城市軌道交通全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的機(jī)型分析比選

黃銀釘

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安∥工程師）

以巖石地層為主的城市軌道交通地下工程普遍采用鉆爆法施工。鉆爆法施工的技術(shù)成熟，靈活方便，投資較低。但是，鉆爆法施工將產(chǎn)生粉塵、廢氣、噪聲及爆破震動(dòng)等諸多環(huán)境污染問題。隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視和人民對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的提高，這些環(huán)境問題也日益突出。從保護(hù)城市良好的生活環(huán)境出發(fā)，同時(shí)為提高城市軌道交通工程的施工技術(shù)水平，有必要研究采用安全、環(huán)保、文明、高效的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（Full face Rock Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）工法。由于TBM存在一次性投資大、須提前制造、機(jī)型一經(jīng)確定后很難更改等特點(diǎn)，故對(duì)機(jī)型的分析比選工作就顯得尤為重要。

1 TBM介紹及分類

自美國羅賓斯（ROBBINS）公司1952年生產(chǎn)了第一臺(tái)能實(shí)用的掘進(jìn)機(jī)以來，至今已有50多年的發(fā)展史，在技術(shù)上已經(jīng)很成熟。TBM是用于地下工程全斷面開挖的機(jī)械化施工設(shè)備，是集掘進(jìn)、出碴、支護(hù)和通風(fēng)防塵等多功能為一體的大型高效隧道施工機(jī)械。TBM的簡要分類見圖1所示。

圖1 TBM分類圖

敞開式掘進(jìn)機(jī)（見圖2）是能利用自身支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進(jìn)的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，在較完整且有一定自穩(wěn)性的圍巖中施工時(shí)，能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。在掘進(jìn)機(jī)主機(jī)上，可根據(jù)巖性不同選擇配置臨時(shí)支護(hù)設(shè)備如圈梁安裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)、鋼筋網(wǎng)安裝機(jī)、超前鉆、管棚鉆機(jī)等；如遇有局部破碎帶等地層時(shí)，可通過掘進(jìn)機(jī)附帶的超前鉆及注漿設(shè)備提前進(jìn)行注漿加固后再掘進(jìn)通過。

護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)是在主機(jī)外圍設(shè)置一個(gè)與機(jī)器直徑相一致的圓筒形保護(hù)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)于掘進(jìn)破碎或復(fù)雜巖層的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)中，由于三護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用很少，本文不進(jìn)行介紹?，F(xiàn)僅對(duì)護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)中的單護(hù)盾和雙護(hù)盾作一介紹。

圖2 敞開式掘進(jìn)機(jī)

1）單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)（見圖3）的護(hù)盾構(gòu)成與一般盾構(gòu)機(jī)類似，主要適應(yīng)于巖石比較破碎、圍巖的抗壓強(qiáng)度低、巖石僅僅能自穩(wěn)而不能為TBM的掘進(jìn)提供反力的地層。它由盾尾推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上或鋼圈梁上，以推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn)。為避免在隧道覆蓋層較厚或圍巖收縮擠壓作用較大時(shí)護(hù)盾被擠住，護(hù)盾沿隧洞軸線方向的長度應(yīng)盡可能短，這樣可使機(jī)器的方向調(diào)整更為容易。

圖3 單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)

2）雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)（見圖4）的一般結(jié)構(gòu)主要由裝有刀盤及刀盤驅(qū)動(dòng)裝置的前護(hù)盾，裝有支撐裝置的后護(hù)盾（支撐護(hù)盾），連接前、后護(hù)盾的伸縮盾和安裝預(yù)制混凝土管片的尾盾所組成。雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)既可以適應(yīng)圍巖抗壓強(qiáng)度低的比較破碎的巖石，也能適應(yīng)巖石強(qiáng)度比較高的地層。在軟巖地層中，與單護(hù)盾工作原理一樣，由盾尾推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn)；遇到硬巖時(shí)，與敞開式掘進(jìn)機(jī)的工作原理一樣，靠支撐板撐緊洞壁，由主推進(jìn)液壓缸推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn)。

圖4 雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)

2 TBM的地質(zhì)適應(yīng)性分析

采用TBM施工首先應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)條件適應(yīng)性評(píng)估。下列6種地質(zhì)地段不適宜采用TBM法施工。

1）地應(yīng)力高、塑性變形大的軟弱圍巖；

2）具中等及以上膨脹性的圍巖；

3）寬大斷層破碎帶及軟弱破碎帶；

4）涌、突水嚴(yán)重地段；

5）巖溶發(fā)育帶；

6）高瓦斯地帶。

通過地質(zhì)適應(yīng)性評(píng)估后，根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖體的完整程度（裂隙化程度）、巖石的耐磨性和巖石鑿碎比功這4個(gè)主要地質(zhì)參數(shù)指標(biāo)來確定掘進(jìn)及工作條件的好壞。在發(fā)揮掘進(jìn)速度的前提下，掘進(jìn)及適用的主要地質(zhì)范圍如下：

1）敞開式掘進(jìn)機(jī)主要適用于巖石整體較完整或完整，有較好自穩(wěn)性的硬巖地層（單軸飽和抗壓強(qiáng)度為50～150MPa）。當(dāng)采取有效支護(hù)手段并經(jīng)論證，也可適用于軟巖隧道。

2）雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)主要適用于有一定自穩(wěn)性的較完整的軟巖直至硬巖地層（單軸飽和抗壓強(qiáng)度為30～90MPa）。

3）單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)主要適用于有一定自穩(wěn)性的軟巖（單軸飽和抗壓強(qiáng)度為5～60MPa）。

3 TBM機(jī)型的自身特點(diǎn)分析

3.1 線路適應(yīng)性分析

敞開式TBM主機(jī)長5m左右，雙護(hù)盾TBM主機(jī)長約12m，單護(hù)盾TBM主機(jī)長約8m。通過主機(jī)長度及相關(guān)工程實(shí)踐分析，各種類型掘進(jìn)機(jī)對(duì)線路的適應(yīng)性如下。

1）敞開式TBM一般情況下可以適應(yīng)400m的平面曲線半徑，困難地段可以適應(yīng)300m的平面曲線半徑。

2）單護(hù)盾TBM轉(zhuǎn)彎機(jī)理與盾構(gòu)類似，一般適應(yīng)于350m左右的平面曲線半徑，困難地段可以適應(yīng)300m的平面曲線半徑。其掘進(jìn)控制相對(duì)較好，刀盤磨損相對(duì)較小。

3）雙護(hù)盾TBM的主機(jī)為三節(jié)護(hù)盾，中間雖然采用絞接，但是轉(zhuǎn)動(dòng)角度很小，一般情況下適應(yīng)400m的平面曲線半徑，困難地段可以適應(yīng)350m的平面曲線半徑。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

敞開式TBM施工時(shí)隧道采用錨、噴、網(wǎng)初期支護(hù)，復(fù)合式襯砌，隧道二次襯砌采用模板臺(tái)車施工。TBM掘進(jìn)通過后二次襯砌不同步，初期支護(hù)將暴露較長時(shí)間，存在一定的安全隱患。因地鐵施工工期緊湊，若二次襯砌不同步，則后期留給區(qū)間施做二次襯砌的時(shí)間很短，使二次襯砌的工期壓力很大；如采用同步襯砌施工，由于地鐵區(qū)間隧道斷面較?。ㄖ睆?m左右），對(duì)正常掘進(jìn)干擾又比較大，故難以實(shí)現(xiàn)。

單護(hù)盾TBM采用管片襯砌，技術(shù)成熟，施工工藝簡單，機(jī)械化程度高，結(jié)構(gòu)耐久性好，且由于管片緊跟，故施工安全性高。

雙護(hù)盾TBM也采用同步管片襯砌。

3.3 掘進(jìn)控制的難度分析

敞開式TBM的支撐撐靴面積大，與圍巖接觸面積大，掘進(jìn)方向控制較好；單護(hù)盾TBM是通過改變盾尾左右兩側(cè)頂推油缸的伸縮長度來控制轉(zhuǎn)向，故掘進(jìn)方向控制好；雙護(hù)盾TBM采用敞開式模式利用支撐板控制方向時(shí)，由于支撐板與圍巖接觸面積較敞開式TBM撐靴小，掘進(jìn)方向不好控制，需通過其他的輔助措施，且操作復(fù)雜。

3.4 施工的靈活性分析

TBM的始發(fā)、接收、過站、調(diào)頭及轉(zhuǎn)場難度與整機(jī)的長度有關(guān)，整機(jī)越長則進(jìn)行操作的靈活性就越差。

3.5 設(shè)備造價(jià)及攤銷

根據(jù)鐵路、水利及城市軌道交通相關(guān)工程的統(tǒng)計(jì)，以6.4m左右的刀盤開挖直徑的TBM為例，敞開式TBM造價(jià)約1.8億元／臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命約30km；雙護(hù)盾TBM造價(jià)約1.2～1.5億元／臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命約20km；單護(hù)盾TBM造價(jià)約0.6～0.8億元／臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命約10～15km。

4 TBM各機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1 敞開式TBM

掘進(jìn)反力的提供單一可靠，支護(hù)形式單一，在地鐵建設(shè)工期允許的情況下，采用“先洞后站”的施工組織模式，可充分發(fā)揮長大距離連續(xù)、快速掘進(jìn)的優(yōu)勢。

存在的主要問題有：

1）整機(jī)長度接近190m，長度較長，組裝調(diào)試、始發(fā)、轉(zhuǎn)場等對(duì)場地的要求高，城市中土地資源緊張，場地征用難度較大。

2）一般地鐵工程中，車站間隔1km左右，車站早于區(qū)間施工，TBM施工過程中需頻繁停機(jī)過站，故不能發(fā)揮連續(xù)快速掘進(jìn)的優(yōu)勢。

3）設(shè)備購置費(fèi)1.8億，前期購置費(fèi)高。

4.2 單護(hù)盾TBM

掘進(jìn)反力的提供單一可靠，與一般盾構(gòu)一樣，轉(zhuǎn)彎靈活、曲線適應(yīng)性好；采用同步管片襯砌，安全性高；整機(jī)長度約100m，組裝、轉(zhuǎn)場占用場地較小，施工組織靈活。

存在的主要問題有：主要靠管片提供掘進(jìn)反力，在硬巖中掘進(jìn)時(shí)，刀盤扭矩增大，可能引起盾體扭轉(zhuǎn)、管片出現(xiàn)剪扭等問題。

4.3 雙護(hù)盾TBM

硬巖中，依靠支撐板提供掘進(jìn)反力，襯砌和掘進(jìn)可同時(shí)進(jìn)行，施工速度快；軟巖中，依靠管片提供掘進(jìn)反力，掘進(jìn)和襯砌分開進(jìn)行。兩種掘進(jìn)模式下采用同步管片襯砌，安全性高；整機(jī)長度約110m，組裝、轉(zhuǎn)場占用場地較小，施工組織靈活。

存在的主要問題有：

1）雙護(hù)盾主機(jī)長，通過小曲線半徑地段時(shí)方向控制難度大。

2）在軟弱、破碎地段，由于主機(jī)長，容易被卡住，處理難度大。

5 結(jié)語

通過地質(zhì)適應(yīng)性、TBM機(jī)型自身的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)分析，三種機(jī)型的綜合比選對(duì)照結(jié)果見表1所示。

根據(jù)綜合比選對(duì)照表，可以初步判定三種機(jī)型的適用條件，敞開式TBM適用于巖體堅(jiān)硬、完整性及自穩(wěn)性較好的地層，當(dāng)采用“先隧后站”的施工組織時(shí)，能充分發(fā)揮連續(xù)、快速掘進(jìn)的優(yōu)勢；雙護(hù)盾TBM適用于較完整、有一定自穩(wěn)性的軟巖－硬巖的地層，在開挖洞壁能給支撐板提供足夠反力的前提下，能充分發(fā)揮掘進(jìn)和襯砌同步進(jìn)行的優(yōu)勢；單護(hù)盾TBM適用于有一定自穩(wěn)性的軟巖地層，掘進(jìn)速度相對(duì)較慢，但造價(jià)低、機(jī)型通用性好。

表1 TBM機(jī)型比選對(duì)照表

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