深圳城市軌道交通8 號(hào)線工程中的TBM雙護(hù)盾施工技術(shù)

吳文龍

（中交二公局第三工程有限公司，西安 710000）

1 工程概況

根據(jù)深圳地鐵8 號(hào)線一期梧桐山—沙頭角區(qū)間雙護(hù)盾TBM 在中分化圍巖掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，刀盤轉(zhuǎn)速7.5 r/min，刀盤扭矩1 300 kN·m，掘進(jìn)速度65 mm/min，總推力8 200 kN。5 刀盤轉(zhuǎn)速1.2 r/min，刀盤扭矩300～500 kN·m，掘進(jìn)速度5～10 mm/min，總推力4 000～5 000 kN。TBM 始發(fā)時(shí)控制刀盤切削圍巖最大推力不超過600 t。

2 TBM雙護(hù)盾施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

雙護(hù)盾TBM 是地鐵盾構(gòu)施工中的重要設(shè)備，其包含兩節(jié)盾構(gòu)殼體，除了有效保證開挖面的穩(wěn)定性（避免坍塌），還適用于曲線開挖的施工環(huán)境。雙護(hù)盾TBM 的適用范圍較廣，在硬巖、軟巖等地質(zhì)條件中均具有可行性，且其穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)在穿過斷層破碎地帶體現(xiàn)得更為明顯。

雙護(hù)盾TBM 具有全圓的護(hù)盾，相比于單護(hù)盾TBM，其在地質(zhì)良好的區(qū)段能夠同時(shí)完成掘進(jìn)和管片安裝兩項(xiàng)工作。雙護(hù)盾TBM 具有伸縮護(hù)盾，得益于該結(jié)構(gòu)的靈活性，可高效完成軟、硬巖作業(yè)轉(zhuǎn)換操作。

雙護(hù)盾TBM 有兩種掘進(jìn)模式可供選擇，具體為單護(hù)盾、雙護(hù)盾的掘進(jìn)模式。其中，對(duì)于穩(wěn)定性不足、地質(zhì)條件欠佳的地段，較為適宜的是采用單護(hù)盾掘進(jìn)模式；若施工現(xiàn)場(chǎng)地層的穩(wěn)定性較好、圍巖僅有小規(guī)模的薄弱區(qū)，可以采用雙護(hù)盾掘進(jìn)模式，此時(shí)洞壁巖石因其自身具有護(hù)壁作用而維持穩(wěn)定，TBM掘進(jìn)過程中，支撐系統(tǒng)伸出水平支撐靴，利用該裝置穩(wěn)定支撐洞壁，與此同時(shí)支撐靴提供掘進(jìn)反力，為盾構(gòu)掘進(jìn)創(chuàng)設(shè)了良好的條件。

3 雙護(hù)盾掘進(jìn)模式的具體應(yīng)用

隨著TBM 掘進(jìn)施工進(jìn)程的推進(jìn)，達(dá)到12 m 后盾體完全進(jìn)入圍巖，此時(shí)啟用雙護(hù)盾模式。撐靴緩慢伸出，穩(wěn)定卡住洞壁，由該裝置提供掘進(jìn)所需的反力以及反扭矩。通過對(duì)主推油缸的調(diào)控，有效推動(dòng)刀盤和前盾，使兩類裝置向前移動(dòng)。經(jīng)過一個(gè)步進(jìn)的施工后，伸縮盾繼續(xù)掘進(jìn)，并于盾尾拼裝管片。在雙護(hù)盾模式施工中，各道工序得到有效的協(xié)調(diào)，施工秩序有條不紊。

3.1 工藝流程

TBM 雙護(hù)盾施工工藝流程，如圖1 所示。

3.2 TBM掘進(jìn)施工

主推進(jìn)油缸提供推力，促進(jìn)刀盤的移動(dòng)；伸縮盾伸開，刀盤向前推進(jìn)；及時(shí)啟用撐靴，該裝置穩(wěn)定撐在洞壁上，可提供掘進(jìn)反力，以滿足掘進(jìn)施工要求；后配套臺(tái)車穩(wěn)定在隧洞中，刀盤破巖過程中產(chǎn)生的渣土經(jīng)由溜渣槽進(jìn)入皮帶輸送機(jī)，而后轉(zhuǎn)至編組渣車；期間，于盾尾安裝預(yù)制管片。刀盤每掘進(jìn)1.5 m，視為一個(gè)循環(huán)。

3.3 換步操作

主推進(jìn)油缸達(dá)到最大掘進(jìn)行程時(shí)，TBM 停機(jī)換步，在執(zhí)行此項(xiàng)操作時(shí)，刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，撐靴以相對(duì)較慢的速度收回；聯(lián)合應(yīng)用主推進(jìn)油缸（牽引）和輔助推進(jìn)油缸（頂推），促進(jìn)TBM 前移特定的距離，此時(shí)后配套根據(jù)實(shí)際情況同步前移，經(jīng)過前述的轉(zhuǎn)換操作后，主推進(jìn)油缸呈收縮狀態(tài)；此后，撐靴依然撐緊洞壁，以便進(jìn)入下一循環(huán)。換步的具體流程如圖2所示。

圖2 換步流程圖

3.4 掘進(jìn)方向的控制

受現(xiàn)場(chǎng)地層軟硬不均、坡度變化等多重因素的共同作用，TBM 掘進(jìn)時(shí)實(shí)際姿態(tài)可能會(huì)偏離隧道軸線。若偏差較大，將導(dǎo)致隧道襯砌侵限、盾尾間隙減小，進(jìn)而影響管片的正常使用，有局部受力惡化的現(xiàn)象，地層損失增加并使地表顯現(xiàn)出更為明顯的沉降。因此，在施工中必須加強(qiáng)對(duì)TBM 掘進(jìn)方向的檢測(cè)，準(zhǔn)確判斷實(shí)際偏差，采取調(diào)控措施。

3.4.1 掘進(jìn)方向的控制

圖1 TBM雙護(hù)盾掘進(jìn)模式施工工藝流程圖

1）姿態(tài)監(jiān)測(cè)。聯(lián)合應(yīng)用VMT 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量兩種方法，共同完成TBM 的姿態(tài)監(jiān)測(cè)工作。適配的VMT 系統(tǒng)具備全天候監(jiān)測(cè)的能力，可及時(shí)呈現(xiàn)出TBM 的位置以及其與設(shè)計(jì)軸線存在的偏差，以監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，靈活調(diào)整TBM 的掘進(jìn)方向，將偏差控制在許可范圍內(nèi)。隨著TBM 掘進(jìn)施工進(jìn)程的推進(jìn)，導(dǎo)向系統(tǒng)后視基準(zhǔn)點(diǎn)根據(jù)工程進(jìn)度適時(shí)前移，正常情況下每100 m 延伸一次導(dǎo)向系統(tǒng)。每周安排兩次人工測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。除此之外，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)復(fù)核TBM 的姿態(tài)。

2）姿態(tài)方向的調(diào)整。分區(qū)操作TBM 推進(jìn)油缸，實(shí)現(xiàn)對(duì)TBM 掘進(jìn)方向的有效控制。綜合考慮系統(tǒng)呈現(xiàn)出的TBM 姿態(tài)信息、分段軸線擬合控制計(jì)劃、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，針對(duì)性地操作TBM 的推進(jìn)油缸，精細(xì)化控制掘進(jìn)方向。

3.4.2 水平方向的糾偏

左偏時(shí)，加大左側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力，并在原基礎(chǔ)上適當(dāng)減小右側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力，經(jīng)調(diào)整后，使TBM 姿態(tài)具有合理性。糾偏遵循的是“多次、少量”的基本原則，避免一次過量糾偏的情況。精準(zhǔn)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果有效控制千斤頂?shù)男谐塘恳约皦毫?，?jīng)過調(diào)控后，使TBM 沿著設(shè)計(jì)軸線推進(jìn)。隧道軸線水平位置、軸線高程的允許偏差均不可超過±50 mm。

3.4.3 糾偏注意事項(xiàng)

1）以掌握的掌子面地質(zhì)條件為參考，合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)；設(shè)定具有可行性的警戒值與限制值，用于控制掘進(jìn)方向，若實(shí)際偏差達(dá)到警戒值，及時(shí)啟用糾偏程序，盡快完成糾偏。

2）糾偏宜采取蛇形修正的方法，以緩慢的速度推進(jìn)，若修正操之過急，有可能加大偏差。

3）注重TBM 的及時(shí)糾偏，以免卡殼。

4）嚴(yán)格控制推進(jìn)油缸的油壓，若要對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)加以調(diào)整，需做到“緩慢、微量、多次”，否則可能會(huì)導(dǎo)致管片局部受損[1]。

3.5 TBM管片拼裝

3.5.1 止水條及墊片的設(shè)置

1）根據(jù)要求選擇優(yōu)質(zhì)的止水條，安裝工作由專員嚴(yán)格依據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行，全程均要具有規(guī)范性。

2）加強(qiáng)防護(hù)，避免存放的止水條遇水、受潮，確保投入使用的止水條可完全滿足要求。

3）管片拼裝施工前，加強(qiáng)對(duì)止水條實(shí)際情況的檢查，若有受損或是遇水膨脹現(xiàn)象，該部分均不具備使用的價(jià)值，應(yīng)予以更換。

4）在使用墊片前，先安排技術(shù)交底，使每位施工人員均掌握墊片的使用方法，并加強(qiáng)對(duì)墊片原材料的檢查，任何不滿足要求的材料均不可投入使用。

3.5.2 管片的存放、運(yùn)輸

1）提前規(guī)劃管片的存放場(chǎng)地，要求現(xiàn)場(chǎng)具有平整性與穩(wěn)定性，而后按照型號(hào)將管片分類碼放到位，統(tǒng)一使內(nèi)弧面向上平放，用墊木分隔管片，避免管片直接磕碰而受損。管片內(nèi)弧面向上時(shí)，堆放的數(shù)量不宜超過4 層，同時(shí)應(yīng)保證每堆管片均有合理的安全吊運(yùn)間距。

2）若管片表面有缺棱掉角、裂縫（指的是寬度超過0.2 mm的裂縫）或其他異常狀況，均要查明實(shí)際情況，予以修補(bǔ)，使管片恢復(fù)完整。修補(bǔ)所用材料的強(qiáng)度不可小于管片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，經(jīng)過修補(bǔ)處理后，管片需滿足形態(tài)完整、穩(wěn)定可靠的基本要求，與原管片斷面緊密結(jié)合，不可形成干縮裂縫。

3）運(yùn)輸時(shí)，將管片放在支墊物上，層間設(shè)置墊木，用于分隔管片。有效調(diào)整管片，每層支撐點(diǎn)需在同一平面，各層支墊物需在同一直線上。管片運(yùn)輸時(shí)加強(qiáng)防護(hù)，避免磕碰。

3.5.3 管片的起吊、移動(dòng)

管片運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，利用管片吊機(jī)有序卸下，而后起吊至指定安裝區(qū)域，具體操作要點(diǎn)為：管片上設(shè)置了吊裝孔，在該處擰緊吊裝螺栓；啟動(dòng)管片吊機(jī)，使該裝置靠近待吊裝的管片，并穩(wěn)定鎖住吊裝螺栓；由專員操作管片吊機(jī)，將管片朝著刀盤方向運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)連接橋所在區(qū)域時(shí)，對(duì)管片做旋轉(zhuǎn)處理（90°）；此后，繼續(xù)吊裝管片，直至其到達(dá)指定安裝部位為止。按照前述提及的流程重復(fù)施工，將各管片吊裝到位[2]。

3.5.4 管片的拼裝

按照自下而上的順序依次拼裝管片。底部管片就位后，開始拼裝兩側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)管片和臨接管片，確認(rèn)無誤后將封頂管片拼裝好。封頂塊拼裝時(shí)，先水平搭接2/3 環(huán)寬徑向上推，而后再縱向插入。全過程中，拼裝機(jī)盡可能位于中間位置，目的在于減少接縫。

管片均就位后，開始正式拼裝，為保證管片的穩(wěn)定性，將管片彎曲螺栓擰緊。后續(xù)待管片拼裝成環(huán)、管片脫離盾尾后，依次擰緊彎曲螺栓。根據(jù)前述提及的思路，確定管片拼裝的基本流程為：

1）操作管片機(jī)，將待安裝的管片轉(zhuǎn)至指定的拼裝區(qū)域內(nèi)。

2）調(diào)整拼裝機(jī)機(jī)械手，使該裝置臨近并鎖住吊裝螺栓。

3）調(diào)整待拼裝施工范圍內(nèi)的千斤頂，使該裝置縮回。

4）由專員操作管片拼裝機(jī)機(jī)械手，完成一系列動(dòng)作（將管片抓住、提升、前移、旋轉(zhuǎn)、就位）。

5）對(duì)拼裝機(jī)機(jī)械手的角度做靈活調(diào)整，伸出前期縮回的千斤頂，利用此裝置壓緊管片，同時(shí)將螺栓穿至指定位置并擰緊，保證穩(wěn)定性。

6）機(jī)械手松開吊裝螺栓，從管片上移出管片拼裝機(jī)，恢復(fù)至提升管片的位置，做好準(zhǔn)備工作，以便繼續(xù)吊裝后續(xù)的管片。

7）按照前述提及的流程重復(fù)施工，直至標(biāo)準(zhǔn)塊和連接塊拼裝到位為止，再安裝封頂塊。

8）管片拼裝后，及時(shí)測(cè)量千斤頂?shù)纳扉L量和盾尾間隙，完整記錄數(shù)據(jù)，作為分析的依據(jù)。管片脫離盾尾時(shí)，應(yīng)再次復(fù)緊螺栓[3]。

3.6 豆礫石充填與回填灌漿

3.6.1 主要作用

TBM 掘進(jìn)過程中，向倒數(shù)第三環(huán)管片背后吹入豆礫石，并用漿液填充倒數(shù)第七環(huán)的建筑空隙。經(jīng)過填充操作后，起到如下作用：維持管片的穩(wěn)定性，避免錯(cuò)動(dòng)；提供防水功能；有效防護(hù)管片，以免其受到地下水的侵蝕。

3.6.2 填充量的計(jì)算

在盾尾后倒數(shù)第三環(huán)開始填充豆礫石，要求管片外側(cè)與巖石間存在的空隙得到有效的填充處理。填充時(shí)，按照“先拱底、再兩側(cè)、最后拱頂”的流程有序施工，保證填充的密實(shí)性，避免豆礫石出現(xiàn)架空的現(xiàn)象。

按式（1）計(jì)算每環(huán)的豆礫石填充量：

式中，A1為刀盤開挖面積，m2；A2為隧道斷面面積，m2；L為每環(huán)管片長度，m；P為豆礫石填充的密度，kg/m3。

3.6.3 注漿量的計(jì)算

豆礫石的孔隙率為43%，按照式（2）進(jìn)行計(jì)算，確定每環(huán)水泥漿注漿量：

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，水灰比為（0.7～1）∶1。

豆礫石及水泥漿注入流程如圖3 所示。

原材料選取方面，豆礫石粒徑為5～10 mm；水泥選用的是普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度32.5 MPa。施工參數(shù)方面，注漿壓力0.05～0.5 MPa，注漿終孔以注漿壓力為主，注漿量為輔，確認(rèn)各項(xiàng)參數(shù)均無誤后，方可終孔。

圖3 豆礫石及水泥漿注入流程圖

4 結(jié)語

綜上所述，雙護(hù)盾TBM 的適用性較強(qiáng)，在硬巖、軟巖等地質(zhì)條件中均具有可行性。隨著技術(shù)研究的深入以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，雙盾構(gòu)TBM 的應(yīng)用水平逐步提高，成為地鐵盾構(gòu)施工中的重要設(shè)備。經(jīng)過本文的分析，提出TBM 雙護(hù)盾施工技術(shù)的一些具體應(yīng)用要點(diǎn)，通過合理安排，組織施工，保證了工程的順利進(jìn)行。