雙護(hù)盾TBM在城市地鐵隧道中的應(yīng)用研究

張 兵

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司,廣州 511458)

自比利時(shí)工程師亨利在1846年發(fā)明了世界第一臺(tái)TBM——片山機(jī)以來(lái)，在其后約100年的時(shí)間中，全球先后設(shè)計(jì)生產(chǎn)了大約30臺(tái)TBM[1]。但早期TBM的發(fā)展受制于技術(shù)力量的限制，TBM施工的優(yōu)越性不敵鉆爆法施工，導(dǎo)致TBM施工技術(shù)長(zhǎng)期停滯不前。但隨著Robbins公司在1956年研制出了一種適應(yīng)于硬巖地層的高效破巖盤形滾刀，實(shí)現(xiàn)了TBM在硬巖地層中的掘進(jìn)，TBM技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，涌現(xiàn)多種機(jī)型。在敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM等各類機(jī)型中，雙護(hù)盾TBM理論上掘進(jìn)速度是單護(hù)盾TBM的2倍，是敞開式TBM的1.5倍[2-7]。雙護(hù)盾TBM以其快速高效安全的施工優(yōu)勢(shì)，正在被越來(lái)越多城市地鐵施工中積極嘗試，雙護(hù)盾TBM首次在我國(guó)青島地鐵施工中應(yīng)用，目前應(yīng)用范圍最廣的城市是在深圳。

積極總結(jié)雙護(hù)盾TBM城市地鐵施工中的經(jīng)驗(yàn)和難題，對(duì)推廣雙護(hù)盾TBM城市地鐵施工具有重要的意義?；诖吮尘?，結(jié)合深圳軌道交通8號(hào)線梧桐山站—沙頭角站雙護(hù)盾TBM施工區(qū)間在斷層破碎段、礦山法空推段、極硬巖段的施工問題進(jìn)行探索。研究了不同地質(zhì)區(qū)間段相應(yīng)的施工技術(shù)和優(yōu)化改進(jìn)措施，提升了整個(gè)工程施工效率，為雙護(hù)盾TBM的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

深圳軌道交通8號(hào)線一期主體工程8132標(biāo)梧桐山站—沙頭角站區(qū)間線路大體呈西～東走向，起于梧桐山站，止于沙頭角站。區(qū)間線路從梧桐山站沿東南向側(cè)穿梧桐山管理區(qū)大樓，下穿羅沙路、長(zhǎng)嶺天橋及羅沙高架橋樁基礎(chǔ)，區(qū)間沿羅沙路直行一段后以曲線半徑500 m下穿長(zhǎng)嶺路進(jìn)入梧桐山段，隧道在梧桐山段時(shí)，北段為深鹽二通道山嶺隧道，南端為梧桐山隧道，分別經(jīng)過長(zhǎng)嶺溝、夾門山及五畝地，下穿7處盤山公路，最后下穿梧桐山隧道口出梧桐山段進(jìn)入深鹽路。其中，TBM區(qū)間為梧桐山站—沙頭角站區(qū)間，如圖1所示，區(qū)間設(shè)計(jì)右線長(zhǎng)4 144.3 m，左線長(zhǎng)4 127.619 m，梧桐山站礦山法+TBM空推段長(zhǎng)度為538 m，地勘表明斷層破碎帶長(zhǎng)度約80 m，硬巖施工段長(zhǎng)度約153 m。隧道區(qū)間穿越地層主要為全～微風(fēng)化泥灰?guī)r，全斷面硬巖，隧道圍巖綜合分級(jí)為Ⅱ～Ⅴ級(jí)，區(qū)間施工采用礦山法和TBM施工相結(jié)合，雙護(hù)盾TBM經(jīng)過空推段后開始TBM段施工。

研究雙護(hù)盾TBM施工重難點(diǎn)問題，對(duì)于城市地鐵采用雙護(hù)盾TBM施工具有重要的參考和指導(dǎo)意義，該區(qū)間采用的雙護(hù)盾TBM如圖2所示。

圖1 線路平面示意

圖2 雙護(hù)盾TBM

2 工程問題及對(duì)策

2.1 空推步進(jìn)段

梧桐山站—沙頭角站區(qū)間隧道在雙護(hù)盾TBM正式掘進(jìn)過程中，要通過礦山法施工的空推段，空推段施工是整個(gè)隧道施工的起始段，該始發(fā)區(qū)段位于梧桐山下，山體含水豐富，因隧道內(nèi)水流較大，造成導(dǎo)臺(tái)混凝土強(qiáng)度降低，導(dǎo)臺(tái)施工質(zhì)量不合格。此外由于TBM導(dǎo)洞是使用礦山法提前開挖完成，在礦山法中爆破、噴錨等過程未嚴(yán)格控制好導(dǎo)洞弧線曲面尺寸，存在欠挖、超挖等現(xiàn)象，TBM在空推段掘進(jìn)到第8環(huán)位置時(shí)，出現(xiàn)撐靴與撐靴壁無(wú)法正常接觸現(xiàn)象，從而影響整個(gè)施工掘進(jìn)效率。

針對(duì)空推步進(jìn)受阻問題，采取以下措施。

(1)在混凝土導(dǎo)臺(tái)制作前，必須對(duì)礦山法隧道進(jìn)行防水堵漏，避免因隧道內(nèi)水流較大，造成導(dǎo)臺(tái)混凝土強(qiáng)度降低導(dǎo)臺(tái)施工質(zhì)量不合格，從而影響整個(gè)施工進(jìn)度。

(2)針對(duì)撐靴與撐靴壁無(wú)法正常接觸無(wú)法步進(jìn)問題，施作導(dǎo)臺(tái)撐靴壁提供反力進(jìn)行掘進(jìn)，如圖3所示。打開伸縮內(nèi)盾窗口位置進(jìn)行豆礫石填充，通過填充豆礫石、頂撐循環(huán)控制，直至撐靴油缸壓力達(dá)設(shè)計(jì)值，通過步進(jìn)受阻位置。

圖3 導(dǎo)臺(tái)撐靴壁現(xiàn)場(chǎng)

導(dǎo)臺(tái)施工精度關(guān)系到TBM隧道偏差，應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙所給尺寸進(jìn)行施工，避免導(dǎo)臺(tái)尺寸誤差，導(dǎo)臺(tái)鋼軌單位質(zhì)量不得小于38kg/m，以免TBM空推中鋼軌變形、折斷造成TBM栽頭。此外由于礦山法施工相對(duì)較慢，礦山法隧道施工效率低下，盡可能縮短礦山法隧道長(zhǎng)度。

2.2 穿越斷層破碎帶

雙護(hù)盾TBM在斷層破碎帶地層中掘進(jìn)時(shí)，由于圍巖不穩(wěn)定極容易遇到掌子面失穩(wěn)、卡機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)。雙護(hù)盾TBM被卡的原因有：前方地質(zhì)不明且沒有超前處理措施，造成TBM通過時(shí)被卡；TBM推進(jìn)參數(shù)不合理，對(duì)圍巖擾動(dòng)過大被卡；TBM受阻后處理措施不當(dāng)，造成進(jìn)一步坍塌被卡。合理的預(yù)處理手段、合適的掘進(jìn)參數(shù)是保證TBM順利通過斷層帶的前提[8-11]。梧沙區(qū)間線路共有4條地質(zhì)斷層，沿?cái)嗔褞?nèi)發(fā)育的構(gòu)造巖主要為強(qiáng)、中等風(fēng)化碎裂巖，節(jié)理裂隙及構(gòu)造裂隙極為發(fā)育。其中F6地質(zhì)斷層位于TBM掘進(jìn)段，梧沙區(qū)間雙護(hù)盾TBM通過地質(zhì)斷層從施工措施和設(shè)備參數(shù)的調(diào)整2方面進(jìn)行解決。

(1)超前地質(zhì)預(yù)處理

注漿首先需要確定注漿范圍，通過有限元分析建立雙護(hù)盾TBM穿越斷層破碎帶數(shù)值分析模型，初步確定斷層注漿加固范圍，模型如圖4所示，提取掘進(jìn)斷層影響參數(shù)如圖5和圖6所示。發(fā)現(xiàn)隧道上方圍巖豎向位移變化較大，下方圍巖變化相對(duì)較小，斷層對(duì)隧道上方圍巖影響范圍13 m以內(nèi)，約為隧道上方2.1倍洞徑范圍。斷層對(duì)隧道下方圍巖影響范圍14 m以內(nèi)，約為隧道下方2.2倍洞徑范圍以內(nèi)，斷層區(qū)域圍巖7 m以內(nèi)影響更大，因此初步確定超前注漿影響范圍最低在圍巖7 m范圍以內(nèi)。

圖4 斷層掘進(jìn)數(shù)值模型

圖5 隧道拱頂影響范圍曲線

圖6 隧道拱底影響范圍曲線

在通過F6地質(zhì)斷層時(shí)，當(dāng)進(jìn)入設(shè)計(jì)給出的地質(zhì)斷層前50 m，停機(jī)檢修設(shè)備，超前鉆孔探測(cè)前方圍巖情況，并根據(jù)圍巖情況進(jìn)行超前注漿。注漿的范圍區(qū)域依據(jù)數(shù)值模擬，在圍巖7 m以內(nèi)，如圖7所示。TBM通過地質(zhì)斷層時(shí)，每掘進(jìn)完成一環(huán)，需要檢查掌子面圍巖情況，確定實(shí)際圍巖情況。

圖7 超前注漿示意

(2)掘進(jìn)參數(shù)選擇

依據(jù)隧道圍巖分級(jí)判斷，當(dāng)圍巖開挖后拱部無(wú)支護(hù)時(shí)，可能產(chǎn)生較大坍塌，側(cè)壁易失去穩(wěn)定的特性，且?guī)r石的結(jié)構(gòu)和完整性較差，整體呈現(xiàn)碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，節(jié)理很發(fā)育，層狀軟弱面已經(jīng)基本被破壞。結(jié)合出渣渣樣分析，隧道斷層區(qū)域圍巖強(qiáng)度處于Ⅴ級(jí)和Ⅳ級(jí)之間，提取雙護(hù)盾TBM的設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)，找出設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在斷層區(qū)域的數(shù)值統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如圖8、圖9所示。

圖8 斷層區(qū)域開挖總推力分布

圖9 斷層區(qū)域開挖總扭矩分布

隧道斷層區(qū)域相對(duì)于正常掘進(jìn)區(qū)域采用低轉(zhuǎn)速、小推力、快速掘進(jìn)方法通過，盡可能不停機(jī)或減少停機(jī)時(shí)間，以防TBM刀盤被卡。目前，梧沙區(qū)間雙護(hù)盾TBM左線和右線隧道均順利通過了F6地質(zhì)斷層，通過斷層區(qū)域的設(shè)備參數(shù)如表1所示。

(3)建議及對(duì)策

雙護(hù)盾TBM遇到不同大小的斷層破碎帶，卡機(jī)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題，合適的預(yù)處理及參數(shù)設(shè)置能夠避免卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。具體建議如下：

表1 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)推薦值

①通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)告掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、圍巖完整性，為正確選擇掘進(jìn)參數(shù)和施工方案提供依據(jù)；

②斷層破碎的規(guī)模較小，不進(jìn)行預(yù)處理，采用低轉(zhuǎn)速、小推力、快速掘進(jìn)迅速通過，減少停機(jī)時(shí)間，以防刀盤被卡；

③斷層破碎的規(guī)模較大時(shí)，超前注漿加固后緩慢掘進(jìn)通過。當(dāng)斷層帶規(guī)模特別大時(shí)，采用超前導(dǎo)洞、繞洞等施工措施通過。

2.3 硬巖段施工

梧沙區(qū)間隧道TBM在掘進(jìn)到1415環(huán)時(shí)，TBM不僅掘不動(dòng)而且設(shè)備振動(dòng)大，通過勘察發(fā)現(xiàn)該段地層的巖性為致密微風(fēng)化花崗巖，實(shí)際揭示其平均天然飽和單軸抗壓強(qiáng)度為170 MPa，最大達(dá)到210 MPa，石英含量達(dá)72%，如圖10所示，針對(duì)該級(jí)別強(qiáng)度巖石施工難度很大。

圖10 取芯測(cè)試

TBM是利用巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯小于其抗壓強(qiáng)度這一特征而設(shè)計(jì)的。目前，通常采用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc來(lái)判斷TBM工作條件下隧道圍巖開挖的難易程度，巖石單軸抗壓強(qiáng)度與TBM掘進(jìn)速度關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 巖石單軸抗壓強(qiáng)度和掘進(jìn)速度曲線關(guān)系

巖石強(qiáng)度越高，掘進(jìn)難度越大，通常Rc>150 MPa時(shí)，巖石的可掘進(jìn)性極差，且刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻繁，掘進(jìn)效率低下[12-17]。梧沙區(qū)間隧道硬巖區(qū)域最大巖石單軸抗壓強(qiáng)度為Rc=210 MPa，屬于極硬巖施工，該工況下，刀具磨損劇烈、換刀頻繁、破巖難度極大，出渣渣樣為粉末狀，如圖12所示。

圖12 出渣渣樣

在TBM設(shè)計(jì)過程中已充分考慮到小刀間距有利于破巖，能夠有效降低刀盤振動(dòng)、延長(zhǎng)刀具使用壽命[18-20]，中心刀刀間距設(shè)置為88 mm，正滾刀刀間距設(shè)置為84，80 mm。

但該區(qū)間地層圍巖完整性好、強(qiáng)度高，導(dǎo)致TBM掘進(jìn)貫入度小，調(diào)整推力無(wú)明顯改善，刀具磨損嚴(yán)重。當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，依靠刀具高轉(zhuǎn)速來(lái)沖擊破巖時(shí)，效果較差，貫入度較小，極硬巖施工是制約整個(gè)區(qū)間隧道施工的難題，解決措施是從刀具材料和幾何刃形狀進(jìn)行優(yōu)化。

(1)刀具優(yōu)化

通過對(duì)原材料和熱處理工藝改進(jìn)，保證刀圈的S含量不高于0.003%，P含量不高于0.015%，整體達(dá)到超級(jí)特種鋼標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)抗拉強(qiáng)度Rm在1550 MPa時(shí)，材料含硫量由0.005%降到0.003%，保證沖擊韌度不低于13J。刀具幾何刃形適度鈍化，增加刀刃寬度，優(yōu)化雙側(cè)曲面過渡線，優(yōu)化前后的刃型對(duì)比如圖13所示。

圖13 幾何刃型優(yōu)化

(2)掘進(jìn)參數(shù)選擇

在該硬巖施工區(qū)段，刀具優(yōu)化前設(shè)備的參數(shù)刀盤轉(zhuǎn)速6.3 r/min，主推力最大數(shù)值約13 500 kN，貫入度1.0～3.0 mm/r，掘進(jìn)速度7～18 mm/min。優(yōu)化后刀盤轉(zhuǎn)速可提高轉(zhuǎn)速到6.6 r/min，推力最大數(shù)值約13 000 kN，貫入度2.5～5 r/mm，掘進(jìn)速度15～33 mm/min。優(yōu)化后刀具換刀頻次也明顯降低，以邊刀42號(hào)刀和面刀30號(hào)刀具為例，優(yōu)化前42號(hào)邊刀和30號(hào)面刀分別掘進(jìn)9環(huán)和16環(huán)就要更換1次，優(yōu)化后16環(huán)和55環(huán)更換1次。表2為優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比。

表2 刀具優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

此外，依據(jù)地質(zhì)勘探梧沙區(qū)間隧道圍巖等級(jí)大多為Ⅱ、Ⅲ級(jí)微風(fēng)化凝灰?guī)r區(qū)段，分析設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域的數(shù)值統(tǒng)計(jì)規(guī)律如圖14、圖15所示。在該區(qū)段的掘進(jìn)參數(shù)推薦數(shù)值如表3所示。

圖14 正常掘進(jìn)區(qū)域開挖總推力分布

圖15 正常掘進(jìn)區(qū)域開挖扭矩分布

(3)建議及對(duì)策

在極硬巖施工中，刀盤刀具的設(shè)計(jì)要選擇合適的刀間距，以提高破巖效率。此外，針對(duì)不同的巖石強(qiáng)度等級(jí)選擇合理的設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)，不僅能夠提高設(shè)備破巖效率，而且能夠減少刀具的磨損消耗，節(jié)約換刀時(shí)間。針對(duì)特殊極硬巖地段在刀具材料、熱處理工藝及刀刃形態(tài)上可做一些針對(duì)性的改造和優(yōu)化。通過刀具的刀刃角度設(shè)計(jì)優(yōu)化，兼顧刀具強(qiáng)度和刀具韌性；通過改進(jìn)刀刃寬度，對(duì)巖石壓碎區(qū)域范圍擴(kuò)大，裂紋擴(kuò)展范圍也擴(kuò)大，刀圈的破巖能力依次遞增，最大限度地提高破巖效率；通過優(yōu)化刀具雙側(cè)曲面的過渡曲線，提高了刀圈的抗沖擊性能，確保了刀圈的軸向強(qiáng)度，最大限度地適應(yīng)施工掘進(jìn)中大塊落石對(duì)刀圈的沖擊。

表3 雙護(hù)盾TBM設(shè)備參數(shù)推薦值

3 實(shí)施效果分析

梧沙區(qū)間采用了合適的施工處理措施，有效地克服了施工中的難題，區(qū)間左右線均已經(jīng)順利通過了斷層破碎帶，沒有存在卡機(jī)現(xiàn)象。在硬巖段施工經(jīng)過刀具的優(yōu)化和設(shè)備參數(shù)優(yōu)化后，掘進(jìn)速度提高了28%，刀具的使用效率提高了16%，經(jīng)過優(yōu)化后的刀具在同樣地層，貫入度和速度明顯得到提升。梧沙區(qū)間右線TBM單月最大掘進(jìn)368環(huán)(552 m)，平均掘進(jìn)速度273環(huán)/月；左線TBM單月最大掘進(jìn)354環(huán)(531 m)，平均掘進(jìn)速度249環(huán)/月。見圖16。

圖16 梧沙區(qū)間TBM管片拼裝完成情況

4 結(jié)論及建議

深圳軌道交通8號(hào)線梧沙區(qū)間雙護(hù)盾TBM的成功應(yīng)用，再次證明雙護(hù)盾TBM在城市軌道交通施工應(yīng)用的可行性和適應(yīng)性。針對(duì)地鐵施工工期緊張，對(duì)設(shè)備性能要求高的特點(diǎn)，研究了雙護(hù)盾TBM在深圳地鐵施工中不同地質(zhì)施工區(qū)段的問題，提出雙護(hù)盾TBM在空推段、斷層破碎段和極硬巖段施工的針對(duì)性控制措施和掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置，極大提高了設(shè)備在不同地質(zhì)條件下的施工適應(yīng)性，提高了施工效率。因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)研究的是斷層和硬巖段的設(shè)備參數(shù)數(shù)值，后續(xù)對(duì)各個(gè)區(qū)間圍巖等級(jí)嚴(yán)格的界定同設(shè)備參數(shù)地質(zhì)相關(guān)性的研究，可以作為后續(xù)進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容?？偨Y(jié)雙護(hù)盾TBM城市地鐵施工的難題和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)推廣雙護(hù)盾TBM在城市地鐵施工，提升裝備的地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)都具有重要的參考意義。