城市核心區(qū)TBM組裝及始發(fā)掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

李小軍

(中鐵二十三局集團(tuán)第六工程有限公司 重慶 401121)

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市軌道交通在各個(gè)城市交通中起的作用越發(fā)重要。目前在隧道施工技術(shù)發(fā)展的良好形勢(shì)下，人們對(duì)于工程的工期長(zhǎng)短、工人作業(yè)時(shí)間以及施工環(huán)境等問(wèn)題有了更加嚴(yán)格的要求，既要盡量縮短總體施工工期，又要逐漸減少人工成本，并提高安全環(huán)保等級(jí)，使得鉆爆法施工這一傳統(tǒng)隧道施工方法越來(lái)越難以滿足要求，進(jìn)而提出了一種機(jī)械化的施工法——掘進(jìn)機(jī)施工法(TBM法)[1]。文獻(xiàn)[2]對(duì)復(fù)合式TBM井下整體始發(fā)、過(guò)站轉(zhuǎn)場(chǎng)、洞內(nèi)調(diào)頭、平移吊出及相應(yīng)臨時(shí)工程改造等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并得出了可靠的結(jié)論；文獻(xiàn)[3]對(duì)人員、材料設(shè)備、控制重點(diǎn)和詳細(xì)的施工工藝進(jìn)行總結(jié)研究，以期為其他類似工程提供參考；文獻(xiàn)[4]介紹敞開(kāi)式TBM在重慶軌道交通6號(hào)線一期工程的應(yīng)用，解決了TBM施工選線、施工支護(hù)、下穿建筑物掘進(jìn)、小凈距掘進(jìn)及TBM過(guò)站等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。以往的一些文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)TBM的方案設(shè)計(jì)問(wèn)題、在各種地質(zhì)條件下的適應(yīng)性、相應(yīng)施工技術(shù)、相關(guān)計(jì)算分析等有了一定的研究[5-7]；本文針對(duì)單護(hù)盾型TBM在重慶城市軌道交通九號(hào)線二期中央公園東至從巖寺區(qū)間段的吊裝及始發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)、遇到的一系列問(wèn)題及解決方案進(jìn)行討論，為以后TBM在城市軌道交通施工中提供一系列參考依據(jù)[8-10]。

2 工程背景

2.1 施工線路情況

該區(qū)間南接中央公園東站，北接從巖寺站，起訖里程為YCK36+166.863～YCK38+607.566，長(zhǎng)2 440.703 m。其中TBM區(qū)間左線:ZDK38+137.5～ZDK36+185.463，全長(zhǎng)1 952.037 m；TBM區(qū)間右線:YDK38+237.664～YDK36+185.463，全長(zhǎng)為1 959.037 m。區(qū)間平面如圖1所示。

圖1 中從區(qū)間平面

2.2 TBM概況

本次施工采用2臺(tái)ZTT6830型單護(hù)盾TBM。TBM由刀盤(pán)、前盾、中盾、尾盾、皮帶機(jī)、拼裝機(jī)、后配套車架等組成，全長(zhǎng)約92 m，總重約571.5 t。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式為面板式，最大開(kāi)挖直徑為6.88 m，刀盤(pán)配備38把滾刀和12把刮渣鏟刀，開(kāi)口率16%。刀盤(pán)配備7臺(tái)220 kW大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最大脫困扭矩達(dá)6 060 kN·m。

3 TBM始發(fā)場(chǎng)地布置

由圖1可知，TBM施工方向?yàn)閺膸r寺站掘進(jìn)至中央公園東站，根據(jù)前期設(shè)計(jì)決定將TBM吊裝及始發(fā)場(chǎng)地設(shè)在從巖寺站口的高架橋段與路基段交界處附近。

3.1 功能區(qū)劃分

TBM始發(fā)施工場(chǎng)地的合理布置需要考慮各個(gè)功能區(qū)合理的位置分配、相應(yīng)區(qū)域的大小規(guī)劃等，采用系統(tǒng)論的思想對(duì)各功能區(qū)進(jìn)行合理布置會(huì)對(duì)后續(xù)TBM的吊裝、始發(fā)、管片運(yùn)輸、渣土堆放等一系列工藝流程有非常重要的作用。其中主干道采用C30鋼筋混凝土硬化鋼筋砼路面，路面厚度為30 cm，寬度為7.5 m，路面配φ20鋼筋進(jìn)行鋪設(shè)。TBM吊裝及始發(fā)施工場(chǎng)地具體布置如圖2所示。

圖2 始發(fā)場(chǎng)地功能區(qū)劃分

3.2 地下管線保護(hù)及場(chǎng)地硬化

該線路位于城市核心區(qū)域，施工場(chǎng)地附近的道路兩側(cè)地下管網(wǎng)密布，在初期搭建場(chǎng)所時(shí)應(yīng)考慮對(duì)這些地下管線的保護(hù)。根據(jù)具體管網(wǎng)分布情況，對(duì)施工區(qū)部分場(chǎng)地進(jìn)行局部硬化加固處理，需要特別注意的是線路里程YCK38+215處存在一處機(jī)場(chǎng)航油運(yùn)輸管線，剛好與線路正交，如圖2所示。

由于該管道埋深較淺，為不影響管線正常運(yùn)輸，其保護(hù)措施為:挖出管道周圍覆土，在管道的底部采取臨時(shí)支撐點(diǎn)進(jìn)行加固，防止管道沉降；分別在管道兩側(cè)采取漿砌毛石，在墻內(nèi)填筑細(xì)土夯實(shí)，并在管道上方覆蓋鋼筋砼預(yù)制蓋板。

3.3 場(chǎng)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在TBM吊裝及始發(fā)場(chǎng)地采用全站儀、水準(zhǔn)儀對(duì)地基基礎(chǔ)及基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)[11]，于組裝場(chǎng)地?fù)跬翂ι显O(shè)置1個(gè)基坑變形觀測(cè)點(diǎn)，靠近吊車前支腿地面上共設(shè)置4個(gè)地基基礎(chǔ)沉降觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

4 TBM吊裝

4.1 始發(fā)底架的針對(duì)性設(shè)計(jì)

由于TBM自身的重心靠前，始發(fā)掘進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生“低頭”現(xiàn)象，故始發(fā)底架軸線需比設(shè)計(jì)軸線適當(dāng)抬高20～30 mm。

4.2 TBM試吊檢驗(yàn)

在小型物件及分段翻身吊運(yùn)前，應(yīng)劃出警戒區(qū)，檢查各點(diǎn)受力情況及吊攀的焊接質(zhì)量；而吊運(yùn)大型重噸位物件時(shí)，應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，統(tǒng)一指揮。整個(gè)試吊過(guò)程物體距離地面不高于0.5 m，懸停時(shí)間不少于5 min，檢查確認(rèn)并使用纜風(fēng)繩保持其平穩(wěn)狀態(tài)后，方可進(jìn)行正式起吊作業(yè)。

4.3 TBM正式吊裝

TBM吊裝流程如圖3所示[12]。

圖3 吊裝流程

TBM吊裝從1月12日開(kāi)始持續(xù)到2月20日截止，共計(jì)40 d，期間地基基礎(chǔ)沉降值Z1～Z4及基坑變形觀測(cè)DQ1的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 基坑變形及地面沉降監(jiān)測(cè)

5 TBM始發(fā)

TBM的始發(fā)過(guò)程是整個(gè)施工中最為關(guān)鍵的一步，具體始發(fā)過(guò)程如下。

5.1 始發(fā)導(dǎo)軌安裝

始發(fā)導(dǎo)軌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為減小摩擦力，增設(shè)兩條鋼軌，鋼軌上部涂抹黃油。

5.2 TBM始發(fā)試掘進(jìn)

將TBM掘進(jìn)前100 m作為試掘進(jìn)段，該段是摸索掘進(jìn)規(guī)律、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)的重要里程[13]。由于設(shè)備尚處于磨合期和校核期，為此要加強(qiáng)試掘進(jìn)段的控制管理，必須設(shè)置各施工參數(shù)的警戒值，確保不出現(xiàn)較大偏差或?qū)е虏涣己蠊坏┦┕?shù)接近或達(dá)到警戒值或系統(tǒng)顯示的相關(guān)施工參數(shù)不一致，必須查明原因后方可繼續(xù)推進(jìn)。通過(guò)總結(jié)和優(yōu)化出相應(yīng)的TBM掘進(jìn)參數(shù)為后續(xù)恢復(fù)正常掘進(jìn)打下基礎(chǔ)。以試掘進(jìn)階段TBM左線掘進(jìn)參數(shù)為例，對(duì)部分關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析調(diào)整。

以管片環(huán)號(hào)為橫坐標(biāo)，試掘進(jìn)段平均掘進(jìn)速度為縱坐標(biāo)，繪制曲線圖，如圖5所示。

圖5 平均掘進(jìn)速度與環(huán)號(hào)關(guān)系曲線

TBM始發(fā)掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)速度應(yīng)當(dāng)設(shè)置較慢。在始發(fā)階段的前20環(huán)中，將推進(jìn)平均速度調(diào)整在20～30 mm/min之間，后根據(jù)每環(huán)掘進(jìn)效果、出土量、刀具消耗及管片襯砌效果、地面沉降等結(jié)合本工程實(shí)際情況，逐步增加推進(jìn)平均速度，在后續(xù)幾十環(huán)的試掘進(jìn)階段，其推進(jìn)平均速度峰值可達(dá)到66.4 mm/min，整體掘進(jìn)效果良好。

以管片環(huán)號(hào)為橫坐標(biāo)，試掘進(jìn)段掘進(jìn)總推力為縱坐標(biāo)，繪制曲線圖，如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)總推力與環(huán)號(hào)關(guān)系曲線

在始發(fā)過(guò)程中需注意掘進(jìn)總推力必須嚴(yán)格控制在反力架的承受能力以下，根據(jù)設(shè)計(jì)，反力架承受能力在5 000～8 000 kN之間，在試掘進(jìn)段，掘進(jìn)總推力基本保持在5 000 kN以下。

以管片環(huán)號(hào)為橫坐標(biāo)，試掘進(jìn)段刀盤(pán)扭矩為縱坐標(biāo)，繪制曲線圖，如圖7所示。

圖7 刀盤(pán)扭矩與環(huán)號(hào)關(guān)系曲線

在始發(fā)過(guò)程中刀盤(pán)扭矩與掘進(jìn)總推力相似，應(yīng)該確保在此推力下刀具切入地層所產(chǎn)生的扭矩小于始發(fā)導(dǎo)軌所提供的扭矩，并防止TBM盾體發(fā)生滾動(dòng)翻轉(zhuǎn)；在TBM成功始發(fā)后可逐步提升刀盤(pán)扭矩，為后續(xù)正式掘進(jìn)尋求最佳扭矩范圍。

以管片環(huán)號(hào)為橫坐標(biāo)，試掘進(jìn)段刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)，繪制曲線圖，如圖8所示。

圖8 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與環(huán)號(hào)關(guān)系曲線

對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速而言，原設(shè)計(jì)中要求始發(fā)掘進(jìn)段盡量暫時(shí)調(diào)低，其轉(zhuǎn)速范圍在1.0～1.5 rpm，但TBM掘進(jìn)至5環(huán)后，刀盤(pán)發(fā)生卡死現(xiàn)象，脫困后經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)造成刀盤(pán)卡死的原因是因?yàn)榈侗P(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)低，后期通過(guò)一定程度上提升刀盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)解決該問(wèn)題。

5.3 始發(fā)試掘進(jìn)段所遇問(wèn)題及解決辦法

(1)TBM進(jìn)洞前步進(jìn)緩慢，始發(fā)底架所帶來(lái)的阻力較大，經(jīng)嘗試認(rèn)為可在始發(fā)底架上涂抹少量的油脂，以減少TBM推進(jìn)阻力。

(2)隨著TBM的不斷掘進(jìn)，反力架將會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，進(jìn)而影響隧道的成環(huán)質(zhì)量，當(dāng)管片接縫發(fā)生問(wèn)題時(shí)，及時(shí)用石棉橡膠楔形料對(duì)其進(jìn)行糾正，可有效提高成環(huán)質(zhì)量。

(3)TBM進(jìn)洞過(guò)程中盡量不要進(jìn)行糾偏，否則可能會(huì)卡住盾尾。

(4)在始發(fā)階段，除了將始發(fā)底架軸線抬高20～30 mm外，還可以通過(guò)調(diào)整TBM姿態(tài)，使用下側(cè)的千斤頂施加向上的力的來(lái)防止TBM“低頭”。

(5)始發(fā)階段由于管片自重及其他原因，盾尾管片一般都會(huì)出現(xiàn)失圓的情況，有些甚至達(dá)到10 cm之多。為解決該問(wèn)題，將Ⅰ型鋼材加工成圓形鋼環(huán)，用管片螺栓將其與0環(huán)連接，必要時(shí)使用工字鋼或槽鋼將圓形鋼環(huán)與始發(fā)臺(tái)進(jìn)行連接。

6 結(jié)論與探討

本文對(duì)重慶軌道九號(hào)線中從區(qū)間段TBM施工中的場(chǎng)地布置、盾體吊裝及始發(fā)試掘進(jìn)這三個(gè)階段進(jìn)行了詳細(xì)的分析說(shuō)明，得出如下一系列經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論:

(1)本次TBM吊裝及始發(fā)場(chǎng)地的布局經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了各功能區(qū)最佳布置位置，并根據(jù)需要、TBM的日掘進(jìn)量等參數(shù)以及各類材料的存放數(shù)量等因素確定了各功能區(qū)的范圍大小。提出了在地下管線密集的城市核心地區(qū)能夠有效保護(hù)特殊管線的場(chǎng)地硬化措施，并布置適量監(jiān)測(cè)點(diǎn)以有效監(jiān)測(cè)地面沉降及基坑變形。根據(jù)后續(xù)的吊裝、始發(fā)、掘進(jìn)等過(guò)程來(lái)看，場(chǎng)地的整體適用性良好。

(2)為防止由于TBM整體重心靠前而導(dǎo)致始發(fā)掘進(jìn)容易產(chǎn)生“低頭”的現(xiàn)象，對(duì)始發(fā)底架提出了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，建議將其軸線適當(dāng)抬高20～30 mm。提出了進(jìn)行試吊檢驗(yàn)的具體要求，并闡述了整個(gè)吊裝流程，為今后TBM的吊裝提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

(3)本文簡(jiǎn)述了TBM的整個(gè)始發(fā)過(guò)程，對(duì)幾項(xiàng)重要參數(shù)進(jìn)行分析說(shuō)明，以此強(qiáng)調(diào)了前100 m試掘進(jìn)段的重要性，只有在試掘進(jìn)段盡可能地摸索掘進(jìn)規(guī)律，并對(duì)掘進(jìn)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，找到當(dāng)下最佳掘進(jìn)姿態(tài)，才能在恢復(fù)正常掘進(jìn)時(shí)迅速達(dá)到最佳掘進(jìn)效果。目前重慶軌道九號(hào)線TBM施工任務(wù)已圓滿完成，隧道整體效果良好。