地鐵隧道施工TBM 工法應(yīng)用策略研究

闞京秋，楊智明

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

0 引言

城市化發(fā)展推動(dòng)了交通工程的優(yōu)化，與此同時(shí)，當(dāng)前社會(huì)人口激增，交通需求也相對(duì)增加，地鐵隧道工程已經(jīng)成為城市化工程領(lǐng)域的重要組成部分。地鐵隧道施工面臨的主要問題是周邊基礎(chǔ)設(shè)施較多，對(duì)社會(huì)影響較大，因此，優(yōu)化地鐵施工方式已經(jīng)成為地鐵工程的研究重點(diǎn)。而TBM 工法憑借適應(yīng)性強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，針對(duì)部分復(fù)雜的地鐵隧道工程有著較好的應(yīng)用效果。另外，通過分析該工法與其他種類施工方法的差異性，并解析不同類型TBM 設(shè)備的應(yīng)用效率，是當(dāng)前優(yōu)化地鐵隧道施工的首要任務(wù)。

1 地鐵隧道施工工法比較分析

當(dāng)前，我國(guó)針對(duì)地鐵隧道的施工主要選取明挖法和暗挖法，其中，明挖法適用于埋藏較淺的地鐵結(jié)構(gòu)，且施工環(huán)境較為簡(jiǎn)單，沒有復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物的影響，因此明挖法的施工效率較高且成本較低，其主要針對(duì)整體結(jié)構(gòu)為混凝土矩形框架的地鐵隧道。暗挖法則適用于地鐵結(jié)構(gòu)埋層較深的工程，其地面的基礎(chǔ)設(shè)施和交通設(shè)施較多，大規(guī)模的施工會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響，同時(shí)工程所面臨的地形結(jié)構(gòu)以及施工難度較大，暗挖法對(duì)于地面建筑的影響小，能夠靈活應(yīng)對(duì)不同的施工情況。本文著重討論的TBM 工法便是暗挖法中的一種形式，因此，著重分析暗挖法系列下的不同工法，可進(jìn)一步凸顯TBM 施工法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用情況。

1.1 礦山施工法

礦山施工法的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋核淼澜Y(jié)構(gòu)埋層比較深，整個(gè)巖體具有自穩(wěn)能力，同時(shí)隧道巖體性質(zhì)較為堅(jiān)硬。該施工方法已形成較為成熟的技術(shù)體系，能夠靈活應(yīng)對(duì)堅(jiān)固巖層中的不同問題，且投資較少，可以在實(shí)際施工中隨時(shí)改變施工方案。但是從該種工法的實(shí)際應(yīng)用情況來看，工法本身有較高的風(fēng)險(xiǎn)，而且在市中心等建筑物較為密集的區(qū)域進(jìn)行施工，對(duì)周圍居民的干擾較大，同時(shí)也會(huì)影響基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和工期。

1.2 盾構(gòu)施工法

盾構(gòu)施工法是當(dāng)前地鐵隧道暗挖技術(shù)中較為先進(jìn)的施工方法之一。其具備較快的施工速度，施工產(chǎn)生的噪聲污染較小，對(duì)于地面的振動(dòng)幅度也不強(qiáng)，因此能夠較大程度地減少地鐵隧道施工對(duì)周邊環(huán)境和居民生活的影響。該種施工方法具有較強(qiáng)的隱蔽性，大部分依靠機(jī)械化施工，勞動(dòng)強(qiáng)度要求較低，適合在軟弱地層進(jìn)行隧道施工，對(duì)于巖石層則缺乏較好的施工效果。

1.3 TBM 施工法

TBM 施工方式主要依靠全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，能夠有效應(yīng)對(duì)巖層隧道施工環(huán)境中出現(xiàn)的相關(guān)問題。這種方式最早應(yīng)用在我國(guó)的水利水電以及公路工程中，應(yīng)用于地鐵隧道施工還不常見。我國(guó)首次應(yīng)用TBM 工法進(jìn)行地鐵隧道施工且取得較好成效的案例在重慶，工程的地下結(jié)構(gòu)巖層符合TBM 工法的施工需求。

1）掘進(jìn)速度較快 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在工作過程中能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)不間斷的作業(yè)，在進(jìn)行破巖作業(yè)的同時(shí)，能夠形成出渣初期支護(hù)一體化的施工模式，因此，能夠極大程度地提高施工效率。該種方式較上述常見的礦山施工方法速度快3倍左右。

2）施工質(zhì)量有保障 利用該種方式掘進(jìn)的隧道壁較為光滑，能夠有效減少對(duì)巖層結(jié)構(gòu)的損害，從而降低支護(hù)工程量，能夠進(jìn)一步控制施工成本。

3）安全性高 該施工技術(shù)對(duì)于整體巖層結(jié)構(gòu)的干擾較小，能夠保持巖層的穩(wěn)定性，從而確保施工安全。利用該種方式施工不需要爆破，因此減少了對(duì)周圍環(huán)境和居民的干擾。同時(shí)，該施工方式在更換刀具時(shí)是在刀盤內(nèi)更換，操控室具有密閉性，這確保了作業(yè)的安全。

4）抗污染性強(qiáng) 其振動(dòng)幅度較小，粉塵少，噪聲小，可在居民休息期間進(jìn)行施工。

但是，TBM 工法也有缺陷，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的巖層結(jié)構(gòu)，如隧道施工中涵蓋破碎帶、涌水層、擠壓帶或者斷層時(shí)，TBM 設(shè)備的適應(yīng)性較低。而且，由于設(shè)備自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用的相關(guān)零件和原材料需要極高的耐久性，因此，采購(gòu)設(shè)備以及設(shè)備維護(hù)成本較高，投資少、工期短、工程量小的短隧道不宜采用該種方式。

2 TBM 施工法在地鐵隧道施工中的適用性分析

為進(jìn)一步解析TBM 施工法在地鐵隧道施工過程中的主要成效以及適用性，本文選取青島某地鐵隧道工程作為實(shí)際案例進(jìn)行對(duì)比分析。該工程隧道穿越的巖層結(jié)構(gòu)為中等以及輕微風(fēng)化的花崗巖層，部分工程地段的巖層為強(qiáng)風(fēng)化巖，且整體工程中的巖層結(jié)構(gòu)由煌斑巖、脈巖、碎裂巖、花崗巖等組成，工程隧道地下水的分布現(xiàn)狀主要呈現(xiàn)為孔隙水和裂隙水2 種類型。

針對(duì)整體工程的地質(zhì)環(huán)境和水文特征分析認(rèn)為：工程主要穿越了花崗巖地層，因此盾構(gòu)法以及常見的淺埋暗挖施工方法不具備應(yīng)用價(jià)值。另外，由于工程周邊的人口居住密集程度高，交通繁雜，且地面建筑物以及地下管線較多，因此礦山施工法也不運(yùn)用。根據(jù)地鐵施工工程的地質(zhì)環(huán)境需求以及施工標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合施工技術(shù)、施工安全、施工環(huán)保性等多方面因素，認(rèn)為該工程的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和施工環(huán)境與原有的重慶某工程施工情況具有交互性，因此初步?jīng)Q定采用TBM 工法進(jìn)行施工。

3 TBM 設(shè)備使用優(yōu)勢(shì)對(duì)比分析

TBM 工法是從宏觀角度來定義的，從細(xì)節(jié)上還可分為多種類型。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的主要類型分為敞開式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾3 種模式。這3 種類型的設(shè)備能夠針對(duì)不同的施工環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性施工。

3.1 敞開式類型

敞開式類型是最原始的TBM 設(shè)備，其主要利用設(shè)備自帶的支撐結(jié)構(gòu)與洞壁之間形成的力點(diǎn)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。該種類型的設(shè)備適用于巖層質(zhì)地較為堅(jiān)固的工程。如果在工程中遇到破碎巖層時(shí)，可以利用自身攜帶的鉆頭以及灌注設(shè)備進(jìn)行自主注漿，從而起到初期支護(hù)的作用。

3.2 單護(hù)盾類型

目前常見的單護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)是在傳統(tǒng)當(dāng)護(hù)盾模式上進(jìn)行改良的新型設(shè)備，主要依靠土壓平衡盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效率的巖石挖掘，對(duì)軟質(zhì)巖層以及硬質(zhì)巖層均有較好的掘進(jìn)效率。在掘進(jìn)過程中可以利用管片進(jìn)行初期襯砌。

3.3 雙護(hù)盾類型

當(dāng)前使用的雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)增加了出砟系統(tǒng)，在螺旋器以及噴錨支護(hù)系統(tǒng)的合作下，可以在掘進(jìn)過程中將廢料運(yùn)送出來，并且能夠通過管片或者復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行襯砌。經(jīng)過改良后的雙護(hù)盾類型TBM 掘進(jìn)機(jī)具備了其他2 種形式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)軟硬地層均可進(jìn)行高效率的施工。

3.4 TBM 工法施工效果對(duì)比

我國(guó)曾經(jīng)利用雙護(hù)盾類型的TBM 設(shè)備建設(shè)新疆、青海等地區(qū)的引水工程和鐵路工程，并且取得了較好的施工成效。因此，利用該種設(shè)備進(jìn)行青島某地鐵隧道工程施工具有可行性。

綜合青島某地鐵隧道工程的實(shí)際施工情況以及施工難度進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)合上述3 種類型的TBM 掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，最終發(fā)現(xiàn)，敞開式的TBM 設(shè)備在先洞后站的施工作業(yè)中能夠取得較大的優(yōu)勢(shì)，但是青島某地鐵隧道工程的前期規(guī)劃為車站與隧道工程同時(shí)作業(yè)，因此敞開式的掘進(jìn)機(jī)在組裝和拆卸過程中對(duì)外界影響較大，且造價(jià)較高。因此，該類型設(shè)備的使用價(jià)值具有一定的局限性。

而經(jīng)過改良后的單護(hù)盾類型的TBM 設(shè)備，雖然能夠在施工過程中進(jìn)行同步的管片襯砌，但是由于該種施工模式較為單一，一旦遇到微風(fēng)化類型的花崗巖結(jié)構(gòu)時(shí)，該種設(shè)備利用管片襯砌的效果較差，且會(huì)花費(fèi)較多的施工費(fèi)用。

而利用雙護(hù)盾的改良型TBM 設(shè)備進(jìn)行施工時(shí)，由于其具備敞開式施工模式以及土壓平衡施工模式，可以針對(duì)不同風(fēng)化類型的巖層進(jìn)行掘進(jìn)，也能夠檢測(cè)巖層自身的承重能力，利用模筑襯砌方式進(jìn)行支護(hù)施工，而土壓平衡模式則可以實(shí)現(xiàn)管片襯砌。因此，利用雙護(hù)盾TBM 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)對(duì)于青島某工程地鐵隧道施工具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

地鐵隧道工程是我國(guó)城市化建設(shè)和交通工程建設(shè)的重點(diǎn)，而TBM 施工工法已經(jīng)成為當(dāng)前地鐵隧道施工中最受歡迎的施工技術(shù)。本文通過對(duì)幾種施工工法以及TBM 設(shè)備類型和應(yīng)用成效進(jìn)行分析后得出，3 種類型的TBM 掘進(jìn)機(jī)適用于不同類型的地鐵隧道工程，相關(guān)工程單位需要結(jié)合實(shí)際工程的巖層性質(zhì)和水文條件選擇適合的TBM 技術(shù)，才能充分發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值，進(jìn)一步提升地鐵隧道工程的建設(shè)效率。