敞開式TBM與復(fù)合式TBM比較

徐太順

重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司 重慶 401120

引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)城市化進(jìn)程不斷加快，城市地鐵隧道、水工隧道、鐵路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程已經(jīng)大量使用隧道掘進(jìn)機(jī)。

目前隧道掘進(jìn)機(jī)主要有以下幾種類型：

盾構(gòu)：適用于軟土地層，分為泥水平衡和土壓平衡兩種。

TBM：適用于巖石地層，分為敞開式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾三種。

復(fù)合式TBM：適用于軟硬交替地層。

在重慶軌道交通建設(shè)中，6號線、5號線、10號線、環(huán)線等主要采用了敞開式TBM、復(fù)合式TBM兩種掘進(jìn)機(jī)。

1 敞開式TBM和復(fù)合式TBM的定義

敞開式TBM：主要適應(yīng)于硬巖，能利用自身支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進(jìn)的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)主機(jī)可根據(jù)巖性不同選擇配置臨時(shí)支護(hù)設(shè)備如鋼架安裝器、錨桿鉆機(jī)、鋼筋網(wǎng)安裝機(jī)、超前鉆機(jī)、管棚鉆機(jī)、噴混凝土機(jī)及注漿機(jī)等。敞開式TBM在掘進(jìn)過程中一般二次襯砌不同步施工，只施作初期支護(hù)，待掘進(jìn)完畢后再通過模板臺車進(jìn)行二次襯砌施工。

復(fù)合式TBM：主要適用于以巖石為主，土質(zhì)、破碎帶及軟硬交替的地層，是以傳統(tǒng)的硬巖掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)，吸取了土壓平衡盾構(gòu)和氣壓盾構(gòu)的原理及優(yōu)點(diǎn)后產(chǎn)生的一種掘進(jìn)機(jī)，兼具適應(yīng)土質(zhì)、巖層及軟硬交錯(cuò)地層的隧道施工。復(fù)合式TBM采用管片支護(hù)，區(qū)間可一次成洞[1]。

2 TBM的對比分析

本文針對TBM在重慶市軌道交通應(yīng)用情況，同時(shí)根據(jù)重慶地質(zhì)條件，考慮其他相關(guān)因素，并結(jié)合后續(xù)線網(wǎng)規(guī)劃情況，對敞開式TBM和復(fù)合式TBM全方位對比分析：

2.1 地下區(qū)間TBM適應(yīng)性分析

2.1.1 敞開式TBM地質(zhì)適應(yīng)性。采用敞開式TBM施工時(shí)，二次襯砌一般在區(qū)間開挖完畢后施做，滯后時(shí)間較長。隧道掘進(jìn)后，初期支護(hù)條件下圍巖的穩(wěn)定性如何將是決定能否采用敞開式TBM施工的必要條件之一。

根據(jù)目前已施工的重慶軌道交通區(qū)間隧道施工情況及監(jiān)控量測資料，在埋深較深、圍巖較完整的情況下，區(qū)間隧道開挖后掌子面基本能自穩(wěn)，敞開式TBM能夠滿足二次襯砌滯后情況下的區(qū)間穩(wěn)定性要求。

2.1.2 復(fù)合式TBM地質(zhì)適應(yīng)性。復(fù)合式TBM主要適用于以巖石為主，土質(zhì)、破碎帶及軟硬交替的地層，在軟弱地層時(shí)對控制掌子面穩(wěn)定、地表沉降和保證施工安全是十分有利的。重慶市區(qū)主要以砂巖、砂質(zhì)泥巖地層為主，巖體完整性較好，大部分地段圍巖具有較好的穩(wěn)定性，洞室開挖后掌子面能夠自穩(wěn)，局部埋深較淺及地表覆土較厚段落的掌子面穩(wěn)定性稍差。因此對于復(fù)合式TBM而言，當(dāng)巖體情況較好時(shí)，可采用敞開式掘進(jìn)模式，當(dāng)巖體稍差時(shí)，可采用土壓平衡掘進(jìn)模式，以利于掌子面穩(wěn)定，因此其適應(yīng)的地質(zhì)條件范圍比敞開式TBM要廣，區(qū)間可采用機(jī)械化施工的程度也更高。

復(fù)合式TBM采用螺旋輸送機(jī)出碴，對于土質(zhì)地層而言，螺旋輸送機(jī)效果較好，而對于巖石地層，特別是砂巖地層，開挖巖碴破碎后將對螺旋輸送機(jī)將產(chǎn)生一定程度的磨損，導(dǎo)致其容易發(fā)生損壞。

2.2 施工適應(yīng)性分析

2.2.1 敞開式TBM施工適應(yīng)性。重慶城區(qū)巖石單軸抗壓強(qiáng)度雖然不是很高，但其完整性較好，為加快掘進(jìn)破巖進(jìn)度，6號線工程TBM在設(shè)備配置時(shí)，經(jīng)過刀具規(guī)格的論證與比選，最終采用了19in的大直徑滾刀，相應(yīng)的TBM整機(jī)能力較強(qiáng)，六號線一期工程的施工實(shí)踐也證明其掘進(jìn)破巖的效果較好，完整巖層段掘進(jìn)速度很快，刀具耐用，不僅減少了掘進(jìn)途中的換刀次數(shù)，而且節(jié)約了刀具費(fèi)用，增加了掘進(jìn)的連續(xù)性。

2.2.2 復(fù)合式TBM施工適應(yīng)性。復(fù)合式TBM若要適應(yīng)重慶地質(zhì)條件，需對既有設(shè)備做出針對性設(shè)計(jì)改造或根據(jù)地質(zhì)情況量體裁衣，刀盤配置上仍以滾刀為主，局部地層條件下可輔以少許刮刀。根據(jù)已實(shí)施的施工經(jīng)驗(yàn)，建議刀盤上滾刀尺寸為19in，如此配備能夠滿足在重慶城區(qū)巖石地層為主條件下的長距離破巖掘進(jìn)要求。

2.2.3 圍巖破碎帶適應(yīng)性。在線路局部穿過若干不良地質(zhì)帶時(shí)，可能存在節(jié)理密集帶。在巖體受構(gòu)造影響較嚴(yán)重地段，圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育，巖石層間結(jié)合力差，掘進(jìn)時(shí)可能發(fā)生圍巖松動、下沉、掉塊、剝落等現(xiàn)象。

敞開式TBM依靠撐靴撐緊洞壁提供推力，但由于圍巖破碎，強(qiáng)度較低，敞開式TBM掘進(jìn)較為困難，且敞開式TBM護(hù)盾較短對破碎帶的防護(hù)不利，有可能出現(xiàn)掉塊等現(xiàn)象，在圍巖稍差地段可通過設(shè)備自帶的超前鉆機(jī)提前進(jìn)行圍巖預(yù)加固處理[2]。

復(fù)合式TBM依靠盾尾推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上提供推力，推進(jìn)刀盤破巖及換步，機(jī)器本身護(hù)盾較長，對圍巖破碎帶的防護(hù)是有利的。

2.3 掘進(jìn)長度適應(yīng)性分析

一般敞開式TBM主軸承的設(shè)計(jì)壽命為1.5～2萬h，換算為正常情況下隧道掘進(jìn)長度大約為10～20km，考慮到重慶軌道交通地層主要以軟巖為主，巖石強(qiáng)度不大，在不更換主軸承進(jìn)行大修的條件下，一臺TBM掘進(jìn)的長度大約為20km。

復(fù)合式TBM主軸承設(shè)計(jì)壽命最長10000h，換算為掘進(jìn)長度最長10km。

2.4 掘進(jìn)速度及工期適應(yīng)性分析

根據(jù)已實(shí)施六號線工程籌劃及施工實(shí)踐，敞開式TBM經(jīng)過磨合期后在Ⅳ級一般圍巖段開挖掘進(jìn)速度可達(dá)500～1100m/月（不考慮后期二襯施作時(shí)間），而復(fù)合式TBM其綜合掘進(jìn)速度平均下來一般為200～300m/月。

在埋深較深、圍巖完整的情況下，敞開式TBM掘進(jìn)較快，區(qū)間的快速施工也會減小對沿途所經(jīng)過車站的影響；復(fù)合式TBM雖然掘進(jìn)速度相對慢，但是能夠一次成洞，減少了后續(xù)襯砌的二次擾動，總體看其施工速度稍慢，會對所經(jīng)過的車站產(chǎn)生一定的影響。

2.5 區(qū)間支護(hù)措施分析

2.5.1 開挖過程中支護(hù)。在巖體受構(gòu)造影響較為嚴(yán)重的局部地段，敞開式TBM可以利用自帶輔助設(shè)備進(jìn)行靈活處理，如打設(shè)超前支護(hù)等輔助措施通過、開挖后及時(shí)架立鋼架、打錨桿、手動噴射混凝土等，可根據(jù)不同的圍巖條件調(diào)整支護(hù)措施的強(qiáng)弱；復(fù)合式TBM盾體較長，可利用盾體防護(hù)圍巖，后續(xù)管片緊跟支護(hù)，當(dāng)前方所遇地質(zhì)條件較差、地下水量較大、容易誘發(fā)掌子面失穩(wěn)及地表沉陷時(shí)，復(fù)合式TBM可及時(shí)關(guān)閉螺旋輸送器，利用密封土倉止水保壓，確保掌子面的穩(wěn)定，再利用自帶的超前設(shè)備或結(jié)合地表等進(jìn)行加固處理后通過。

2.5.2 后續(xù)區(qū)間支護(hù)。敞開式TBM掘進(jìn)開挖后采用噴錨支護(hù)，二次襯砌一般不緊跟，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)二次襯砌的各種支護(hù)參數(shù)可根據(jù)具體地層情況通過結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，以達(dá)到因地制宜的目的。

復(fù)合式TBM開挖后采用管片支護(hù)，由于管片緊跟，對洞周的穩(wěn)定性相對安全。預(yù)制管片的質(zhì)量相比現(xiàn)澆模筑二次襯砌而言要好。

2.6 過站適應(yīng)性分析

軌道交通區(qū)間一般每隔1～1.5km需設(shè)一座車站，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于城市地下區(qū)間施工，不可避免地要遇到過站問題。

2.6.1 敞開式TBM過站。若車站超前敞開式TBM施工，當(dāng)TBM掘進(jìn)到站時(shí)，TBM可以利用自身設(shè)備結(jié)合外界步進(jìn)裝置完成步進(jìn)過站，其步進(jìn)速度大約為40～50m/d；若TBM掘進(jìn)到站時(shí)，車站主體結(jié)構(gòu)工程尚未施工，則預(yù)留TBM掘進(jìn)通過條件，TBM可掘進(jìn)過站，待其完成該區(qū)段全部掘進(jìn)后再擴(kuò)挖施工車站主體。

2.6.2 復(fù)合式TBM過站。若車站超前復(fù)合式TBM施工，當(dāng)復(fù)合式TBM掘進(jìn)到站時(shí)，可將復(fù)合式TBM機(jī)安放在鋼結(jié)構(gòu)基座上，利用卷揚(yáng)機(jī)牽引過站；若復(fù)合式TBM到站時(shí)車站主體尚未施工，則按正常段落掘進(jìn)通過，待其完成全部掘進(jìn)后再分段拆除管片，并進(jìn)行車站主體部分的擴(kuò)挖。

2.6.3 過站方案比較。在已施作車站地段，敞開式TBM可以直接利用步進(jìn)鋼板或弧形導(dǎo)軌完成步進(jìn)過站，過站速度快，投入的輔助設(shè)備少，造價(jià)低，但是考慮TBM設(shè)備的特點(diǎn)，TBM一般均沿線路中線前行，導(dǎo)致車站范圍需通長加寬、加深，預(yù)留TBM步進(jìn)通行的空間；而復(fù)合式TBM需要先安裝滑行鋼軌，利用卷揚(yáng)機(jī)或千斤頂才能完成步進(jìn)，此時(shí)車站只需兩端一定范圍內(nèi)擴(kuò)寬，通長加深，故從車站增加的費(fèi)用考慮，敞開式TBM比復(fù)合式TBM要大[3]。

在車站主體尚未開挖時(shí)，復(fù)合式TBM需要安設(shè)管片掘進(jìn)通過，后期車站施工時(shí)又要全部拆除，將造成很大的浪費(fèi)。敞開式TBM可采用噴錨支護(hù)，措施相對靈活，后期拆除初期支護(hù)較容易，廢棄工程量小，與復(fù)合式TBM過站后期要拆除管片相比較，可節(jié)省一定的費(fèi)用。

3 對比結(jié)論

通過以上對比分析，敞開式TBM與復(fù)合式TBM雖然都能實(shí)現(xiàn)在重慶市區(qū)地層條件下的掘進(jìn)，敞開式TBM與復(fù)合式TBM的總體適應(yīng)性對比如下表：

表1 敞開式TBM與復(fù)合式TBM適應(yīng)性對比表

4 結(jié)束語

綜合分析考慮，結(jié)合重慶軌道交通已施工TBM區(qū)段的實(shí)施效果，并通過對敞開式TBM與復(fù)合式TBM進(jìn)行分析比較，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，復(fù)合式TBM適用地層范圍較廣，價(jià)格相對便宜，一次成洞，有利于區(qū)間及開挖掌子面的穩(wěn)定，重慶軌道交通地下隧道優(yōu)先推薦采用復(fù)合式TBM施工。