青島地鐵1號線雙護盾TBM施工技術(shù)創(chuàng)新

郭 志，曲秋芬，樊治國，劉桂濤，路效峰，宮迎雷

(1. 中船重工(青島)軌道交通裝備有限公司，山東 青島 266111；2. 隆美新型復(fù)合材料(青島)制造有限公司，山東 青島 266108)

0 引言

雙護盾TBM在青島地鐵2號線一期工程成功應(yīng)用以來，后續(xù)在青島地鐵1、4、6、8號線及深圳地鐵6、8、10號線等城軌交通區(qū)間隧道得到進一步推廣。隨著雙護盾TBM在巖質(zhì)地層城市軌道交通隧道工程的進一步應(yīng)用，各種新的問題及工況也不斷涌現(xiàn)，需結(jié)合具體工況及雙護盾TBM的結(jié)構(gòu)和功能深入研究特殊工況下的設(shè)備始發(fā)、掘進、過站等技術(shù)，充分發(fā)揮雙護盾TBM施工技術(shù)的優(yōu)勢。

目前，關(guān)于雙護盾TBM應(yīng)用于巖質(zhì)地層城軌交通領(lǐng)域的施工技術(shù)探討較多，文獻[1-3]介紹了雙護盾TBM應(yīng)用于城軌交通區(qū)間隧道工況下的針對性設(shè)計及應(yīng)用效果；文獻[4]系統(tǒng)論述了城軌交通區(qū)間隧道雙護盾TBM 始發(fā)、到達、過站、轉(zhuǎn)場、快速施工等土建技術(shù)方案；文獻[5]針對城軌交通區(qū)間隧道小半徑曲線和破碎圍巖條件下的雙護盾TBM掘進作業(yè)提出了施工對策和建議；文獻[6-7]對城軌交通區(qū)間隧道雙護盾TBM過站時的快速空推技術(shù)進行研究，并結(jié)合具體的工程實例對空推方案進行了詳細探討；文獻[8-9]通過研究正洞有軌運輸與斜井無軌運輸結(jié)合，利用軌線及翻車臺特殊設(shè)計實現(xiàn)城市地鐵雙護盾TBM在環(huán)境復(fù)雜、場地受限情況下的快速出碴技術(shù)；文獻[10]結(jié)合雙護盾TBM在深圳地區(qū)的應(yīng)用需求,研究雙護盾TBM 在深圳地鐵施工中存在的問題及對策；文獻[11-12]對城軌交通復(fù)雜周邊地質(zhì)環(huán)境下的雙護盾TBM分體始發(fā)技術(shù)進行了研究并成功實施。

以上文獻對目前雙護盾TBM在巖質(zhì)地層城軌交通工程中遇到的工況進行了應(yīng)用研究和總結(jié)，但未涉及在始發(fā)場地不具備施作始發(fā)洞條件、雙線小凈距隧道掘進等特殊工況下的雙護盾TBM施工技術(shù)。本文以青島地鐵1號線為背景，結(jié)合隧道施工過程中遇到的新工況和新問題，研究雙護盾TBM特殊工況下的負環(huán)始發(fā)技術(shù)、雙線小凈距隧道掘進技術(shù)和“踩高蹺”過站技術(shù)，以期為后續(xù)工程提供新的實踐經(jīng)驗。

1 工程概況

青島地鐵1號線是跨海連接青島主城區(qū)和西海岸新區(qū)的重要通道，線路全長約60 km，南起西海岸新區(qū)峨眉山路站，北至城陽區(qū)東郭莊站，共設(shè)40座車站，均為地下站，其中換乘車站12座。青島地鐵1號線線路見圖1。

圖1 青島地鐵1號線線路示意圖

青島地鐵1號線全線區(qū)間隧道總長約50.9 km，采用機械化掘進的區(qū)間總長約35.8 km，占1號線區(qū)間全長約70%，其中TBM區(qū)間約17.0 km，包括人民廣場站—薛家島站、(團島)貴州路站—青島站、青島站—海泊橋站、海泊橋站—水清溝站、勝利橋站—青島北站等15個區(qū)間，如圖1黑色線條部分所示。區(qū)間平面曲線半徑最小為350 m,隧道拱頂埋深8～55 m，基巖主要為燕山晚期侵入花崗巖、花崗斑巖、煌斑巖巖脈及少量閃長巖、石英二長巖、輝綠巖等。微風化巖石單軸抗壓強度為18.60～150.74 MPa,中風化巖石單軸抗壓強度為14.40～40.69 MPa；強、中風化巖石裂隙較發(fā)育；巖石石英體積分數(shù)為20%～40%，耐磨性多為強—極強；地下水為第四孔隙水和基巖裂隙水，富水性較差，但局部構(gòu)造發(fā)育處地下水較豐富。

2 TBM設(shè)備綜述

青島地鐵1號線15個TBM區(qū)間掘進采用8臺雙護盾TBM，其中,4臺為青島地鐵2號線既有設(shè)備，4臺為新造設(shè)備。既有的4臺設(shè)備為滿足青島地鐵1號線連續(xù)皮帶機出碴需求，對后配套進行了適應(yīng)性改造，主要包括為滿足連續(xù)皮帶出碴條件下整體掘進效率的提升，增強了雙護盾TBM后配套區(qū)域物料供給及存儲能力，壁后回填能力，增加與連續(xù)皮帶機接口等。新造設(shè)備主要針對施工單位的使用習慣，盾體的糾滾方式在既有的V型布置主推缸基礎(chǔ)上豐富了平行布置主推缸+轉(zhuǎn)矩臂的設(shè)計方案。2種盾體糾滾方式(見圖2)均能實現(xiàn)防止盾體滾動及在滾動發(fā)生后糾滾至允許范圍的功能，區(qū)別在于采用V型布置的主推油缸既可以為設(shè)備掘進提供推力，又可以通過調(diào)節(jié)奇數(shù)偶數(shù)缸的行程差實現(xiàn)盾體糾滾功能，可節(jié)約主機內(nèi)部空間，進而為主機內(nèi)部維護保養(yǎng)及清碴工作提供便利，但對操作手技能水平要求較高；采用平行布置主推缸+轉(zhuǎn)矩臂的盾體糾滾方案比較便于操作，但是增加的轉(zhuǎn)矩臂侵占了部分主機內(nèi)部空間。

(a) V型布置主推缸

(b) 平行布置主推缸+轉(zhuǎn)矩臂

本工程雙護盾TBM刀盤開挖直徑6 300 mm，配置41把48.26 cm(19英寸)滾刀，具備半徑擴挖50 mm的能力；整機裝機功率4 700 kV·A，刀盤驅(qū)動功率2 205 kW，額定/脫困轉(zhuǎn)矩2 850 kN·m/5 700 kN·m；主推最大推力24 000 kN，輔推最大推力45 000 kN；主機長度約為12 m，可實現(xiàn)最小曲線半徑250 m掘進。隧道支護方式為管片襯砌；既有TBM改造為連續(xù)皮帶機出碴，新制TBM為有軌運輸出碴。

3 雙護盾TBM施工技術(shù)創(chuàng)新

3.1 負環(huán)始發(fā)技術(shù)

城軌交通隧道雙護盾TBM有明挖車站端頭井始發(fā)和區(qū)間中間井始發(fā)2種工況。因雙護盾TBM掘進過程中主推油缸的反推力和刀盤旋轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)矩均由撐靴撐緊洞壁提供，故設(shè)備始發(fā)時需從始發(fā)井端墻處采用礦山法提前施作始發(fā)洞，始發(fā)洞長度一般不小于主機長度；區(qū)間中間井始發(fā)工況需同時考慮TBM始發(fā)洞及始發(fā)導(dǎo)洞，總長度一般不小于整機長度。

青島地鐵1號線廣饒路站—臺東站區(qū)間雙護盾TBM從大里程臺東站始發(fā)向小里程廣饒路站掘進。臺東站為1號線與2號線的換乘站，雙護盾TBM完成上一區(qū)間掘進抵達該站時，2號線臺東站施工尚未完成，無法提供廣臺區(qū)間礦山法施作始發(fā)洞的場地條件，且受地質(zhì)及周邊環(huán)境影響，交叉作業(yè)施作礦山法始發(fā)洞存在較大的安全風險，停機等待場地條件具備耗時較長，無法滿足1號線洞通的工期要求。因此，探索采用負環(huán)管片始發(fā)的方案并從以下3個方面研究其可行性。

3.1.1 掘進模式

雙護盾TBM具有雙護盾和單護盾2種掘進模式。雙護盾模式時由撐靴撐緊洞壁提供TBM掘進反力，隧道掘進和管片拼裝同步進行，作業(yè)循環(huán)為： 掘進與拼裝管片—撐靴收回換步—再支撐—再掘進與拼裝管片。單護盾模式時由輔推油缸頂緊管片端面提供TBM掘進反力，掘進完成后拼裝管片，作業(yè)循環(huán)為： 掘進—拼裝管片—再掘進[13]。雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)時，由于撐靴失去約束，支撐面無法提供TBM掘進反力，雙護盾模式無法實施；若采用單護盾模式，由于本工程雙護盾TBM未配備盾體糾滾機構(gòu)，且掘進過程中無法通過刀盤正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)盾體滾動的調(diào)整，存在主機滾動超限導(dǎo)致始發(fā)失敗的風險。根據(jù)雙護盾TBM的結(jié)構(gòu)特點，擬采用單+雙護盾混合模式掘進，即在程序中將撐靴部分的檢測條件進行短接，撐靴不伸出、不工作，隧道掘進所需推力由主推油缸提供，掘進反力經(jīng)支撐盾由輔推缸傳遞至管片及反力架抵消；設(shè)備換步所需克服設(shè)備前進的摩擦力由輔推油缸提供，傳遞至管片及反力架抵消，換步完成后拼裝管片，作業(yè)循環(huán)為： 掘進—換步—拼裝管片—再掘進。

3.1.2 掘進參數(shù)

雙護盾TBM采用單+雙護盾混合模式負環(huán)始發(fā)時，掘進參數(shù)的選擇既需滿足破巖能力又不至于產(chǎn)生太大的掘進反力，以免造成反力架變形損壞和整機滾轉(zhuǎn)；掘進速度及刀盤轉(zhuǎn)速不宜太快，盡量減少對始發(fā)地層的擾動，避免坍塌事故發(fā)生。經(jīng)計算[14]，反力架可承受的推力為5 000 kN，前盾發(fā)生滾轉(zhuǎn)的臨界轉(zhuǎn)矩值為945 kN·m，以此作為邊界條件同時結(jié)合始發(fā)段地質(zhì)情況及既有施工經(jīng)驗，雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)時參數(shù)選擇見表1。

表1 雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)掘進參數(shù)

3.1.3 姿態(tài)控制及整機防滾動措施

雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)前應(yīng)控制好反力架和始發(fā)基座的安裝精度，以保證TBM的初始空間姿態(tài)正確。始發(fā)過程中通過導(dǎo)向系統(tǒng)反饋的TBM姿態(tài)數(shù)據(jù)實時調(diào)整各分區(qū)主推缸的壓力，進而調(diào)整TBM相對隧道設(shè)計軸線的上、下、左、右及俯仰趨勢。因TBM掘進時刀盤只能單向旋轉(zhuǎn)，故機器的滾動調(diào)節(jié)無法通過正反轉(zhuǎn)刀盤實現(xiàn)，需通過控制刀盤轉(zhuǎn)矩和在盾體左右兩側(cè)施加臨時斜撐的方式來防止整機滾動。綜上所述，雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)方案可行，始發(fā)流程見圖3。

圖3 雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)流程圖

雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)過程緩慢掘進，推力控制在4 000 kN左右，轉(zhuǎn)矩控制在300 kN·m左右，刀盤轉(zhuǎn)速2 r/min。初始2環(huán)負環(huán)管片拼裝用時較長，平均1環(huán)用時0.5 d，通過在管片外側(cè)與尾盾內(nèi)壁間墊板條的方式保證盾尾間隙，并采用臨時固定措施保證不下垂；拼裝成環(huán)后通過環(huán)向螺栓固定，所有輔推缸緩慢伸出，將整環(huán)管片后推至反力架并由縱向螺栓聯(lián)接；首環(huán)負環(huán)管片脫離盾殼時，始發(fā)基座導(dǎo)軌與負環(huán)管片外表面之間的空隙內(nèi)打入木楔子以支撐負環(huán)，同時用鋼絲繩或手拉環(huán)鏈葫蘆箍緊負環(huán)管片外表面以提高其剛度。拼裝2環(huán)負環(huán)后刀盤抵達掌子面，后續(xù)過程重復(fù)掘進—換步—拼裝管片—再掘進作業(yè)，每1.5 m行程掘進平均用時2 h左右，負環(huán)始發(fā)掘進前期需頻繁停機，人工進入掌子面切割端頭加固錨索；換步用時10 min以內(nèi)，后續(xù)負環(huán)管片拼裝用時2 h以內(nèi)。為安全起見，該模式掘進距離至少大于主機長度后方可轉(zhuǎn)換為雙護盾模式，實現(xiàn)掘進和管片拼裝同步進行，且結(jié)合具體地質(zhì)和端頭加固情況，適當延長單+雙護盾混合模式掘進距離。

雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)現(xiàn)場見圖4。掘進過程根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)實時調(diào)整TBM姿態(tài)，成洞軸線與隧道設(shè)計軸線偏差控制在±40 mm，掘進10 m后盾殼滾轉(zhuǎn)角2°左右。管片拼裝完成脫出尾盾后人工復(fù)測管片數(shù)據(jù)可知： 負環(huán)管片拼裝質(zhì)量較差，錯臺接近10 mm；進入TBM掘進段后，隨著豆礫石回填及時跟進，管片拼裝質(zhì)量趨于穩(wěn)定，環(huán)內(nèi)、環(huán)間錯臺不超過5 mm，管片橢圓度小于±5‰，拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范[15]要求。本項目雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)從首環(huán)負環(huán)拼裝之日起至整機進洞用時10 d，累計掘進11.34 m，拼裝負環(huán)9環(huán)，后續(xù)轉(zhuǎn)換為雙護盾模式掘進，負環(huán)始發(fā)技術(shù)實施成功。

(a)

(b)

3.2 雙線隧道小凈距掘進技術(shù)

青島地鐵1號線西鎮(zhèn)站—青島站區(qū)間采用TBM+鉆爆法施工，其中，TBM掘進末端143 m區(qū)間隧道凈距小于6 m，左線出洞處隧道凈距最小為0.57 m，屬小凈距隧道，見圖5。小凈距段隧道埋深14.4～19.4 m，隧道洞身基本位于微風化花崗巖中，圍巖等級為Ⅱ—Ⅳ2級。

圖5 西青區(qū)間小凈距段平面圖(單位： m)

雙護盾TBM掘進過程中撐靴撐緊力15 000 kN左右，小凈距段隧道掘進存在洞壁失穩(wěn)及造成先行隧道管片結(jié)構(gòu)變形的風險，同時刀盤的擾動及姿態(tài)的調(diào)整也會對洞壁產(chǎn)生作用力，同樣存在洞壁失穩(wěn)風險。研究以下應(yīng)對措施，保證TBM小凈距段掘進安全通過。

3.2.1 選擇合理的掘進參數(shù)，控制好掘進姿態(tài)

TBM在右線先行隧道小凈距段掘進過程中，掘進參數(shù)未見異常，出碴量也在正常范圍內(nèi)，揭露的地質(zhì)情況與勘察報告基本相符。據(jù)此，TBM在左線后行隧道小凈距段掘進參數(shù)選擇見表2。掘進過程中根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)反饋的TBM姿態(tài)數(shù)據(jù)實時調(diào)整各分區(qū)主推缸的壓力，進而調(diào)整TBM相對隧道設(shè)計軸線的上、下、左、右偏差及俯仰趨勢；調(diào)整2根轉(zhuǎn)矩臂油缸伸縮量，達到防滾及滾動調(diào)節(jié)的目的；通過調(diào)整穩(wěn)定器的壓力來減少主機部分的震動，進而減少對周邊圍巖的擾動。

表2 雙護盾TBM小凈距隧道掘進參數(shù)

3.2.2 先行隧道采取臨時加固措施

小凈距段掘進過程中，通過安裝可移動式支撐臺車和利用管片內(nèi)已有注漿孔進行袖閥管注漿方式對先行隧道實施臨時加固。工藝流程為： 1)當TBM后行隧道距先行隧道凈距小于6 m時,安裝可移動式支撐臺車(見圖6(a))。此支撐臺車布置范圍為后行隧道掌子面前后各1.5環(huán)及撐靴中線前后各2環(huán)，支撐臺車縱向支撐間距為1環(huán)(1.5 m)，之間由型鋼鋼架相連，后行隧道掘進時先行隧道的支撐臺車也須同步移動。2)當TBM后行隧道與先行隧道凈距小于3 m時,在先行隧道內(nèi)利用管片內(nèi)已有注漿孔進行袖閥管注漿，注漿范圍為側(cè)向90°，開挖線外3 m，且隨著隧道凈距減小逐漸遞減，保證袖閥管不打入后行隧道(見圖6(b))。注漿漿液采用硫鋁酸鹽水泥單液漿，水灰質(zhì)量比0.8～1，并根據(jù)現(xiàn)場試驗調(diào)整； 注漿壓力0.5～1.5 MPa，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整。袖閥管注漿完畢后，注漿孔封堵采用與管片同等防水級別的混凝土填充搗實，注漿孔封堵表面光潔平整，同時做好養(yǎng)護工作。

(a) 支撐臺車

(b) 袖閥管注漿范圍

3.2.3 加強過程監(jiān)測，做好應(yīng)急預(yù)案

小凈距隧道施工過程中，要對先行隧道內(nèi)管片環(huán)向/縱向拼裝縫張開量、管片徑向收斂、管片裂縫等指標進行監(jiān)測。當監(jiān)測發(fā)現(xiàn)任一指標超限時應(yīng)停止掘進并對上述情況進行分析，查明原因并采取了針對性措施后，方可繼續(xù)掘進。在掘進過程中，如果發(fā)現(xiàn)碴樣變化、掌子面頂部或前部發(fā)生若干坍塌或小范圍的剝離、拱部或側(cè)壁發(fā)生小坍塌等情況，需將管片背后碎石填充密實并灌漿完成后，把雙護盾模式切換成單護盾模式掘進，利用輔推油缸分區(qū)壓力調(diào)節(jié)控制掘進姿態(tài)，等撐靴過了松散區(qū)域，再恢復(fù)雙護盾模式。

174 m小凈距段隧道掘進用時28 d，平均日進尺約6.2延米。注漿加固用時8 d，先行隧道安裝支撐臺車用時7 d，全程雙護盾模式掘進。通過對先行隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，管片環(huán)向/縱向拼裝縫張開量小于1 mm，管片徑向收斂無明顯數(shù)據(jù)變化，未出現(xiàn)管片裂紋及擠壓破損現(xiàn)象，小凈距段隧道掘進實施成功。

3.3 “踩高蹺”過站技術(shù)

目前城軌交通隧道TBM多采用曲線空推過站方式，空推過站又分為弧形導(dǎo)臺空推和基座空推2種方式，因TBM主機底面與后配套臺車底面之間存在高差，不論哪種空推過站方式，后配套過站時均需鋪設(shè)軌排架才能通過。過站過程中TBM主機每空推6 m停止步進，軌排架由管片吊機吊運至后配套前端鋪軌區(qū)，等間距擺放并安裝，再鋪設(shè)臺車行走軌道并與軌排架連成整體。該過程費時費力，且空推作業(yè)不連續(xù)導(dǎo)致過站效率降低；大量的軌排架鋪設(shè)無法實現(xiàn)同一項目重復(fù)利用，造成資源浪費，經(jīng)濟性較差；軌排架的運輸、鋪設(shè)及后續(xù)人員、設(shè)備通過過程中還存在安全風險。

青島地鐵1號線衡山路站總長532.4 m(包括302.4 m折返線)，為實現(xiàn)快速過站并降低施工成本，施工單位與設(shè)備廠家聯(lián)合研究并實施了后配套臺車“踩高蹺”過站技術(shù)，即過站時在臺車輪組與臺車結(jié)構(gòu)本體之間增加預(yù)制鋼支腿彌補TBM主機底面與后配套臺車底面之間的高差，從而實現(xiàn)無需軌排架，后配套直接在站內(nèi)底板鋪軌通過； 過站結(jié)束再次始發(fā)時，拆除鋼支腿并恢復(fù)臺車輪組與臺車結(jié)構(gòu)本體的連接?！安雀哕E”過站過程中，TBM主機通過基座空推方式前進，每空推前進6 m，在連接橋鋪軌區(qū)為后配套臺車鋪設(shè)行走軌?！安雀哕E”過站與鋪設(shè)軌排架過站對比見圖7。列車編組后期運行通過該站時，由于車站底板與區(qū)間管片底部內(nèi)表面高差的存在，需在車站與區(qū)間銜接區(qū)域鋪設(shè)緩坡軌排架及緩坡軌道以保證重載列車編組順利通過，緩坡鋪設(shè)坡度<30‰，鋪設(shè)長度20 m左右。

(a) “踩高蹺”過站

(b) 鋪設(shè)軌排架過站

經(jīng)統(tǒng)計，雙護盾TBM“踩高蹺”過站過程中邊空推邊加裝預(yù)制鋼支腿，過站速度可達31 m/d，鋼支腿加裝完成后可提升至46 m/d。以往雙護盾TBM通過鋪設(shè)軌排架過站，不考慮外圍因素影響，過站速度35 m/d左右，采用“踩高蹺”過站比鋪設(shè)軌排架過站理論上節(jié)約工期近1/3。鋼支腿單根質(zhì)量約100 kg，10節(jié)臺車配備40根臨時鋼支腿總質(zhì)量約4 t；軌排架單榀質(zhì)量約200 kg，間隔1 m鋪設(shè)，通過一個200 m左右的標準車站需要鋼材約40 t，考慮到制作、運輸及重復(fù)利用等方面因素，“踩高蹺”過站具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。在站點較長時，“踩高蹺”過站技術(shù)的工期和經(jīng)濟優(yōu)勢更為明顯。

4 結(jié)論與討論

本文總結(jié)了雙護盾TBM在青島地鐵1號線的施工技術(shù)創(chuàng)新情況，包括負環(huán)始發(fā)技術(shù)、雙線隧道小凈距掘進技術(shù)和“踩高蹺”過站技術(shù)，這些技術(shù)的實踐成功應(yīng)對了施工過程中遇到的特殊工況。主要結(jié)論如下：

1)基于掘進模式、掘進參數(shù)和姿態(tài)控制實現(xiàn)的雙護盾TBM負環(huán)始發(fā)技術(shù)可行、適用，雖始發(fā)工效略低，但不影響該方案作為在始發(fā)場地不具備施作始發(fā)洞條件下的補充方案。

2)通過采取可移動式支撐臺車和袖閥管注漿方式對先行隧道實施加固、合理控制TBM掘進參數(shù)等綜合手段，可實現(xiàn)雙護盾掘進模式下小凈距雙線隧道的順利貫通。

3)“踩高蹺”過站技術(shù)簡單、實用，具有快速、經(jīng)濟、安全等方面優(yōu)勢，在站點較長時其經(jīng)濟性和效率優(yōu)勢更為明顯。

針對本文的研究內(nèi)容，后續(xù)項目需完善雙護盾TBM單護盾模式掘進時的盾體滾動預(yù)防、調(diào)整功能，嘗試單護盾掘進模式下雙護盾TBM的負環(huán)始發(fā)技術(shù)和小凈距隧道掘進技術(shù)；進一步搜集雙護盾TBM小凈距隧道掘進過程中撐靴受力、地層壓力、先行洞管片受力、支撐臺車受力等數(shù)據(jù)，分析受力和傳力的相關(guān)性并研究其相關(guān)規(guī)律。