城市地铁双护盾TBM隧道

城市地铁双护盾TBM隧道

杨振武1刘则启2赵子桥3

辽宁省第三地质大队有限责任公司辽宁朝阳122000

摘要：结合城市地铁隧道工程的地质条件和工程特点，对双护盾TBM设计特点进行分析，提出双护盾TBM应用于城市地铁时需要考虑和解决的关键问题，如刀盘破岩能力、小曲线掘进、回填灌浆工艺以及断层破碎带防卡机和脱困功能等，以提高双护盾TBM的适应性、隧道衬砌质量及成洞效率。研究双护盾TBM高效破岩、过断层破碎带、小曲线转弯和回填灌浆等针对性设计和优化改进措施，包括刀盘厚板设计、盾体直径阶梯递减设计、单轨梁吊机设计、管片壁后豆砾石回填+水泥浆液灌注等。通过深圳地铁的实际工程应用证明双护盾TBM具有良好的地质适应性和高效的机械化施工优势。

关键词：地铁隧道；双护盾；TBM

引言

自比利时工程师亨利在1846年发明了世界第一台TBM——片山机以来，在其后约100年的时间中，全球先后设计生产了大约30台TBM。但早期TBM的发展受制于技术力量的限制，TBM施工的优越性不敌钻爆法施工，导致TBM施工技术长期停滞不前，但随着Robbins公司在1956年研制出了一种适应于硬岩地层的高效破岩盘形滚刀，实现了TBM在的硬岩地层中的掘进，TBM技术得到了迅速的发展，涌现多种机型，在敞开式TBM、单护盾TBM和双护盾TBM等各类机型中，双护盾TBM理论上掘进速度是单护盾TBM的2倍，是敞开式TBM的1.5倍。双护盾TBM以其快速高效安全的施工优势正在被越来越多城市地铁施工中被积极尝试，双护盾TBM首次在我国青岛地铁施工中应用，目前应用范围最广的城市是在深圳。积极总结双护盾TBM城市地铁施工中的经验和难题，对推广双护盾TBM城市地铁施工具有重要的意义。基于此背景，结合深圳轨道交通8号线梧桐山站-沙头角站双护盾TBM施工区间在断层破碎段、矿山法空推段、极硬岩段的施工问题进行探索。研究了不同地质区间段相应的施工技术和优化改进措施，提升了整个工程施工效率，为双护盾TBM的设计和应用提供参考和指导。

1城市地铁双护盾TBM的特点及要求

双护盾TBM具有2种掘进模式（双护盾模式和单护盾模式）。当采取双护盾模式开挖时，TBM推力通过支撑盾内布置的撑靴传递至洞壁，无需通过辅推油缸传递至管片，在极硬岩环境下需要大推力时优势明显；TBM掘进与管片拼装可以同时进行，平行作业，成洞效率高。而在软弱、破碎地层掘进时，由于围岩提供的支撑力有限，采用单护盾模式开挖，利用管片环提供掘进推力。因此，针对硬岩地层占比较高的地铁隧道区间，双护盾TBM以其硬岩地层的高效性和软岩地层的可靠性，得到越来越多的应用。另外，由于地铁隧道自身的特殊性，要求对双护盾TBM进行科学的选型以适应城市地铁工程的要求。1）结合国内各大城市地质条件的不同，双护盾TBM多应用在东部或东南部沿海城市，例如：深圳地铁项目，穿越地层以中、微风化花岗岩为主，岩石单轴抗压强度普遍较高，多在80～180MPa，同时多为高石英含量，要求TBM在硬岩环境下具备高效的破岩能力。2）城市地铁站间距普遍在500～3000m，连续开挖距离较短，TBM常常会遇到过站、转场等工序；同时，受场地空间所限，TBM始发多采用竖井分体始发。因此，TBM主机、单件和整机长度应尽量缩短，各部件的结构尺寸需方便洞内拆卸、运输、吊运和组装，以满足竖井内部组装，缩短整机组装时间。3）城市地铁线路受建筑物、既有城市布局等客观条件限制，需要设计合适的曲率，与引水隧道普遍的直线线路或者大曲率半径不同，其曲线转弯半径一般较小，多在250～400m，要求对双护盾TBM主机长度与直径的比值（简称长径比）、盾体与岩壁间隙、管片吊机轨道等参数进行特殊设计，满足整机小曲线转弯的性能要求。4）根据GB50157—2013《地铁设计规范》、GB50446—2008《盾构法隧道施工及验收规范》以及GB50490—2009《城市轨道交通技术规范》要求，地铁主体结构工程设计使用年限应为100年，对管片拼装质量有严格要求，需要严格控制衬砌环错台和管片破损程度，且一般要求TBM能够满足全部拼装点位，同时对管片壁后注浆工艺及管片的稳固性需要特别考虑。双护盾TBM不同于压力平衡盾构，其为敞开模式掘进，管片壁后回填采用豆砾石砂浆而不是采用同步注浆的形式，注浆工艺和注浆质量将直接影响管片的衬砌质量。

2工程问题及对策

2.1空推步进段

梧桐山站-沙头角站区间隧道在双护盾TBM正式掘进过程中，要通过矿山法施工的空推段，空推断施工是整个隧道施工的起始段，该始发区段位于梧桐山下，山体含水丰富，因隧道内水流较大，造成导台混凝土强度降低导台施工质量不合格。此外由于TBM导洞是使用矿山法提前开挖完成，在矿山法中爆破、喷锚等过程未严格控制好导洞弧线曲面尺寸，存在欠挖、超挖等现象，TBM在空推段掘进到第8环位置时出现撑靴与撑靴壁无法正常接触现象，从而影响整个施工掘进效率。针对空推步进受阻问题，采取以下措施（1）在混凝土导台制作前，必须对矿山法隧道进行防水堵漏，避免因隧道内水流较大，造成导台混凝土强度降低导台施工质量不合格，从而影响整个施工进度。（2）针对撑靴与撑靴壁无接触无法步进问题，施作导台撑靴壁提供反力进行掘进，如图1所示。打开伸缩内盾窗口位置进行豆砾石填充，通过填充豆砾石、顶撑循环控制，直至撑靴油缸压力达设计值，通过步进受阻位置。导台施工精度关系到TBM隧道偏差，应严格按照图纸所给尺寸进行施工，避免导台尺寸误差，导台钢轨单位质量不得小于38kg/m，以免TBM空推中钢轨变形、折断造成TBM栽头。此外由于矿山法施工相对较慢，矿山法隧道施工效率低下，尽可能缩短矿山法隧道长度。

图1导台撑靴壁现场

2.2穿越断层破碎带

（1）超前地质预处理

注浆首先需要确定注浆范围，通过有限元分析建立双护盾TBM穿越断层破碎带数值分析模型初步确定断层注浆加固范围，模型如图4所示，提取掘进断层影响参数如图5和图6所示。发现隧道上方围岩竖向位移变化较大，下方围岩变化相对较小，断层对隧道上方围岩影响范围13m以内，约为隧道上方2.1倍洞径范围。断层对隧道下方围岩影响范围14m以内，约为隧道下方2.2倍洞径范围以内，断层区域围岩7m以内影响更大，因此初步确定超前注浆影响范围最低在围岩7m范围以内。

（2）掘进参数选择

依据隧道围岩分级判断，当围岩开挖后拱部无支护时，可以产生较大坍塌，侧壁易失去稳定的特性，且岩石的结构和完整性较差，整体呈现碎石状压碎结构，节理很发育，层状软弱面已经基本被破坏，结合出渣渣样分析，隧道断层区域围岩强度处于V级和IV级之间，提取双护盾TBM的设备掘进参数，找出设备的关键参数的分布规律。

结语

通过科学的选型和合理的针对性设计，在城市地铁以硬岩为主的隧道施工中，采用双护盾TBM是合适的，能够满足高效破岩、小曲线转弯、顺利通过断层破碎带和保证管片拼装质量的要求，同时配合洞内翻渣等措施能够发挥掘进效率高的优点，大幅缩短隧道的建设周期。

参考文献：

[1]唐志强．双护盾TBM在城市轨道交通中应用的关键技术[J]．铁道标准设计，2016，60（11）：81．

[2]陈援．TBM选型及施工关键技术研究[D]．石家庄：石家庄铁道大学，2014．