雙護(hù)盾TBM在青島城市軌道交通工程中的應(yīng)用與實(shí)踐

林 剛， 史宣陶， 陳 軍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

我國地域遼闊、地質(zhì)差異，經(jīng)過城市軌道交通建設(shè)者的不斷創(chuàng)新，以上海、杭州為代表的軟土地層，以廣州、深圳為代表的上軟下硬復(fù)合地層，以成都為代表的砂卵石和膨脹性巖土地層，以西安為代表的黃土地層和以鄭州為代表的粉質(zhì)土地層中的城軌交通區(qū)間隧道實(shí)現(xiàn)了以盾構(gòu)法施工為主，并輔以一定的明挖法和礦山法。但青島地區(qū)基巖以花崗巖為主且出露較高，城軌交通區(qū)間隧道大部分位于中、微風(fēng)化花崗巖、煌斑巖地層中，早期均以礦山法為主[1]。為提高區(qū)間隧道工程的施工速度和安全性，改善工作環(huán)境，加強(qiáng)施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)與環(huán)境控制，經(jīng)論證，決定從青島地鐵2號(hào)線Ⅰ期工程開始選用雙護(hù)盾TBM[2-4]。

在此之前，雙護(hù)盾TBM主要應(yīng)用在水工與鐵路隧道工程，以上隧道工程與城軌交通隧道相比具有線路埋深大、長度長、曲線半徑大等特點(diǎn)，為確保設(shè)備的可靠、高效，主機(jī)和整機(jī)長度均較長，通常施工場(chǎng)地也能滿足快速施工要求[5-9]。城軌交通隧道具有線路埋深淺、長度短、車站區(qū)間相互干擾、隧道周邊建(構(gòu))筑物眾多、施工組織復(fù)雜等實(shí)際困難，有必要在借鑒既有水工、鐵路隧道工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)巖質(zhì)地層城軌交通淺埋隧道地質(zhì)變化大、城市密集建(構(gòu))筑物周邊環(huán)境復(fù)雜等外部特征，以及隧道線路短、曲線半徑小、施工組織復(fù)雜等自身特點(diǎn)，對(duì)城軌交通區(qū)間隧道采用雙護(hù)盾TBM工法[10]，從設(shè)備選型與制造、隧道結(jié)構(gòu)型式與設(shè)計(jì)方法、施工與土建一體化關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

1 工程簡介

1.1 工程概況

青島地鐵2號(hào)線是連接青島與黃島的一條骨干線路，將青島老城區(qū)、行政中心、商業(yè)中心、東部文化中心、北部生活中心等一系列大的客流集散點(diǎn)連接在一起，線路總長約55.3 km，全線共設(shè)40座車站。如圖1所示， 2號(hào)線Ⅰ期工程西起泰山路站、東至李村公園站，沿泰山路、遼寧路、臺(tái)東一路、延安三路、香港路、深圳路敷設(shè)，線路全長25.2 km，共設(shè)22座地下車站。

采用雙護(hù)盾TBM工法的為泰山路站—芝泉路站、高雄路站—海安路站8個(gè)區(qū)間，區(qū)間平面曲線半徑最小為320 m，主要穿越以五四廣場(chǎng)為代表的中央行政區(qū)、以香港中路為代表的中央商務(wù)區(qū)和以青島火車站等重要?dú)v史公共建筑為代表的歷史文化街區(qū)，地處城市繁華區(qū)，對(duì)施工控制要求高。

圖1青島地鐵2號(hào)線Ⅰ期工程示意圖

Fig. 1 Schematic diagram of Phase I of Qingdao Metro Line 2

1.2 工程水文地質(zhì)特點(diǎn)

圖2青島地鐵2號(hào)線泰山路站—五四廣場(chǎng)站地質(zhì)縱斷面圖

Fig. 2 Geological profile of Taishan Road Station to Wusi Square Station on Qingdao Metro Line 2

(a) 地下水情況

(b) 巖石完整性

圖3TBM穿越地層地下水與巖石完整性統(tǒng)計(jì)

Fig. 3 Statistics of groundwater distribution and rock integrity in stratum TBM passing

表1 雙護(hù)盾TBM區(qū)間長度及圍巖分級(jí)組成

2 緊湊型雙護(hù)盾TBM設(shè)計(jì)

2.1 巖質(zhì)地層全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)選型比較

適用于巖質(zhì)地層的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)目前主要包括適用于中、硬巖地層的敞開式TBM、單護(hù)盾TBM、雙護(hù)盾TBM和適用于軟巖與復(fù)合地層的復(fù)合式盾構(gòu)。以青島地鐵2號(hào)線Ⅰ期工程為背景，針對(duì)城軌區(qū)間隧道位于城市繁華區(qū)，地面、地下建(構(gòu))筑物密集的復(fù)雜環(huán)境，大部分位于中、微風(fēng)化花崗巖地層，巖石強(qiáng)度為30～120 MPa、平均為60～80 MPa，地下水少，脈巖及碎裂巖發(fā)育，破碎帶、上土下巖隨機(jī)分布的地質(zhì)條件，以及單個(gè)區(qū)間隧道長度為1～2 km，曲線半徑為500～600 m、最小為320 m，地鐵車站、區(qū)間同時(shí)施工的自身特點(diǎn)，對(duì)城軌交通區(qū)間隧道選用常規(guī)復(fù)合式土壓盾構(gòu)、敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM進(jìn)行了比較，如表2所示。

復(fù)合式土壓盾構(gòu)與TBM的主要區(qū)別在于復(fù)合式盾構(gòu)可在掘進(jìn)過程中建立土壓，雖然目前的復(fù)合式盾構(gòu)已具備在80 MPa及以上強(qiáng)度巖石地層中掘進(jìn)的能力，但是若在中硬巖中長距離掘進(jìn)，工作效率將是其最大的短板；敞開式TBM主要適用于硬巖、中硬巖地層，軟巖地層掘進(jìn)相對(duì)困難、破碎帶易卡機(jī)，采用單層現(xiàn)澆襯砌、預(yù)制塊+復(fù)合襯砌或全環(huán)復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，單層現(xiàn)澆與復(fù)合式襯砌通常在洞通后施作，因此在斷層破碎帶存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患；單護(hù)盾TBM主要適用于軟巖及中硬巖地層，遇斷層破碎帶易卡機(jī)，采用預(yù)制管片襯砌結(jié)構(gòu)，與采用相同結(jié)構(gòu)型式的雙護(hù)盾TBM相比，具有隧道開挖與安裝襯砌環(huán)不能同步的不足；雙護(hù)盾TBM具有2組護(hù)盾，在圍巖穩(wěn)定性較好地層中主要采用主支撐掘進(jìn)模式，在軟弱圍巖地層中采用油缸掘進(jìn)模式，與敞開式TBM和單護(hù)盾TBM相比，地層適應(yīng)性和工作效率均存在一定優(yōu)勢(shì)，但在設(shè)備長度、轉(zhuǎn)彎半徑、施工場(chǎng)地要求等方面均有一定不足。

表2 巖質(zhì)地層城軌交通區(qū)間隧道全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)選型比較

注： 表中雙護(hù)盾TBM數(shù)據(jù)在參考水工、鐵路行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮城軌交通區(qū)間隧道特征選取。

2.2 緊湊型雙護(hù)盾TBM

根據(jù)巖質(zhì)地層城軌交通區(qū)間隧道全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)選型比較，為保證隧道施工安全、發(fā)揮掘進(jìn)效率、結(jié)構(gòu)型式可選范圍大，經(jīng)過研究比選，最后確定選用雙護(hù)盾TBM，但需在參考和借鑒既有水工、鐵路隧道雙護(hù)盾TBM基礎(chǔ)上，最大限度地優(yōu)化整機(jī)和主機(jī)長度，達(dá)到盡量不改變目前城軌土建施工組織、專業(yè)接口關(guān)系和施工場(chǎng)地選擇等通用做法的目標(biāo)。為了與常規(guī)雙護(hù)盾TBM區(qū)別，將該設(shè)備命名為緊湊型雙護(hù)盾TBM。

緊湊型雙護(hù)盾TBM如圖4所示，主機(jī)長11.8 m，整機(jī)長135 m，由主機(jī)、連接橋和后配套臺(tái)車組成，質(zhì)量約850 t；開挖直徑為6.30 m，前盾和外伸縮護(hù)盾直徑為6.24 m，內(nèi)伸縮護(hù)盾和撐靴護(hù)盾直徑為 6.15 m，單個(gè)循環(huán)掘進(jìn)行程為 1.50 m，最快掘進(jìn)速度為120 mm/min，理論轉(zhuǎn)彎半徑為250 m；能夠在撐靴+錨噴支護(hù)、撐靴+管片襯砌和單護(hù)盾3種模式間轉(zhuǎn)換，可滿足根據(jù)地質(zhì)和周邊環(huán)境條件在多種結(jié)構(gòu)型式間轉(zhuǎn)換的需求。

針對(duì)城軌交通隧道工程特點(diǎn)，緊湊型雙護(hù)盾TBM還具有以下特點(diǎn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)：

1)刀盤采用面板式結(jié)構(gòu)，厚300 mm，可有效保證刀盤的整體性、抗疲勞性和可靠性。

2)刀具共包括4組(8把)雙刃中心刀和33把單刃19英寸(48.26 cm)滾刀。

3)刀盤采用4+1分塊、盾體采用3分塊模塊化設(shè)計(jì)，可滿足城軌交通隧道施工豎井組裝始發(fā)及洞內(nèi)拆機(jī)需求。

4)主推油缸采用“V”型布置，以此將主推與防扭系統(tǒng)合并，如圖5所示。

圖4 緊湊型雙護(hù)盾TBM

圖5 “V”型布置的主推油缸

5)將管片拼裝系統(tǒng)、錨噴系統(tǒng)、超前鉆探系統(tǒng)集成于共用環(huán)向行走機(jī)構(gòu)，以此減短主機(jī)長度。

6)后配套出碴系統(tǒng)配置梭式皮帶機(jī)，有效提高出碴效率[11]。

3 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)緊湊型雙護(hù)盾TBM機(jī)械特點(diǎn)和城軌交通實(shí)際，結(jié)合工程水文地質(zhì)特征，對(duì)全環(huán)復(fù)合式襯砌、預(yù)制仰拱塊+復(fù)合式襯砌、全環(huán)預(yù)制管片3種型式的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究實(shí)踐。

3.1 全環(huán)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

全環(huán)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)分為初期支護(hù)和二次襯砌2部分。初期支護(hù)包括錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土和全環(huán)格柵鋼架(或型鋼)，二次襯砌為現(xiàn)澆模筑鋼筋混凝土。將初期支護(hù)定義為施工過程中的主要支護(hù)體系，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖噴射混凝土厚40～50 mm；Ⅳ級(jí)圍巖噴射混凝土厚120 mm，并每隔1.0～1.5 m設(shè)1榀全環(huán)格柵鋼架(或型鋼)。隧道按“半包防水+限量排放”設(shè)計(jì)。各級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)如表3所示，Ⅱ級(jí)圍巖結(jié)構(gòu)體系如圖6所示。

表3 全環(huán)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

圖6 Ⅱ級(jí)圍巖全環(huán)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)(單位： mm)

Fig. 6 Full-ring composite lining structure of class Ⅱ surrounding rock (unit： mm)

3.2 預(yù)制仰拱塊+復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

若能在TBM掘進(jìn)段后方一定距離同步施工二次襯砌，既可保證工期，又可保證施工安全。根據(jù)以上思路，結(jié)合緊湊型雙護(hù)盾TBM設(shè)備實(shí)際和城軌工程施工組織特點(diǎn)，在Ⅱ—Ⅳ級(jí)圍巖地層中設(shè)計(jì)了“預(yù)制仰拱塊+復(fù)合式襯砌”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)預(yù)制仰拱塊為TBM掘進(jìn)提供支撐點(diǎn)，保證TBM掘進(jìn)與仰拱塊同步安裝的同時(shí)，還能在TBM掘進(jìn)一段距離(通常按200～500 m)后同步施作二次襯砌。復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)與同級(jí)圍巖全環(huán)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)基本一致，隧道按“半包防水+限量排放”設(shè)計(jì)。隧道防排水體系如圖7所示。

3.3 全環(huán)預(yù)制管片結(jié)構(gòu)

全環(huán)預(yù)制管片采用平板型單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度C50、抗?jié)B等級(jí)P12，襯砌環(huán)內(nèi)徑5.4 m、外徑6.0 m、厚0.3 m、幅寬1.5 m，一環(huán)管片分為6塊，分別由封頂塊(F)、鄰接塊(L1、L2)和標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3)構(gòu)成，采用“直線環(huán)+左右轉(zhuǎn)”拼裝方式，轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量為38 mm。結(jié)構(gòu)采用全包防水體系，對(duì)應(yīng)護(hù)盾掘進(jìn)模式，適用于全系圍巖地層。

圖7 預(yù)制仰拱塊+復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)防排水體系(單位： mm)

Fig. 7 Prefabricated inverted arch block + waterproof and drainage system of composite lining structure (unit： mm)

由于巖質(zhì)地層對(duì)襯砌環(huán)的“約束”效應(yīng)不強(qiáng)，同時(shí)襯砌環(huán)外周“吹填豆礫石+壓漿”層不能在襯砌環(huán)脫出盾尾后同步完成，因此，脫出盾尾的襯砌環(huán)均存在不同程度的松弛與變形[12-13]。針對(duì)該情況，設(shè)計(jì)了管片仰拱支撐組件(如圖8所示)，組件分為A、B 2個(gè)部分，A部分預(yù)埋于管片，B部分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝調(diào)整，每環(huán)4套組件如同4個(gè)支腿，確保了預(yù)制襯砌環(huán)的拼裝效果和防水質(zhì)量。

圖8 預(yù)制管片仰拱支撐組件

為使管片襯砌環(huán)外周“吹填豆礫石+壓漿”層能盡早壓漿和保證壓漿效果，設(shè)計(jì)了預(yù)制管片襯砌背后壓漿裝置(如圖9所示)，該裝置在管片預(yù)制過程中沿吊裝孔環(huán)向預(yù)埋于管片背面，將常規(guī)的離散“點(diǎn)”式壓漿升級(jí)為“線”形與“面”狀壓漿；通過該壓漿裝置，襯砌環(huán)外周壓漿可在襯砌環(huán)脫出盾尾2～3環(huán)后即可進(jìn)行，確保了壓漿的及時(shí)性與壓漿效果。

圖9 預(yù)制管片襯砌背后壓漿裝置

4 土建一體化解決方案

針對(duì)隧道埋深淺、地質(zhì)變化大等地質(zhì)特征，周邊建(構(gòu))筑物密集、環(huán)境復(fù)雜等外部特征，以及隧道線路短、曲線半徑小、施工組織復(fù)雜等自身特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)踐，研究城軌交通雙護(hù)盾TBM隧道土建一體化解決方案。

4.1 始發(fā)

城軌交通雙護(hù)盾TBM始發(fā)有明挖車站端頭井和“中間井+礦山法洞室” 2種。在工期、場(chǎng)地、施工組織等條件允許的情況下，為減小工程實(shí)施難度，節(jié)約工程投資，應(yīng)首選明挖車站端頭井始發(fā)。

明挖車站端頭井始發(fā)(如圖10所示)對(duì)車站始發(fā)工作井有如下基本要求：

1)端頭井沿車站縱向長度不宜小于15.0 m(困難條件下不小于12.0 m)；端頭井處車站側(cè)墻與線路中心線間的凈距離不小于4.0 m，端頭井處中柱與線路中心線間的凈距離不小于3.8 m；TBM端頭井處車站頂板及各層樓板應(yīng)預(yù)留TBM吊裝孔，通?？卓诔叽鐬?4.5 m(長)×7.5 m(寬)。

2)端頭井段車站底板設(shè)工作槽，通常工作槽尺寸為6.3 m(長)×0.8 m(寬)×1.0 m(深)。

3)在距端頭井端頭墻后不小于135.0 m處，車站各層板預(yù)留9.0 m(長)×5.5 m(寬)出碴口。

4)需提前從明挖車站始發(fā)端墻處采用礦山法提前施作長度不小于15.0 m、洞徑不小于6.4 m的TBM始發(fā)洞，并預(yù)澆鋼筋混凝土始發(fā)導(dǎo)臺(tái)。

圖10 雙護(hù)盾TBM從明挖車站端頭井始發(fā)

Fig. 10 Double-shield TBM launching from end shaft of open-cut station

“中間井+礦山法洞室”始發(fā)(如圖11所示)需在區(qū)間合適位置設(shè)置中間井，通常該中間井采用明挖法施工，中間井凈空尺寸不小于15.0 m(長)×9.0 m(寬)，在該中間井端頭采用礦山法施作長度不小于135.0 m、洞徑不小于6.4 m的TBM始發(fā)洞，并預(yù)澆鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)。雙護(hù)盾TBM始發(fā)對(duì)中間井、始發(fā)洞的其他要求同明挖法車站始發(fā)相關(guān)要求。

圖11 雙護(hù)盾TBM從礦山法洞室始發(fā)

為使TBM能快速步進(jìn)到達(dá)始發(fā)位置，根據(jù)城軌交通區(qū)間隧道雙護(hù)盾TBM特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鋼筋混凝土始發(fā)導(dǎo)臺(tái)，并在始發(fā)導(dǎo)臺(tái)端頭采用鋼板和型鋼設(shè)計(jì)了一種可提供約5 500 kN反力的始發(fā)首環(huán)管片型鋼牛腿鎖定裝置(如圖12所示)，通過該裝置可有效保證始發(fā)段管片拼裝質(zhì)量。

圖12 型鋼牛腿與始發(fā)導(dǎo)臺(tái)斷面(單位： mm)

Fig. 12 Cross-section of shaped-steel bracket and launching guide platform (unit: mm)

4.2 到達(dá)與接收

將TBM到達(dá)貫通面前的50 m定義為到達(dá)段。TBM到達(dá)段掘進(jìn)應(yīng)采用低速度、小推力、勤糾偏，同時(shí)為防止該段管片因?yàn)門BM推力減小后發(fā)生松弛現(xiàn)象，在到達(dá)段末端10～20環(huán)管片內(nèi)弧面兩側(cè)設(shè)置管片縱向拉緊裝置，如圖13所示。

圖13 TBM到達(dá)段縱向拉緊裝置

城軌交通區(qū)間隧道雙護(hù)盾TBM接收也分為明挖車站端頭井和“中間井+礦山法洞室”2種。這2種均需在TBM到達(dá)前采用礦山法先行施作長約5.0 m、洞徑不小于6.8 m的TBM接收洞。明挖車站端頭井與中間井的其他要求同TBM始發(fā)。

4.3 過站

根據(jù)工程籌劃，1臺(tái)雙護(hù)盾TBM需連續(xù)掘進(jìn)3～4個(gè)城軌交通區(qū)間隧道，因此，雙護(hù)盾TBM通過車站(簡稱過站)是TBM隧道施工的必需工序。根據(jù)車站、區(qū)間隧道施工順序，TBM過站分為先隧后站和先站后隧2種。通常，距離始發(fā)較近的車站采用先隧后站方式，距離始發(fā)較遠(yuǎn)的車站采用先站后隧方式。

4.3.1 先隧后站

先隧后站，即先施工TBM隧道，后施工車站。根據(jù)地質(zhì)條件主要有以下2種方式：

1)掘進(jìn)過站+臨時(shí)支護(hù)。此方式主要適用于地質(zhì)條件較好的車站，雙護(hù)盾TBM直接掘進(jìn)通過車站。根據(jù)地質(zhì)條件，“臨時(shí)隧道”可全環(huán)或局部設(shè)置系統(tǒng)錨桿，掛網(wǎng)噴混凝土臨時(shí)支護(hù)，后期車站施工時(shí)將“臨時(shí)隧道”直接破除即可。

2)掘進(jìn)過站+混凝土管片支護(hù)。此方式主要適用于地質(zhì)條件較差的車站，為保證施工安全和施工工期，臨時(shí)隧道采用管片襯砌，后期車站施工時(shí)將其破除。

4.3.2 先站后隧

先站后隧，即先施工車站(或施工TBM通過條件)，TBM從車站(或預(yù)留通道)中步進(jìn)過站。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際主要有以下2種方式：

1)拼裝管片過站。TBM到達(dá)車站后繼續(xù)推進(jìn)并拼裝管片，在襯砌環(huán)外部設(shè)立管片支撐系統(tǒng)，待TBM推進(jìn)到預(yù)定位置后，再拆除車站范圍內(nèi)的管片。此方式發(fā)揮了TBM自身優(yōu)點(diǎn)，減少了牽引設(shè)備，但車站范圍內(nèi)的襯砌環(huán)及其支撐系統(tǒng)后期均需拆除，工期長、費(fèi)用高、難度大，通常不推薦采用。

2)整機(jī)空推過站。通過加寬車站外輪廓(本工程車站沿線路兩側(cè)外輪廓均加寬1.25 m)、調(diào)整車站柱網(wǎng)(本工程站臺(tái)層柱網(wǎng)至隧道中線凈距不小于3.4 m)、加深站臺(tái)層(本工程加深0.85 m)，TBM從車站站臺(tái)層直接步進(jìn)通過，此方式稱為整機(jī)直線過站，如圖14所示。為控制投資、避免全部加寬車站外輪廓，可在車站兩端設(shè)置礦山法導(dǎo)洞，并在車站兩端設(shè)置15 m的擴(kuò)大段，以滿足TBM過站要求，此方式稱為整機(jī)曲線過站，如圖15所示。由于具有良好的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)場(chǎng)大量采用整機(jī)曲線過站方式。

圖14 TBM整機(jī)直線過站示意圖

圖15 TBM整機(jī)曲線過站示意圖

由于城市環(huán)境限制，特殊情況下車站布置和施工場(chǎng)地較難落實(shí)，施工組織相互干擾，本次TBM過站也參考和借鑒了城軌交通區(qū)間盾構(gòu)隧道工程經(jīng)驗(yàn)，采用站外轉(zhuǎn)場(chǎng)、 解體牽引、礦山法導(dǎo)洞等特殊過站方式，如圖16所示。

圖16 TBM礦山法過站實(shí)景

Fig. 16 Real scene of TBM passing through station with mining method

4.4 快速施工技術(shù)

4.4.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)工程水文地質(zhì)特點(diǎn)和設(shè)備性能，本工程基本實(shí)現(xiàn)了安全、快速施工，雙護(hù)盾TBM在各級(jí)圍巖中的掘進(jìn)參數(shù)如表4所示，控制值如表5所示。采用雙護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)，每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間約為40 min，掘進(jìn)過程中進(jìn)行管片拼裝和豆礫石吹填及灌漿; 采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)，每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間約為60 min，掘進(jìn)后利用出碴進(jìn)料時(shí)間進(jìn)行管片拼裝和豆礫石吹填及灌漿。采用雙列車編組出碴進(jìn)料和豎井龍門吊提升系統(tǒng)，每環(huán)出碴進(jìn)料時(shí)間約為120 min。

表4各級(jí)圍巖TBM掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

Table 4 Statistics of TBM tunneling parameters for different classes of surrounding rock

圍巖等級(jí)掘進(jìn)模式推力/kN轉(zhuǎn)矩/(kN·m)貫入度/(mm/r)掘進(jìn)速度/(mm/min)Ⅱ雙護(hù)盾6 000～8 000600～1 1003.0～5.030～33Ⅲ雙護(hù)盾5 000～7 000500～9003.0～5.532～35Ⅳ單護(hù)盾4 000～7 000400～8003.0～6.036～39Ⅴ單護(hù)盾3 000～4 000200～5003.5～6.026～30

4.4.2 小半徑曲線施工技術(shù)

本工程包括半徑分別為320 m和350 m的2段小半徑曲線段，其中半徑為320 m的隧道長度約340 m。通過摸索、實(shí)踐和印證，總結(jié)了“姿態(tài)預(yù)偏、管曲超前、邊刀擴(kuò)挖、嚴(yán)格監(jiān)控、及時(shí)注漿”的施工控制措施(如表6所示)，實(shí)現(xiàn)并保證了雙護(hù)盾TBM在320 m和350 m小曲線半徑區(qū)段的成功掘進(jìn)。半徑320 m的雙護(hù)盾TBM隧道內(nèi)景如圖17所示。

表5 掘進(jìn)參數(shù)控制值

表6 小曲線段TBM掘進(jìn)控制措施

圖17 半徑320 m的雙護(hù)盾TBM隧道內(nèi)景

Fig. 17 Interior scene of double-shield TBM tunnel with radius of 320 m

4.4.3 穿越斷層破碎帶技術(shù)

與水工和鐵路隧道相比，埋深淺是城軌交通隧道的主要特點(diǎn)之一，因此，城軌交通隧道有條件從地表對(duì)已查明的不良地質(zhì)區(qū)段進(jìn)行注漿預(yù)加固。地表注漿預(yù)加固材料通常選擇水泥漿，特殊情況下考慮水泥-水玻璃雙液漿，注漿范圍豎向從隧道拱頂上方8 m至拱底下方2 m，橫向?yàn)樗淼兰八淼纼蓚?cè)3 m區(qū)域。

在穿越斷層破碎帶前一定距離(通常50～100 m)，需對(duì)TBM進(jìn)行全面維修保養(yǎng)[14]，以確保其以“小推力、低轉(zhuǎn)速”的良好狀態(tài)連續(xù)掘進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域；為保證不出現(xiàn)較大超挖，或及時(shí)對(duì)超挖地層進(jìn)行回填，采用龍門吊稱重系統(tǒng)對(duì)每環(huán)碴土進(jìn)行稱重計(jì)量。

4.4.4 城軌同步施工技術(shù)

為保證工期，避免車站、區(qū)間排他性施工，在車站TBM步進(jìn)過站區(qū)域設(shè)計(jì)了一種門型鋼架，該門型鋼架可滿足TBM區(qū)間和車站主體結(jié)構(gòu)同步施工的要求，如圖18所示。

圖18 TBM區(qū)間、車站同步施工現(xiàn)場(chǎng)

Fig. 18 Synchronized construction site of TBM section and station

5 結(jié)論與體會(huì)

青島地鐵2號(hào)線Ⅰ期工程泰山路站—芝泉路站、高雄路站—海安路站8個(gè)區(qū)間共采用4臺(tái)緊湊型雙護(hù)盾TBM施工，雙護(hù)盾TBM于2015年3月至7月陸續(xù)始發(fā)，分別于2016年8月至12月洞通，最高日進(jìn)尺22.5 m，最高月進(jìn)尺381 m。本工程為我國城軌交通領(lǐng)域首個(gè)雙護(hù)盾TBM區(qū)間隧道工程項(xiàng)目，不僅實(shí)現(xiàn)了多種形式的始發(fā)、到達(dá)和轉(zhuǎn)場(chǎng)，還成功穿越了斷層破碎帶，近距離下穿了城區(qū)房屋以及人防洞室，實(shí)現(xiàn)了320 m小曲線半徑掘進(jìn)等特殊工況，正常掘進(jìn)期間設(shè)備完好率達(dá)到90%，為雙護(hù)盾TBM在城軌交通工程中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。主要結(jié)論與體會(huì)如下：

1)巖質(zhì)地層城軌交通隧道工程采用雙護(hù)盾TBM施工切實(shí)可行，且具有施工環(huán)境優(yōu)良、速度快、安全性高等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

2)由于城軌交通隧道工程所處特殊城市環(huán)境、工程地質(zhì)特征和自身特點(diǎn)，城軌區(qū)間雙護(hù)盾TBM設(shè)備宜重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的緊湊化、模塊化與集約化；土建設(shè)計(jì)施工宜對(duì)始發(fā)、到達(dá)、過站、快速施工、特殊工程措施、施工組織等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性研究與創(chuàng)新；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜與設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)施工配套，并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)與創(chuàng)新。

3)埋深淺是城軌交通隧道的主要特點(diǎn)之一，斷層破碎帶、上土下巖不可避免，而TBM敞開式刀盤不具備保壓性，目前不良地質(zhì)段均優(yōu)先考慮從地表進(jìn)行預(yù)加固處理，但在城市繁華區(qū)域及交通敏感地段實(shí)施條件均較難保證。因此，如果能從區(qū)間隧道內(nèi)部采取有效措施確保斷層破碎帶、上土下巖、復(fù)雜環(huán)境區(qū)段的安全，無疑是巖質(zhì)地層城軌交通區(qū)間隧道下階段的發(fā)展方向，具體可考慮在TBM基礎(chǔ)上增補(bǔ)復(fù)合式盾構(gòu)功能或進(jìn)行雙模設(shè)計(jì)。