青島地鐵1號線過海隧道工程雙護盾隧道掘進機應用關鍵技術

趙光泉 劉 鵬 周 強 程 龍 張 巖 王萬仁

(1. 青島市地鐵一號線有限公司， 266101， 青島； 2. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 300308， 天津；3. 中鐵二十二局集團有限公司， 100043， 北京∥第一作者， 正高級工程師)

青島市屬于土巖二元復合地層，該類地層整體呈“上軟下硬”的特點，第四系覆蓋層較薄，其下為中-微風化巖層。在青島地鐵初期建設時，區(qū)間隧道多采用鉆爆法施工，爆破擾民、工效低等問題突出。為解決上述問題，從地鐵2號線開始，引入了TBM(隧道掘進機)施工技術。TBM通常用于山嶺隧道、引水隧洞的施工[1-3]，在城市軌道交通領域的應用較少。文獻[4-6]結合TBM在青島地鐵2號線的應用情況，研究分析了青島地鐵區(qū)間隧道雙護盾TBM的地質適應性；文獻[7]結合雙護盾TBM在地鐵工程中的應用，對TBM過站、下穿建筑物等技術進行了探討；文獻[8]對重慶地區(qū)復合式TBM的應用情況進行了總結，為后續(xù)工程建設提供了借鑒和參考。文獻[9]針對巖石地層地鐵隧道的特殊性，對TBM的改造設計進行了研究。TBM在城市軌道交通領域的應用起步較晚，相關理論研究及技術經驗不足。盡管上述研究成果對地鐵工程中TBM的技術應用進行了一定的研究和總結，但對于近海區(qū)域TBM穿越斷層破碎帶、TBM洞內翻渣技術等鮮有涉及，相關的施工經驗及理論成果較少。

1 工程概況

1.1 隧道總體設計

青島地鐵1號線瓦屋莊站—貴州路站區(qū)間隧道全長約8.08 km，其中海域段長度約3.43 km。本工程為國內首條跨海地鐵區(qū)間隧道，其中:瓦屋莊站至3號風井區(qū)段采用礦山法施工，3號風井至貴州路站區(qū)段采用TBM施工。隧道平面如圖1所示。

圖1 青島地鐵1號線過海隧道平面圖

區(qū)間線路出瓦屋莊站后下穿窟窿山，過2號區(qū)間風井后以直線形式過海。在團島鼻嘴登陸后，區(qū)間線路沿青島老城區(qū)敷設。3號風井至貴州路站區(qū)段隧道沿線下穿紅山峽路、觀音峽路等市政道路及居民區(qū)、軍事管理區(qū)，沿線的地面構筑物主要為住宅樓及軍用、民用設施，建筑物多為毛石條形基礎結構，對爆破振動及地層變形敏感。

1.2 工程地質概況

3號風井至貴州路站區(qū)段隧址區(qū)為濱海堆積地貌，經人工處理后地勢平坦。該區(qū)段上部覆蓋層主要為人工填土，下伏基巖以花崗巖為主，局部發(fā)育輝綠巖脈，勘察期間揭露有f1-3斷層破碎帶。

采用TBM技術施工的隧道段，其地質縱斷面如圖2所示。隧道洞身主要穿越微風化凝灰?guī)r、中-微風化花崗巖地層，其中：中風化巖單軸飽和抗壓強度為12.7～45.2 MPa；微風化巖單軸飽和抗壓強度為56.5～152.0 MPa。

圖2 TBM施工隧道段地質縱斷面圖

2 設備選型

TBM分為單護盾、敞開式和雙護盾。其中：單護盾TBM適用于軟弱圍巖施工；敞開式TBM適用于自穩(wěn)性較好巖層施工；雙護盾TBM對軟弱圍巖及自穩(wěn)性較好圍巖均有較好的適用性。

根據3號風井至貴州路站區(qū)段的工程地質條件，敞開式TBM及雙護盾TBM均可適應本工程。敞開式TBM一般配套采用復合式襯砌結構，TBM掘進完成后需要進行模筑襯砌施工，隧道整體成洞的效率偏低。雙護盾TBM既可以采用敞開模式掘進，實現拼裝管片與掘進的同步作業(yè)，在遭遇不良地層時還可轉換為單護盾模式掘進，在護盾保護下進行掘進及管片拼裝作業(yè)，保障施工安全。另外，該區(qū)段隧道沿青島老城區(qū)掘進，沿線下穿軍事管理區(qū)及大量建筑物，因此對地面沉降敏感。與敞開式TBM相比，雙護盾TBM施工完成后及時進行永久支護，安全度高。綜合以上因素，雙護盾TBM在本項目施工中具有較明顯的技術優(yōu)勢。

3 雙護盾TBM管片成型控制技術

管片拼裝控制不當易造成管片局部擠壓碎裂、防水失效等質量問題，尤其是近海富水地層，管片拼裝質量差造成嚴重的結構滲漏水，因而控制管片的拼裝質量是TBM掘進施工的重難點。

3.1 管片拼裝

本工程采用的雙護盾TBM設備，其盾尾內徑為6 090 mm，管片外徑為6 000 mm，管片與盾尾理論間隙為45 mm。為保證盾尾處管片的拼裝質量，盾尾內部焊接45 mm方鋼，方鋼沿盾尾下部90°范圍內的環(huán)向間距為1.0 m，長度為1.5 m。

管片拼裝過程中分3次進行管片緊固：每環(huán)管片初步拼裝成環(huán)時進行第1次螺栓緊固；在管片脫出盾尾前進行第2次緊固；在脫出盾尾后、豆礫石灌漿施工前完成第3次緊固。通過3次緊固控制管片的變形，保障拼裝質量。

3.2 管片壁后注漿

本工程雙護盾TBM開挖直徑為6 300 mm，管片外徑為6 000 mm，管片與圍巖建筑間隙為150 mm。采用TBM施工的隧道洞身主要位于巖石地層，洞身圍巖自穩(wěn)性相對較好，地層難以形成對管片結構的環(huán)箍作用，不利于管片成型控制。

為保障拼裝后管片穩(wěn)固，施工時在管片脫出盾尾后及時進行吹填豆礫石，盡快為管片穩(wěn)固提供支撐力，以限制管片結構的進一步變形。吹填豆礫石完成后進行管片背后注漿，進一步提高管片壁后的回填密實度和強度。

雙護盾TBM無盾尾密封設計，且隧道開挖面為敞開狀態(tài)，這為隧道壁后注漿施工帶來困難。為提高管片壁后充填密實度，注漿施工按照分段注漿、多次注漿原則實施。將每10環(huán)管片劃分為1個注漿段，每個注漿段設置止?jié){環(huán)箍，止?jié){環(huán)箍沿縱向長度覆蓋2～3環(huán)管片。施工時，在地下水豐富、圍巖破碎段應適當縮短注漿段長度，確保注漿質量。每個注漿段兩端注漿環(huán)箍完成后進行中間段落定域注漿。每環(huán)管片的壁后注漿按照自下而上、左右對稱進行，注漿順序為1→2→3→4→5→6，如圖3所示。

注：數字表示注漿點位

止?jié){環(huán)為水泥-水玻璃雙液漿。該雙漿液采用P.O 42.5等級的水泥以及波美度為29 ～37 °Be、密度為1.25～1.35 g/cm3的水玻璃，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。止?jié){環(huán)間采用水灰比為0.75的普通水泥漿填充注漿，水泥漿和水玻璃的體積比為1∶1，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。

4 雙護盾TBM穿越不良地層施工的關鍵技術

根據地質勘察資料，f1-3斷裂破碎帶從本段區(qū)間穿過，影響區(qū)范圍約160 m。受斷層破碎帶影響，隧址區(qū)地下水發(fā)育、圍巖破碎，雙護盾TBM穿越施工時易發(fā)生坍塌、涌水及卡機等事故。

4.1 地面注漿加固

本工程雙護盾TBM設備預留了超前鉆注設備接口，但由于設備空間有限，施工時需對設備改裝后方可投入使用，工序繁瑣。此外，受設備預留接口間距、傾角限制，難以對掌子面前方不良地質體進行系統(tǒng)加固。本工程距離海岸線較近，地下水較豐富，易發(fā)生涌水事故，故施工風險極大。為此，選用地面注漿方案，對不良地質段進行系統(tǒng)加固處理，加固范圍為隧道開挖線外3 m，如圖4所示。

尺寸單位：mm

地面加固段隧道拱頂埋深約為30 m，若采用常規(guī)的注漿方案，漿液擴散隨機性強，加固效果不佳，TBM施工仍存在安全隱患?；谏鲜鲆蛩兀緟^(qū)段地面加固采用了膜袋注漿工藝自上而下前進式注漿，通過采用定域注漿管實現注漿過程的精細化控制。

4.2 超前地質預報

TBM掘進施工前，采用激發(fā)極化法和三維地震法進行超前地質探測，結合探測結果判斷TBM掘進可行性，制定應急處理措施。

4.2.1 激發(fā)極化超前地質探測

激發(fā)極化法是根據施加電場作用下圍巖傳導電流的分布規(guī)律，推斷探測區(qū)域電阻率的分布情況和地質情況。通過在掌子面布置一定數量的電極，按照一定的序列，自動供入直流電、測量電極，測量2個電極間的電勢差，從而計算出視電阻率剖面。通過反演計算，可得到探測區(qū)域圍巖的電阻率剖面，含水構造表現為低電阻率，完整圍巖表現為高電阻率。

采用激發(fā)極化法對隧道掌子面前方30 m范圍地質情況進行超前探測，其典型探測結果如圖5所示，其中：坐標原點為掌子面中心位置；x方向表示垂直方向；y方向表示掌子面寬度方向；z方向表示開挖方向。反演區(qū)域為y(-10 m，10 m)、x(-10 m，10 m)，掌子面區(qū)域坐標為y(-3 m，3 m)、x(-3 m，3 m)。通過激發(fā)極化的成像結果判別圍巖質量、含水情況等，為雙護盾TBM的掘進施工提供參考。

a) 三維成像圖

4.2.2 三維地震超前地質探測

三維地震法的基本原理在于當地震波遇到聲學阻抗差異界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質。當地震波從軟巖傳播到硬質圍巖時，回波的偏轉極性和波源是一致的；當巖體內部有破碎帶時，回波的極性會反轉。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，回波就越明顯。通過地震波反射分析，可判別隧道工作面前方地質體的性質(如軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模。

采用三維地震法對隧道掌子面前方100 m范圍地質情況進行超前探測，其典型探測結果如圖6所示。通過對地層地震波反射成像結果的分析，判別圍巖破碎情況，以及節(jié)理發(fā)育帶的分布位置，為TBM施工提供指導。

目前，在激發(fā)極化法和三維地震法探測結果的指導下，雙護盾TBM已完成了該區(qū)段斷層破碎帶的穿越施工，未發(fā)生卡機、坍塌等事故。

圖6 三維地震超前探測結果截圖

5 雙護盾TBM快速出渣技術

5.1 方案提出的工程背景

本工程區(qū)間正線上方不具備設置TBM工作井的條件，需利用3號區(qū)間風井作為TBM的吊裝井。如圖7所示，TBM由3號風井吊裝，利用暗挖風道平移至正線，然后向貴州路站方向掘進。

常規(guī)盾構、TBM大多在正線上方設置工作井，由龍門吊提升出渣。本工程若利用區(qū)間豎井出渣，渣土斗需通過風道平移后再通過豎井垂直提升倒渣，工序繁瑣、效率極低。另外，TBM始發(fā)端的軌面埋深超過50 m，垂直提升高度很大，因而需要采用其他方法出渣。

圖7 雙護盾TBM始發(fā)端平面布置圖

5.2 洞內翻渣技術

TBM出渣效率是影響TBM掘進工效的主要因素之一。為提高本工程雙護盾TBM的掘進速度，研發(fā)并應用了TBM的洞內翻渣系統(tǒng)，如圖8所示。

a) 翻渣臺旋轉翻渣

b) 皮帶機倒渣

根據洞內翻渣系統(tǒng)的安裝需求，首先要對隧道底板進行局部擴挖，擴挖區(qū)域結構的深度、寬度、長度分別為3.7 m、9.9 m、22.0 m；然后在擴挖區(qū)域內安裝翻渣臺和皮帶機系統(tǒng)。TBM單循環(huán)掘進完成后，電瓶車將渣斗牽引至翻渣臺，并通過翻渣臺傾倒渣土至渣倉；皮帶機將渣倉內渣土傳輸至自卸汽車，最后通過施工斜井將渣土運輸至洞外。洞內翻渣期間，可利用3號風井同步進行管片、豆礫石、注漿材料的裝載。

根據青島地鐵2號線的施工經驗[10]，單節(jié)渣車垂直提升出渣的平均時間約為15 min；每4節(jié)渣車為一個工作循環(huán)，則一個工作循環(huán)內垂直提升出渣時間約為60 min。本工程渣車需先平移再由豎井垂直提升，出渣耗時更長，一個工作循環(huán)的出渣時長約為80 min。而采用洞內翻渣系統(tǒng)后，完成一個工作循環(huán)的出渣時間約為35 min，施工效率提升1倍。

6 結語

1) 雙護盾TBM基本能夠適應青島地區(qū)土體的地質特征，與單護盾TBM、敞開式TBM相比，雙護盾TBM的技術優(yōu)勢較明顯。

2) 雙護盾TBM用于巖石地層隧道施工時，因管片與地層的間隙大，地層對管片的環(huán)箍作用差。通過采用豆礫石、水泥漿等復合材料，以及環(huán)箍分段注漿工藝成套技術，能夠較好地控制管片成型質量。

3) 不良地質體長期以來限制了TBM的推廣應用。特別對于濱海大埋深、富水地層等地質情況，注漿加固效果難以保障，隧道突發(fā)涌水、卡機等施工事故的概率與危害程度更大。本文提出采用地面精細化控制注漿和超前地質預報等輔助措施，有效地保障了濱海地區(qū)TBM穿越構造破碎帶時的施工安全。

4) TBM出渣效率嚴重制約其工效的發(fā)揮。本工程創(chuàng)新性地提出了TBM洞內翻渣技術，其工效較常規(guī)出渣方案提高1倍。這是洞內翻渣技術系統(tǒng)在城市軌道交通領域首次使用，為復雜地質條件下TBM的高效施工提供了新思路，具有良好的推廣價值。