在受限场地内双护盾TBM分体组装及小转弯半径始发施工技术

《Frontiers in Earth Science》：Construction technology for split assembly of a double-shield TBM in a confined site and launching with a small turning radius

　　

双护盾隧道掘进机（TBM）施工是长距离水工隧洞的重要机械化开挖方法。但在山区水利工程中，洞口施工场地通常受限，且隧洞线型常包含多处曲线。传统的洞外整体组装和直线始发因此难以实施。以湖南省梅山灌区工程引水隧洞为案例，研究人员提出了一种基于洞口场地条件和TBM尺寸的“洞外组装、分体步进、整体始发”的组装施工方法。针对500 m曲线半径的极限始发条件，采取了一系列技术措施，包括始发洞段优化、曲线导向台预偏、反力架定向布置、首环管片精准控制以及低推力短行程微调纠偏。结果表明，所提技术有效解决了约200 m长的双护盾TBM无法在40 m × 40 m受限场地内整体组装的问题，实现了主机、连接桥、后配套台车及皮带输送系统的有序安装和顺利始发。在极限500 m半径曲线段始发过程中，TBM姿态总体可控，未出现明显盾体卡阻或皮带跑偏。在砂质板岩地层试掘进阶段，各掘进参数均低于设备设计限值，设备运行稳定。3月份月进尺增加到约444 m，最大日进尺达到23.39 m。研究成果为双护盾TBM分体组装及500 m极限半径曲线始发施工提供了科学可靠的理论和实践支持。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
近年来，隧道掘进机（TBM）因高效、安全及高机械化程度，在水工隧洞、水电及抽水蓄能项目中广泛应用。然而，山区水利工程中洞口施工场地往往极为受限（如梅山灌区项目出口场地仅40 m × 40 m），且隧洞线型常包含多处小半径曲线。传统洞外整体组装及直线始发方式难以实施，导致双护盾TBM（总长约200 m）无法在有限空间内完成组装，且极限小半径曲线（如500 m最小转弯半径）始发时机身易与洞壁干涉、姿态控制困难、皮带输送机易跑偏。已有研究多聚焦于城市地铁项目，针对长距离水工隧洞中“受限场地内双护盾TBM分体组装+极限小半径曲线始发”的联合工况研究尚不充分。因此，研究人员以湖南省梅山灌区工程引水隧洞为案例，开展了相关技术研究。论文发表在《Frontiers in Earth Science》。

**关键方法**
研究人员为开展研究，采用以下主要关键技术方法（基于原文，忽略试剂、培养及质粒构建等无关步骤，样本队列来源为梅山灌区工程引水隧洞出口场地）：
1. 场地功能分区与硬化处理：将组装场地划分为TBM组装区、吊装区、车辆转弯区、材料存储区、仓库及人员工作区，并采用C25混凝土进行硬化（厚度20 cm），确保地基承载力不低于188.8 kPa。
2. 分体组装与步进推进：采用“洞外组装、分体步进、整体始发”方式，利用SCC3200A履带吊和STC800T6汽车吊，依次吊装主机器件（前盾、伸缩盾、撑紧盾、刀盘、管片安装机等），分步组装连接桥及后配套台车，并逐步推进至始发洞。
3. 始发洞段优化与曲线导向台预偏：将原设计的马蹄形始发洞段优化为断面尺寸更小的形式（宽5.2 m、高6.575 m），并设置预偏角α=0.69°的曲线导向台，使TBM提前适应500 m转弯半径。
4. 反力架定向布置与首环管片精准控制：反力架按预偏方向布置，与衬砌结构形成整体承载体系；首环管片安装时进行全过程跟踪测量，确保位置和角度准确。
5. 低推力短行程微调纠偏：始发过程中采用“低推力、短行程、勤测量、微纠偏”原则，通过内外侧推进油缸压力、行程及推进速度差异控制转弯。

**研究结果**
（保留原文主要小标题，并说明通过什么研究得出什么结论）

**3 Split assembly of the double-shield TBM in a confined site**
- **3.1 Functional zoning of the assembly yard**: 通过将组装场地划分为五个功能分区，有效提高了空间利用率，确保了各工序有序进行。
- **3.2 Site hardening treatment**: 场地硬化处理后，地基承载力满足188.8 kPa要求，为TBM组件吊装和步进提供了稳定基础。
- **3.3 Assembly construction technology**: 采用“洞外组装、分体步进、整体始发”方法，通过分步吊装主机器件、连接桥及后配套台车，并逐步推进，成功解决了约200 m长双护盾TBM在40 m × 40 m受限场地内无法整体组装的问题。
- **3.3.1 Verification of lifting capacity and foundation bearing capacity**: 定量验证了吊装能力和地基承载力，确认SCC3200A履带吊和STC800T6汽车吊的额定起重量均大于对应组件质量，且计算地面压力低于188.8 kPa，满足安全要求。
- **3.3.2 Installation of the TBM main machine**: 主机器件（前盾、伸缩盾、撑紧盾、刀盘、管片安装机）依次通过90°翻转和吊装就位，实现了主机在受限场地的精确安装。
- **3.3.3 Installation of the connecting bridge, main-machine belt conveyor, and backup system**: 连接桥和后配套台车在主机步进后分步组装，1至17号台车依次完成，确保了全系统有序连接。
- **3.3.4 Installation of the belt conveyor**: 连续皮带机及转载皮带机从内向外安装，包括储带仓、驱动单元、硫化平台等，适应了狭窄陡峭的出口场地。
- **3.3.5 TBM commissioning**: 空载和负载调试后，各子系统运行正常，为后续始发奠定基础。

**4 TBM launching technology for the small-radius curved section**
- **4.1 Optimization of the launching-tunnel section**: 将始发洞段断面优化为宽5.2 m、高6.575 m，减少了不必要的开挖和衬砌量，节省投资。
- **4.2 Construction of the launching guide bench**: 通过设置预偏角0.69°的曲线导向台，使TBM在进入500 m半径曲线段前即建立转弯趋势，降低了盾体与洞壁干涉风险。
- **4.3 Installation of the reaction frame**: 反力架按预偏方向布置，并与衬砌钢筋焊接形成整体承载结构，确保了始发推力的正确传递。
- **4.4 Segment installation and launching in the excavation section**: 首环管片进行全过程测量，确保精度；始发中采用“低推力、短行程、勤测量、微纠偏”原则，通过内外侧油缸参数差异控制转弯，使TBM逐步贴合设计曲线。
- **4.5 Application effect of the TBM in the trial-excavation section in sandy slate strata**
- **Tunnelling performance**: 在III类和IV类围岩段，实测平均刀盘转速、总推力、扭矩及推进速度均显著低于设备设计限值，表明双护盾TBM对砂质板岩地层适应性良好。岩石破碎比能（SE）在III类和IV类围岩中分别为24.4 MJ/m³和29.77 MJ/m³，处于合理范围。月均利用率为25.64%，稳定后月进尺达444 m，最大日进尺23.39 m。
- **2. Construction effect**: 1至3月试掘进阶段，月进尺和利用率呈“先降后升”趋势，3月达到最高水平（月进尺约444 m，利用率约33%），表明始发和调试完成后，施工效率持续提升。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究人员指出，所提出的始发方法虽成功控制了TBM在500 m极限半径曲线下的姿态，但当前实施仍主要依赖操作人员经验和频繁测量。随着大数据和机器学习等信息技术的发展，未来可开发基于机器学习的智能掘进控制系统，实现掘进参数同步优化和姿态实时调整，以降低人为经验的不确定性和时间滞后。

**结论部分翻译**：基于湖南省梅山灌区工程引水隧洞，本研究针对受限洞口组装场地和位于机器极限最小转弯半径的始发段，研究了双护盾TBM在受限场地内的分体组装及小半径曲线段始发技术。主要结论如下：
（1）提出了受限洞口条件下双护盾TBM的“洞外组装、分体步进、整体始发”施工组织模式。针对40 m × 40 m受限洞口场地和约200 m总长的双护盾TBM，采用了场地功能分区、场地硬化、主机分步吊装、连接桥和后配套台车步进组装、皮带输送机分段安装等措施，解决了TBM无法在有限场地内整体组装的问题。工程应用结果表明，该方法可有效提高受限场地空间利用率，确保主机、连接桥、后配套台车及出渣系统的有序安装和顺利连接，可为类似山区水工隧洞项目双护盾TBM在受限空间内的组装提供参考。
（2）提出了极限小半径曲线段TBM始发姿态控制技术。针对500 m半径曲线段始发条件，采取了始发洞段优化、曲线导向台预偏、反力架定向布置、首环管片精准控制以及“低推力、短行程、勤测量、微纠偏”的始发控制原则。现场试掘进结果表明，TBM在砂质板岩地层始发和掘进过程中姿态总体可控，未出现明显盾体卡阻或皮带跑偏。III类和IV类围岩段掘进参数均低于设备设计限值，设备运行稳定。3月份月进尺增至约444 m，最大日进尺达23.39 m。这些成果可为类似极限小半径曲线始发项目提供工程指导。