青島地鐵隧道雙護盾TBM適應(yīng)性設(shè)計及應(yīng)用

郭 志， 王小強， 王以棟， 劉麗歡， 曲秋芬

0 引言

目前，地鐵隧道施工以盾構(gòu)法開挖為主，且技術(shù)越來越成熟。隨著地鐵修建范圍越來越廣，隧道施工的地質(zhì)類型也從以泥土為主的軟巖地層擴展到復(fù)合地層，又發(fā)展到巖石地層。地鐵隧道施工設(shè)備也從土壓平衡式盾構(gòu)、泥水平衡式盾構(gòu)發(fā)展到復(fù)合式盾構(gòu)、復(fù)合式TBM，近年來又開始應(yīng)用敞開式、單護盾及雙護盾TBM[1-3]。

雙護盾TBM應(yīng)用于長大隧道尤其是水利隧道的施工技術(shù)已經(jīng)相當成熟，國內(nèi)從早期的引大入秦工程、萬家寨引黃入晉工程[4]開始，到后來的八十一大阪隧洞項目、引大濟湟達阪隧洞項目等，直至近期的山西中部引黃工程、蘭州水源地建設(shè)工程[5]等均采用了雙護盾TBM施工并取得了不錯業(yè)績；國外最近采用雙護盾 TBM施工的CCS水電站項目在厄瓜多爾也獲得了成功。但是，目前將雙護盾TBM應(yīng)用于巖石地質(zhì)城市隧道施工的案例較少。

青島地鐵隧道具有埋深淺、以花崗巖為主、多復(fù)合地層的特征，且沿線地表既有建筑物分布密集，施工安全性要求高。為解決傳統(tǒng)的礦山法施工爆破擾民問題嚴重并實現(xiàn)快速、安全的隧道施工，青島地鐵2號線采用雙護盾TBM工法。這是國內(nèi)首次將雙護盾TBM應(yīng)用于城市地鐵隧道施工，其工況不同于以往長大隧道施工，存在始發(fā)場地較小、區(qū)間短、頻繁過站、下穿建筑等客觀條件的限制。本文結(jié)合青島地鐵隧道地質(zhì)條件，對雙護盾TBM進行適應(yīng)性設(shè)計，通過對雙護盾TBM掘進參數(shù)、襯砌變形、地表沉降等應(yīng)用效果的分析，驗證雙護盾TBM選型的正確性和對青島地質(zhì)的適應(yīng)性。

1 工程概況

青島地鐵2號線1期工程起自泰山路站、止于李村公園站，線路全長25.2 km，共設(shè)車站22座，均為地下站。2號線是青島市建設(shè)的第2條地鐵線路，也是連接青島東部、西部及北部的一條骨干線路。

該工程地鐵線路埋深淺，約80%線路埋深小于20 m；小半徑曲線多，最小曲線半徑為320 m；站間距短，區(qū)間長度為1 km左右。巖性以花崗巖為主，約占90%以上；圍巖以較完整、較破碎為主，約占65%；斷面下伏基巖為微風化花崗巖，單軸抗壓強度均值為85 MPa；上覆圍巖為中—強風化花崗巖，單軸抗壓強度為25～60 MPa。地下水以裂隙水為主，不發(fā)育，干燥或偶有滲水比例約占97%。斷層破碎帶規(guī)模小，分布隨機。沿線地表既有建筑物分布密集，施工安全性要求高[6]。

結(jié)合青島地鐵2號線線路、地質(zhì)及環(huán)境特征，通過對礦山法、敞開式TBM、護盾式TBM等多種工法在地質(zhì)適應(yīng)性、施工安全性、施工靈活性以及對環(huán)境友好性等方面進行系統(tǒng)比較分析，最終選用雙護盾TBM施工工法。

2 設(shè)備綜述

應(yīng)用于青島地鐵的雙護盾TBM開挖直徑為6.3 m，主機長度為12 m，整機長度為135 m，總質(zhì)量約850 t。該雙護盾TBM由主機、連接橋和后配套3大部分組成。主機主要由刀盤、前盾、主驅(qū)動、伸縮盾、支撐盾、尾盾和推進系統(tǒng)等組成，后配套由10節(jié)軌行式門架結(jié)構(gòu)的臺車組成，在后配套臺車上布置有電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、豆礫石回填系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和除塵通風設(shè)備等。本工程雙護盾TBM具有雙護盾掘進模式、單護盾掘進模式以及通過適當改造可實現(xiàn)雙護盾掘進模式+新奧法支護模式，以滿足青島地鐵隧道施工特殊地段的錨噴支護要求。錨噴支護設(shè)備后因施工設(shè)計變更未能安裝實施，但同類型設(shè)備(無管片)在埃塞俄比亞GD-3項目已成功應(yīng)用，見圖1。

(a)

(b)

本工程雙護盾TBM主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 雙護盾TBM主要技術(shù)參數(shù)

3 雙護盾TBM的適應(yīng)性設(shè)計

雙護盾TBM應(yīng)用于城市地鐵隧道施工相較于傳統(tǒng)的長大隧道施工存在諸多特殊性。應(yīng)用于地鐵隧道施工的雙護盾TBM需進行適應(yīng)性設(shè)計，以滿足特殊施工工況的需求。

3.1 主機適應(yīng)性設(shè)計

本工程雙護盾TBM的刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)設(shè)計，為確保刀盤具有足夠的強度和剛度，其前面板采用300 mm厚的鋼板制作而成，且直接在鋼板上鏤空并焊接刀座，避免采用過多焊接引起的熱變形。護盾直徑整體呈前大后小的階梯型圓柱設(shè)計，加之適當?shù)墓β省⑥D(zhuǎn)矩、推力及擴挖等設(shè)計，以應(yīng)對斷層破碎帶、塌方掉塊等不良地質(zhì)工況，充分發(fā)揮設(shè)備的性能。主推油缸采用V型布置，既可以為設(shè)備掘進提供推力，又可以實現(xiàn)防滾動功能，防止盾體滾動并能在滾動發(fā)生后通過調(diào)節(jié)奇數(shù)缸和偶數(shù)缸的伸縮長度實現(xiàn)調(diào)滾動。采用V型布置的主推缸還能夠節(jié)約主機內(nèi)部空間，為主機內(nèi)部維護保養(yǎng)及清碴工作提供便利。拼裝機預(yù)留錨桿鉆機及超前鉆機安裝接口，連接橋預(yù)留噴混機械手安裝接口，采用“撐靴+錨噴”的支護模式時可安裝相應(yīng)錨噴設(shè)備實現(xiàn)錨噴支護。

雙護盾TBM主機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—刀盤； 2—前盾； 3—穩(wěn)定器； 4—刀盤驅(qū)動； 5—伸縮盾； 6—支撐盾； 7—撐靴； 8—撐靴油缸； 9—尾盾； 10—管片拼裝機； 11—主機皮帶機； 12—主/輔助推進系統(tǒng)； 13—輔助支撐。

圖2雙護盾TBM主機結(jié)構(gòu)

Fig. 2 Main structure of double-shield TBM

3.2 模塊化設(shè)計

為滿足地鐵隧道施工豎井組裝始發(fā)及洞內(nèi)拆機工況需求，針對青島地鐵隧道施工設(shè)計的雙護盾TBM采用了模塊化設(shè)計理念。針對刀盤、盾體等大型結(jié)構(gòu)件采用了分塊設(shè)計理念，刀盤采用4邊塊加1中心塊設(shè)計，盾體分3塊設(shè)計，同時外伸縮盾與前盾之間、尾盾與支撐盾之間通過環(huán)形法蘭由螺栓連接、再通過環(huán)形焊縫加固，各分塊現(xiàn)場組裝后焊接縱向焊縫為一體。通過模塊化設(shè)計，既可以滿足在場地及起吊能力受限的情況下進行大件組裝，又可以在場地及起吊能力具備條件的情況下模塊化下井組裝。TBM模塊化下井組裝及分塊下井組裝如圖3所示。一般情況下，組裝豎井只需預(yù)留15 m×8 m的豎向凈空即可滿足后配套臺車的模塊化下井以及主機在井口凈空內(nèi)的模塊化組裝。

采用模塊化理念設(shè)計的雙護盾TBM還為洞內(nèi)拆機提供了便利性和可實施性。地鐵隧道一般埋深較淺，青島地鐵2號線隧道拱頂覆土厚3.5～48 m，平均厚約13 m[7]。在埋深較淺的隧道內(nèi)實現(xiàn)洞內(nèi)拆機，拆機擴大洞室開挖以及大件起吊拆卸是一大難題。采用模塊化設(shè)計的雙護盾TBM可實現(xiàn)臺車沿原道返回始發(fā)井吊出，主機洞內(nèi)拆解后分塊起吊并沿原道返回始發(fā)井吊出，充分滿足特殊拆機工況的需求。雙護盾TBM洞內(nèi)拆機將在青島地鐵1號線海泊橋—青島站標段實施,為城市地鐵隧道施工洞內(nèi)拆機積累經(jīng)驗。

(a) 模塊化組裝

(b) 分塊組裝

3.3 穩(wěn)定器+輔助支撐設(shè)計

雙護盾TBM隧道掘進和管片拼裝同步進行，掘進完成后支撐盾和后配套設(shè)備需通過換步動作實現(xiàn)掘進狀態(tài)初始化，進而開始下一循環(huán)掘進作業(yè)。通常雙護盾TBM的換步動作是通過輔推油缸頂推管片伸出、主推油缸回縮來實現(xiàn)，但是青島地鐵隧道因地質(zhì)和隧道設(shè)計的特殊性存在只開挖隧道、不拼裝管片的區(qū)段。如2號線泰山路—利津路區(qū)間左線ZSK24+875.733～+950.5里程段和右線YSK24+846.783～+912.5里程段，為后續(xù)繼續(xù)施工做渡線，需進行大斷面擴挖，因而該區(qū)段只掘進，不拼裝管片，見圖4。這就使得換步動作無法借助輔推缸頂推管片來實現(xiàn)，雙護盾TBM需要進行適應(yīng)性設(shè)計以滿足該工況下設(shè)備換步作業(yè)的需求。

針對上述特殊工況，青島地鐵隧道施工的TBM在前盾設(shè)計安裝了穩(wěn)定器和輔助支撐，如圖5所示。穩(wěn)定器作為雙護盾TBM的常規(guī)設(shè)計,具有掘進過程中減振和換步過程中穩(wěn)固前盾的作用。但在不拼裝管片的工況下，換步動作只能通過主推油缸拉動來實現(xiàn)，因穩(wěn)定器不足以提供足夠的防止前盾被拉回的力，所以TBM換步時很容易出現(xiàn)前盾及刀盤被拉回的情況。為避免這種情況發(fā)生，在換步動作前穩(wěn)定器和輔助支撐同時撐出配合作業(yè)，可實現(xiàn)將前盾類似“錨固”在隧道壁上，進而通過主推油缸拉動實現(xiàn)支撐盾及后配套的換步動作。該設(shè)計理念最早由意大利塞利公司提出,最近應(yīng)用于埃塞俄比亞GD-3項目的DSU-C多功能全斷面巖石掘進機上[8-9]，完成了10 km以上的隧道掘進。

(a)

(b)

1—穩(wěn)定器； 2—輔助支撐。

圖5穩(wěn)定器及輔助支撐

Fig. 5 Stabilizers and auxiliary grippers

輔助支撐結(jié)構(gòu)如圖6所示，其不同于類似穩(wěn)定器的油缸直接頂推方式，而是采用連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計。輔助支撐撐靴類似于一個凸輪，在油缸的作用下圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)可使撐靴面探出伸縮盾體外，配合穩(wěn)定器撐緊隧道壁，同時輔助支撐撐靴本身也起到阻擋限位作用，配合穩(wěn)定器可有效避免不拼裝管片換步時前盾被拉回現(xiàn)象。輔助支撐在結(jié)構(gòu)原理和功能上不同于雙護盾TBM前盾下部液壓支撐裝置[10]，在青島地鐵2號線泰山路—利津路約70 m區(qū)間段也得到了有效驗證，應(yīng)用效果十分理想。

(a) 非工作狀態(tài) (b) 工作狀態(tài)

圖6輔助支撐結(jié)構(gòu)

Fig. 6 Structure of auxiliary gripper

3.4 管片吊運系統(tǒng)設(shè)計

城市地鐵隧道施工相較于以往雙護盾TBM隧道施工的特點是區(qū)間短，過站頻繁。青島地鐵隧道施工過站方式為整機空推過站。TBM空推時采用TBM底部2根輔助推進缸，通過設(shè)備自帶的液壓泵站提供動力，并利用安裝在弧形導臺預(yù)埋P43鋼軌上的專用反力裝置和4塊標準塊B1循環(huán)來實現(xiàn)快速過站,如圖7所示。

(a) 管片吊運系統(tǒng)

(b) 整機空推過站示意

Fig. 7 Segment hanging system and double-shield TBM crossing metro station without thrusting force

為滿足整機空推過站的需求，管片吊運系統(tǒng)在設(shè)計上采用了管片吊機+管片拼裝機的吊運方案，取消喂片機等中間環(huán)節(jié)，管片吊機可直接將管片喂送到拼裝機抓取區(qū)域，既節(jié)約了管片吊運時間又節(jié)約了空間，為牛腿及B1管片的安裝提供了便利，同時有利于空推步進過站的快速實施。整機空推過站方式綜合考慮了TBM自身優(yōu)勢和導臺反力機構(gòu)便捷優(yōu)勢，循環(huán)工藝簡單、易懂、易操作，適合大面積推廣。

3.5 梭式皮帶機設(shè)計

經(jīng)調(diào)研，地鐵隧道施工不論采用盾構(gòu)還是TBM施工，棄碴多數(shù)采用有軌運輸方式運抵井口，再利用門式起重機垂直提升至地面[11]。對于有軌運輸作為出碴方式的隧道施工，通常后配套皮帶機的卸碴點固定，列車在裝滿1節(jié)礦車后移動相應(yīng)距離(可以采用機車拉動，也可以采用撥車機撥動)，連續(xù)緩慢移動列車編組，每次移動1節(jié)礦車長度，為第2節(jié)礦車卸碴[12]。這種型式的特點是： 卸碴點固定，管片車需摘鉤與礦車斷開連接，列車編組移動布碴，卸碴完畢后列車編組反向移動并重新連接管片車，最終列車編組運輸出洞。在城市地鐵隧道施工中，這種型式工序繁瑣、人員投入多且機車不停機會造成廢氣對隧道的污染。

青島地鐵隧道施工的雙護盾TBM后配套出碴配置了梭式皮帶機，又稱移動式布料皮帶機。列車編組在管片運輸?shù)轿缓蠹炔挥谜^將管片運輸車和礦車斷開，也不用移動礦車，碴料卸至礦車通過梭式皮帶機的來回移動和正反向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，簡化了工序步驟，提高了工作效率。梭式皮帶機卸料方案如圖8所示。

圖8梭式皮帶機卸料方案

Fig. 8 Discharge scheme of shuttle conveyor

3.6 導向系統(tǒng)

青島地鐵隧道施工的雙護盾TBM配置了VMT最新的TUnIS激光導向系統(tǒng)。該導向系統(tǒng)的基本構(gòu)造及原理是： 應(yīng)用2個激光靶，一個安裝在前盾上，一個安裝在支撐盾上；首先測量得到支撐盾的姿態(tài)，然后通過支撐盾的姿態(tài)、支撐盾和前盾的位置關(guān)系及其他輔助傳感器得到的數(shù)據(jù)，實時計算出前盾的姿態(tài)，進而得到整個雙護盾TBM的整體實時姿態(tài)，實現(xiàn)不需要前盾與支撐盾通視，即可實時測量姿態(tài)的要求。同時，該導向系統(tǒng)配備全站儀抗振支架，優(yōu)化了導向系統(tǒng)算法，可有效消除管片強烈振動對全站儀測站影響，進而保證軟件數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，使導向系統(tǒng)顯示的前盾和支撐盾姿態(tài)及時、精確、持續(xù)、穩(wěn)定。

該導向系統(tǒng)在青島地鐵2號線應(yīng)用以來，有效避免了前期出現(xiàn)的數(shù)據(jù)缺失、跳變等現(xiàn)象。同時，由于其特殊的TBM姿態(tài)數(shù)據(jù)計算方法不受前盾與支撐盾通視影響，因此小曲線半徑掘進時有效降低了全站儀的移站頻率。

4 實踐效果

應(yīng)用于青島地鐵的4臺雙護盾TBM自2015年3月底至7月初陸續(xù)始發(fā)以來，累計完成了約12 km的隧道掘進，分別于2016年8月和12月實現(xiàn)貫通，最高日進尺22.5延米，最高月進尺381延米。TBM掘進經(jīng)歷了穿越斷層破碎帶、下穿城區(qū)建筑物、超近距離下穿人防洞室、轉(zhuǎn)場始發(fā)、320 m小轉(zhuǎn)彎半徑掘進、曲線空推過站等特殊工況，正常掘進期間設(shè)備完好率達到90%，為雙護盾TBM應(yīng)用于城市地鐵隧道施工積累了經(jīng)驗。

青島地鐵雙護盾TBM施工隧道范圍內(nèi)地層巖性主要為不同風化等級的花崗巖，并存在斷層破碎帶等不良地質(zhì)，掘進過程中遇到的巖石最高單軸抗壓強度為202 MPa，石英含量較高，可掘性較差。不同圍巖下雙護盾TBM掘進參數(shù)統(tǒng)計見表2。

表2 不同圍巖下雙護盾TBM掘進參數(shù)

青島地鐵2號線4臺雙護盾TBM施工月進度統(tǒng)計見圖9，其中有些月份進尺偏低主要是經(jīng)歷始發(fā)、過站或轉(zhuǎn)場等工況。依據(jù)設(shè)計文件，青島地鐵TBM施工月進尺需達到320延米，實際正常月進尺為300延米，達到設(shè)計目標的94%，單月最高掘進381延米，達到設(shè)計目標的119%，作為雙護盾TBM在國內(nèi)城市地鐵的首次應(yīng)用，其適用性得到了肯定。而青島地鐵3號線采用傳統(tǒng)鉆爆法施工，受城市夜間施工禁止爆破擾民等因素限制，暗挖花崗巖區(qū)間隧道月開挖進尺最高為60 m左右，雙護盾TBM開挖速度約為傳統(tǒng)鉆爆法的5倍。此外，作為對比，青島地鐵2號線浮燕區(qū)間(浮山所至燕兒島路區(qū)間)采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)(EPB)進行試驗段施工，單月最高掘進235延米，單日最高掘進15延米，掘進效率也不及雙護盾TBM[13]。

(a) TBM1和TBM2

(b) TBM3和TBM4

雙護盾TBM施工對圍巖擾動較礦山法施工小，有利于控制結(jié)構(gòu)變形。通過對施工區(qū)間襯砌變形和地表沉降的測量統(tǒng)計(見圖10)，可知雙護盾TBM施工時，隧道結(jié)構(gòu)變形和地表沉降均處于較低的水平，多在10 mm以內(nèi)，圍巖穩(wěn)定性好，對周邊環(huán)境影響小。

(a) 拱頂下沉

(b) 地表沉降

Fig. 10 Distribution of lining deformation and ground surface settlement[14]

由掘進速度、襯砌變形和地表沉降可以看出，青島地鐵采用雙護盾TBM施工取得了較好的效果，其施工速度快，對環(huán)境影響小，且對軟弱破碎圍巖具有一定的適應(yīng)性，比較適合于城市軌道交通巖質(zhì)隧道施工。

5 結(jié)論與討論

雙護盾TBM在青島地鐵隧道施工的成功應(yīng)用，不僅驗證了雙護盾TBM選型的正確性以及應(yīng)用于城市地鐵隧道施工的適應(yīng)性，而且豐富了城市地鐵隧道施工的方式，為其他類似地質(zhì)及工況的隧道施工提供了經(jīng)驗和借鑒依據(jù)。如深圳地鐵在對青島地鐵深入考察的基礎(chǔ)上，借鑒青島地鐵施工經(jīng)驗，目前已采用6臺雙護盾TBM分別應(yīng)用于6、8、10號線進行地鐵隧道施工。此外，青島地鐵1號線仍將采用8臺雙護盾TBM完成約30 km隧道的施工，目前部分設(shè)備已陸續(xù)進場開始掘進，青島地鐵4、6、8號線部分區(qū)間也將繼續(xù)采用雙護盾TBM進行隧道施工。

雙護盾TBM無需初期支護且掘進和管片拼裝作業(yè)同步進行，因而在適宜的地質(zhì)條件下，是所有TBM 機型中綜合成洞速度最快的。但是應(yīng)用于青島地鐵隧道施工的雙護盾TBM并未能發(fā)揮出其應(yīng)有的效率，這主要受城市出碴條件的限制。據(jù)統(tǒng)計，應(yīng)用于青島地鐵2號線的雙護盾TBM的施工效率最高只有50%[15]，因此探索高效的出碴方式可以更好地發(fā)揮雙護盾TBM的優(yōu)勢從而為城市地鐵隧道施工服務(wù)。此外，由于城市建筑密集，有些地鐵線路區(qū)段無法實施地質(zhì)勘探，使得TBM掘進過程中存在地質(zhì)不明段，施工過程中可能遇到不可預(yù)知的風險。因此，開發(fā)有效的、適用于城市地鐵隧道施工的超前地質(zhì)預(yù)報及超前地質(zhì)處理系統(tǒng)，也是雙護盾TBM應(yīng)用于城市地鐵隧道施工迫切需要解決的問題。

隨著雙護盾TBM在青島地鐵隧道施工的進一步應(yīng)用，各種新的工況及問題會不斷涌現(xiàn)，需進一步優(yōu)化雙護盾TBM的設(shè)計，以應(yīng)對各種新工況的出現(xiàn)。如： 受始發(fā)場地空間限制，雙護盾TBM無法完整始發(fā)掘進，需進一步優(yōu)化設(shè)備的后配套布置，研究在有限場地內(nèi)雙護盾TBM最經(jīng)濟的分體始發(fā)技術(shù)；雙護盾TBM掘進過程中發(fā)熱量較大，城市地鐵隧道施工供水條件有時無法滿足設(shè)備要求，需進一步優(yōu)化雙護盾TBM的水系統(tǒng)設(shè)計，避免在供水條件不滿足設(shè)備要求的情況下影響施工。

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