行掘进下游段2.8km隧道。 2021年1月，TBM完成了下游段的掘进，开始进行直径变换。在耗时近4个月后，TBM的刀盘直径变化为9.9m。

TBM的始发状态

2021年5月，TBM开始以9.9m的刀盘直径开始掘进上游段，最高日掘进距离43m，最终于2022年8月完成了上游5.2km的掘进工作，准备开始安装内衬。

变径方式

完成变径的关键是TBM本身的设计，这台TBM装备有一系列模块化可拆卸的组件，刀盘缩小的具体方式是通过移除下图中蓝色和橙色的组件，让整个刀盘实现内缩。

除了TBM本身的设计外，完成的整个变径过程还需要一系列的配合工作：

■ 前期准备

作为泄洪隧道，沿线设有五个跌水井与横坑道。施工方将TBM进行变径的位置安排在其中一条横坑道的位置：这是一条使用挖机建成的直径6m、长90m的马蹄形隧道。这条横坑道与一座深52m，直径6m的跌水井相连。展开变径时施工人员将通过这条隧道来到刀盘前。

变径区域

■ 拆卸刀盘

施工方在横坑道A附近开挖了一个中继间，清出了一片长21m的施工区，安装顶部支护后，将TBM倒退一段距离来到中继间的开口位置，随后在侧向隧道内开始拆卸刀盘部件。

开始变径前的TBM

■ 刀盘变径

整个刀盘由中央的方形块、上下左右四个边缘块以及连接边缘块的四个连接块组成。拆卸时，刀盘上的边缘块与连接块分别拆下，从横坑道运至跌水井后吊出，其中边缘块在制造车间内割除多余部分后再次运至井内，与中央方形块重新拼合并固定，形成9.9m直径刀盘。

■ 位置调整：

由于小直径隧道需要与大直径隧道保持同圆心，因此刀盘部件在车间进行改制的同时，需要使用千斤顶将TBM机头与车架抬高75cm，以匹配新隧道的标高。完成后，还需要安装变径后的小直径盾壳。

完成上述步骤并重新装好新的刀盘后，TBM缓慢地向前推进了1.2m至1.5m，并将之前安装的顶部支护拆除。之后TBM再进行了6m至9m掘进，施工人员开始对TBM的后部支撑进行调整。在车架进入小直径隧道后拆除了原先用于抬高的结构。在小直径隧道内掘进了100m左右后，安装了与新直径匹配的新皮带输送系统。

挑战与应对

这样在隧道而非竖井内进行TBM直径变换的工程尚属世界首例。过程中自然也遭遇了一些问题和挑战。

变径作业空间问题：

由于隧道内空间有限，所以变径所用的零件都是以模块化的方式制造的。并且零件吊装点都经过了特别的预先设计。因此只靠简单的吊装设备即可在隧道内狭小的区域中完成直径变换。

11.6m状态下的盾壳拆卸和运出也是一个问题。实际操作过程中，施工方只能让施工人员在隧道内将盾壳切割成小块后运出。

狭窄的作业空间

其他掘进作业问题：

由于隧道沿线地层中包含有害气体，因此TBM掘进过程中进行了多次超前钻探。

地层土体在沾水后会变得极富粘性，因此掘进中需要保持干燥。但这又带来了带来了严重的扬尘问题，施工方只能在掘进中不断调整通风系统以控制扬尘。

在克服了掘进本身和TBM变径带来的诸多困难后

施工团队于2022年8月4日实现贯通

小编语

原本可能耗资巨大的项目，通过使用了隧道内TBM变径技术，使得施工效率提高，按照原定时间顺利完工，也在一定程度上证明了该项技术的可靠性。期待这项技术在未来能够得到更多的应用！