雙護(hù)盾TBM在深圳地鐵中的應(yīng)用

石小政 馬偃輝

摘 要：TBM技術(shù)主要用于開(kāi)挖較大型隧道的工程中，它所擁有的高強(qiáng)度機(jī)械壓力可以輕而易舉的破壞巖石，因此具有速度快、效果好等優(yōu)勢(shì)。文章在介紹TBM工藝原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)闡述TBM技術(shù)在實(shí)際施工過(guò)程中的應(yīng)用情況，并對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析及提出解決對(duì)策，可為今后相關(guān)工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：雙護(hù)盾 TBM技術(shù) 地鐵工程

1.應(yīng)用情況簡(jiǎn)介

目前雙護(hù)盾TBM在深圳地區(qū)已經(jīng)有5個(gè)工區(qū)得到成功應(yīng)用。面對(duì)不同的工程地質(zhì)特點(diǎn)，這些雙護(hù)盾TBM在深圳地區(qū)的應(yīng)用各具特色，大致可概括為“深圳首臺(tái)+極硬巖+小曲線+分體始發(fā)+快速掘進(jìn)”，目前在城市地鐵雙護(hù)盾TBM施工中，深圳已經(jīng)引領(lǐng)行業(yè)潮流。

（1）深圳軌道交通10號(hào)線“孖嶺站～雅寶站區(qū)間”是中鐵隧道局在深圳首臺(tái)應(yīng)用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工，起于梅林東站終點(diǎn)，沿彩田路下方敷設(shè)，途經(jīng)藝豐花園、彩田加油站、富國(guó)工業(yè)區(qū)，下穿梅觀高速進(jìn)入雞公山，沿直線向北穿越雞公山，于南坪檢查站處出山體，止于創(chuàng)新園站。此項(xiàng)目是雙護(hù)盾TBM在深圳地區(qū)的首次應(yīng)用。

（2）深圳軌道交通6號(hào)線“羊臺(tái)山隧道”存在少量極硬巖，由中鐵建大橋局進(jìn)行施工，隧道全長(zhǎng)3293.35m。羊臺(tái)山隧道部分巖性為致密微風(fēng)化花崗巖，其平均天然飽和單軸抗壓強(qiáng)度為180MPa，最大達(dá)到210MPa，石英含量高達(dá)70%。其特性在城市地鐵TBM施工中實(shí)屬“首硬”。

（3）深圳軌道交通6號(hào)線“民樂(lè)停車場(chǎng)出入線隧道”存在小曲線施工，由中鐵五局進(jìn)行施工，隧道線路大體呈東西走向，起點(diǎn)為翰梅區(qū)間，線路出區(qū)間后以R=300m曲率半徑往西轉(zhuǎn)，沿塘朗山西行1km，以R=260m曲率半徑往東轉(zhuǎn)接入民樂(lè)停車場(chǎng)線路。

（4）深圳軌道交通6號(hào)線“梅林關(guān)站～翰林站區(qū)間”采用分體始發(fā)，由中鐵隧道局進(jìn)行施工，全長(zhǎng)約2311m，其中礦山段193.906m，TBM工作段2048m，TBM空推拼管片段70m。TBM始發(fā)井位于翰林站北端頭大里程段，區(qū)間平面線路最小曲線半徑為450m；縱斷面為一字坡，最大縱坡為28‰，區(qū)間隧道埋深12m～137m。項(xiàng)目施工為實(shí)現(xiàn)隧道的整體性，從車站區(qū)間分界里程開(kāi)始即拼裝管片，但受地面場(chǎng)地制約，采用分體始發(fā)方案施工。

（5）深圳軌道交通8號(hào)線“梧桐山南站～沙頭角站區(qū)間”是當(dāng)前全國(guó)所有地鐵雙護(hù)盾施工項(xiàng)目施工速度最快的區(qū)間，由中交二公局進(jìn)行施工，線路大體呈西東走向.區(qū)間采用礦山法初支+TBM空推法，區(qū)間右線總長(zhǎng)4135.7m，左線總長(zhǎng)4119.076m。截至目前，雙護(hù)盾TBM右線累計(jì)掘進(jìn)2424環(huán)（3636m），單月最大掘進(jìn)368環(huán)（552m，18年5月），平均掘進(jìn)速度273環(huán)/月，創(chuàng)造了同類雙護(hù)盾TBM施工最快掘進(jìn)記錄。

2.TBM選型介紹

2.1 敞開(kāi)式TBM

敞開(kāi)式TBM的工作原理：利用作用在巖壁的反作用力，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)功能的反推力和反扭矩，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)隧道一次成型、初期支護(hù)、出碴運(yùn)輸。

2.2 單護(hù)盾TBM

單護(hù)盾TBM刀盤推力由輔助推進(jìn)油缸支撐在管片上提供，TBM推進(jìn)時(shí)掘進(jìn)與管片安裝不能同時(shí)進(jìn)行。單護(hù)盾TBM施工作業(yè)循環(huán)：掘進(jìn)→輔助油缸回收→安裝管片→再掘進(jìn)。

2.3 雙護(hù)盾TBM

雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)和管片拼裝可以同步進(jìn)行，互不干擾，理論上其掘進(jìn)速度是單護(hù)盾TBM的2倍，是敞開(kāi)式TBM的1.5倍。通常認(rèn)為雙護(hù)盾TBM具有2種掘進(jìn)模式。

掘進(jìn)硬巖時(shí)采用雙護(hù)盾模式：通過(guò)側(cè)向撐靴緊撐在洞壁上，為刀盤和前護(hù)盾提供反力，掘進(jìn)與安裝管片能同時(shí)進(jìn)行，施工速度快。TBM作業(yè)循環(huán)為：掘進(jìn)與安裝管片→撐靴收回?fù)Q步→再支撐→再掘進(jìn)與安裝管片。

軟弱圍巖時(shí)則采用單護(hù)盾模式，不再使用側(cè)向撐靴，依靠推進(jìn)油缸支撐在管片上提供掘進(jìn)反力，TBM掘進(jìn)與管片安裝不能同步。作業(yè)循環(huán)為：掘進(jìn)→輔助油缸回收→安裝管片→再掘進(jìn)。

3.針對(duì)性設(shè)計(jì)及改進(jìn)

3.1 10號(hào)線孖～雅區(qū)間雙護(hù)盾TBM

（1）刀盤針對(duì)性設(shè)計(jì)。孖雅區(qū)間隧道洞身范圍地層主要為微風(fēng)化花崗巖及局部中風(fēng)化花崗巖，微風(fēng)化占95%。微風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為33.4～127.3MPa，中風(fēng)化花崗巖為20.8～54MPa，石英含量70.5%。

針對(duì)巖石強(qiáng)度高、石英含量高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)高強(qiáng)度刀盤。采取以下措施：①刀盤面板采用270mm鍛造鋼板，保障刀盤正面強(qiáng)度；②連接法蘭采用340mm鍛造鋼板，保證刀盤抗傾覆能力；③刀盤面板覆蓋耐磨鋼板，增強(qiáng)刀盤耐磨性能。

（2）小刀間距設(shè)計(jì)。小刀間距有利于破巖，還可以有效降低刀盤震動(dòng)、延長(zhǎng)刀具使用壽命。整盤共44個(gè)刀刃，中心刀刀間距89mm，正滾刀刀間距86mm、82mm。

（3）防主機(jī)滾轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。①前盾安裝穩(wěn)定器，前盾與支撐盾之間設(shè)有反扭矩裝置。②輔推油缸沿周向設(shè)計(jì)調(diào)整裝置，通過(guò)調(diào)整油缸角度，糾正主機(jī)滾轉(zhuǎn)。

（4）地鐵小曲線轉(zhuǎn)彎針對(duì)性設(shè)計(jì)。①合理布置外伸縮盾及內(nèi)伸縮盾間隙（20mm），擴(kuò)大尾盾與管片外徑間隙，滿足城市地鐵轉(zhuǎn)彎半徑的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。②管片吊機(jī)由雙梁行走調(diào)整為單梁行走，小曲線轉(zhuǎn)彎適應(yīng)能力強(qiáng)。

（5）防卡機(jī)及脫困設(shè)計(jì)。①刀盤厚度方向暴露長(zhǎng)度盡量短，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度僅為810mm，可減輕刀盤對(duì)圍巖的擾動(dòng)；②輔推油缸設(shè)計(jì)高壓脫困模式，可輸出1.3倍額定推力，且具有足夠的扭矩儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)脫困扭矩5414KNm；③主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)提升功能，提升行程最大50mm，降低卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)；④布置多個(gè)超前注漿、處理及觀察孔，提前預(yù)處理。

3.2 6號(hào)線羊臺(tái)山隧道雙護(hù)盾TBM

（1）刀盤針對(duì)性設(shè)計(jì)。同孖雅區(qū)間隧道巖石強(qiáng)度相比，羊臺(tái)山隧道巖石強(qiáng)度更高（石英含量68.16%，單軸飽和抗壓強(qiáng)度150～200MPa，平均180MPa，掘進(jìn)取芯樣最高強(qiáng)度達(dá)204.3MPa），在刀盤設(shè)計(jì)上采用19寸單刃滾刀共36把，17寸雙刃滾刀共4把，采取Q345D高強(qiáng)度耐磨鋼，刀間距則設(shè)置為78mm，保證高效率破巖。

（2）盾體針對(duì)性設(shè)計(jì)。盾體采用倒錐形設(shè)計(jì)，減少卡盾風(fēng)險(xiǎn)；刀盤與盾體偏心設(shè)計(jì)10mm，保證頂部開(kāi)挖間隙，如圖1所示。

3.3 8號(hào)線梧沙區(qū)間雙護(hù)盾TBM

（1）在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，碴車換斗時(shí)不但影響推進(jìn)速度而且容易掉碴。重新加工出碴口，在換斗時(shí)人工操作翻板，不停止掘進(jìn)、不掉碴。

（2）TBM自帶的水霧噴頭太少，TBM掘進(jìn)過(guò)程中粉塵太大，影響人員身體健康。在前盾溜碴槽、主機(jī)皮帶機(jī)出碴口、后配套臺(tái)車等部位增加了水霧噴頭，大大改善了作業(yè)環(huán)境。

（3）為保證TBM掘進(jìn)中管片背部注漿要求，在TBM10#臺(tái)車增加人工拌漿設(shè)備、袋裝水泥調(diào)運(yùn)設(shè)備，提高了漿液制作的靈活性，提高了施工效率。

（4）TBM自帶換刀梁結(jié)構(gòu)太大，占用太多空間，影響盾體內(nèi)作業(yè)，改進(jìn)之后更為合理。

（5）電瓶機(jī)車運(yùn)送施工材料進(jìn)車時(shí)，電瓶機(jī)車剎車、人員操作、調(diào)車員信號(hào)存在滯后性，可能發(fā)生管片車與防撞梁碰撞。為防止車輛及防撞梁剛性碰撞后設(shè)備、管片損傷，增加了緩沖器。

（6）去除管片喂片機(jī)，原因：①影響底部管片豆粒石吹填和注漿；②喂片機(jī)重量會(huì)導(dǎo)致管片下沉。

（7）去除卸載器，原因：①阻礙作業(yè)人員通行；②管片吊機(jī)直接吊運(yùn)管片等施工材料，不影響使用。

（8）TBM盾尾間隙較大，由于管片脫出盾尾后豆礫石吹填不密實(shí)，形成管片下沉，從而造成推進(jìn)油缸與管片中心不重合，造成管片受力不均勻，損傷管片。設(shè)計(jì)上部45mm、底部15mm間隙，可以避免管片受力不均。

（9）TBM掘進(jìn)中需要換刀時(shí)，有時(shí)刀盤底部石碴太多、容易卡刀盤，可以通過(guò)頂伸底部穩(wěn)定器油缸抬高盾體，清理刀盤底部石碴。

（10）增加一套總功率132KW的大型水冷式制冷設(shè)備，通過(guò)冷卻風(fēng)流使施工區(qū)域溫度降低5-10度，極大的改善了作業(yè)環(huán)境。

（11）修改原本的主推系統(tǒng)，液壓方面加入備壓功能。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，雙護(hù)盾TBM在深圳地鐵隧道施工的成功應(yīng)用，不僅驗(yàn)證了雙護(hù)盾TBM具有良好的地質(zhì)適應(yīng)性和高效的機(jī)械化施工優(yōu)勢(shì)，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(yàn)和借鑒依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何川.盾構(gòu)/TBM施工煤礦長(zhǎng)距離斜井的技術(shù)挑戰(zhàn)與展望[J].隧道建設(shè).2014，34（04）：287-297.