雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)應(yīng)用研究

馮興華

摘要：作為一類新型的隧道建設(shè)施工技術(shù)，雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)，能夠充分利用硬巖掘進機械盾構(gòu)掘進功能，實現(xiàn)隧道掘進施工效率和實施質(zhì)量的大幅提升。針對雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)展開研究，在介紹技術(shù)原理基礎(chǔ)上，對常見典型問題進行分析，闡述實施過程的技術(shù)難點，基于技術(shù)創(chuàng)新角度，構(gòu)建雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)在隧道盾構(gòu)工程應(yīng)用的優(yōu)化策略，以期為相關(guān)地鐵隧道建設(shè)工程提供幫助。

關(guān)鍵詞：雙護盾TBM；地鐵隧道；小半徑曲線；地鐵隧道；典型問題；改進策略

0? ?引言

在城市繁華路段實施地鐵建設(shè)施工，采用常規(guī)施工技術(shù)易受到施工場地道路交通、附近建筑物、水文地質(zhì)條件、項目投資金額等因素制約。近年來，隨著地鐵施工技術(shù)不斷進步，以全斷面硬巖掘進機（TBM）為代表的施工技術(shù)越來越受城市地鐵工程施工的青睞。

雙護盾隧道硬巖掘進機（TBM）集地鐵隧道掘進、管片拼接、出渣流水操作等功能于一體，通過自動化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化施工實現(xiàn)隧道的一次掘進成型，在隧道工程施工中展現(xiàn)了良好的適用性，有效提升了地鐵隧道建設(shè)項目的安全和建設(shè)質(zhì)量[1]。本文結(jié)合實際地鐵隧道工程，在介紹技術(shù)原理基礎(chǔ)上，闡述實施過程的技術(shù)難點，針對雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)實際應(yīng)用展開研究。

1? ?雙護盾TBM小半徑曲線施工原理

TBM即隧道硬巖掘進機，此類機械設(shè)備上配置了回旋刀具，在掘進前行時，通過旋轉(zhuǎn)切割將前方隧洞內(nèi)的硬巖土層擊碎，從而構(gòu)建出滿足設(shè)計要求的新隧洞斷面結(jié)構(gòu)[2]。雙護盾TBM是在隧道硬巖掘進機梁端位置配備護盾保護裝置，對隧道實施綜合性鉆孔作業(yè)、掘進作業(yè)、支護作業(yè)等，從而實現(xiàn)施工質(zhì)量與效率的有效提升。

雙護盾TBM還配備了先進的通信和傳感裝置，機械操作人員可利用掘進機的信息遙感及遠(yuǎn)程操控功能，配合指導(dǎo)控制掘進機實施操作，確保掘進機嚴(yán)格按照地鐵隧道項目設(shè)計施工方案實施掘進作業(yè)。雙護盾硬巖掘進機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

地鐵隧道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，小半徑曲線表示隧道施工路徑的彎曲程度情況，主要用于測算地鐵在軌道行進運行狀態(tài)，計算出軌道坡度值，以防高速行駛的列車受離心力作用，形成對軌道的高強度擠壓而引發(fā)行駛風(fēng)險[3]。國內(nèi)常見的小曲線半徑地鐵線路長度通常在300m以內(nèi)，如西安某地鐵線路的最小曲線半徑為270m，南寧某地鐵線路的最小曲線半徑為290m。

雙護盾TBM小半徑曲線技術(shù)在地鐵隧道的應(yīng)用，主要是通過測算雙護盾硬巖掘進機的工作軌跡，實現(xiàn)施工軸線的控制，合理調(diào)配掘進機的行進軌跡及方向，通過不斷的技術(shù)優(yōu)化改良，實現(xiàn)地鐵隧道掘進施工效率和質(zhì)量的有效提升。

2? ?雙護盾TBM小半徑曲線施工典型問題分析

在通常的地鐵隧道施工中，常因隧洞整體掘進軌跡偏移，導(dǎo)致隧道建設(shè)項目地層結(jié)構(gòu)破壞。在地鐵隧道建設(shè)工程項目中，應(yīng)用雙護盾TBM小半徑曲線施工技術(shù)則易出現(xiàn)以下典型問題：

由于前期施工工序流程設(shè)計不嚴(yán)謹(jǐn)，參建方未在雙護盾硬巖隧道掘進機施工前，提供完備的項目施工參數(shù)，導(dǎo)致地鐵隧道施工控制出現(xiàn)偏差，進而影響后續(xù)地鐵軌道的安裝。另外，在雙護盾硬巖隧道掘進機完成管片脫盾尾操作后，受橫向水平側(cè)分力作用，使隧道掘進過程的最小半徑曲線值受到影響，給今后的地鐵安全運行使用帶來風(fēng)險。

因地鐵隧道工程項目設(shè)計方案中存在參數(shù)不合理情況，進而干擾后續(xù)雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工的掘進軌跡實施精確性。受橫向水平側(cè)分力的作用，導(dǎo)致掘進施工產(chǎn)生施工偏差，如果施工中面臨連續(xù)折線狀況，易產(chǎn)生施工運行參數(shù)混亂的情形[4]。此類情況下應(yīng)立即對雙護盾硬巖掘進機實施參數(shù)調(diào)整，否則會引起掘進機行進角度及方向的偏移，對地鐵隧道項目掘進作業(yè)的精確度構(gòu)成影響，如引起隧洞地層糾偏量過大，會對隧洞土層的穩(wěn)定性構(gòu)成影響，嚴(yán)重者影響后續(xù)地鐵隧道施工的有序開展。

由于參建單位未對施工影響因素及施工區(qū)域?qū)嵤┛茖W(xué)分析，導(dǎo)致對隧道項目的安全施工構(gòu)成風(fēng)險。應(yīng)用雙護盾TBM小半徑曲線技術(shù)，會對掘進機管片施加很大應(yīng)力，易影響雙護盾硬巖掘進機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)及行進平穩(wěn)性。同時，由于對雙護盾硬巖掘進機狀態(tài)監(jiān)督檢查機制疏于管理，特別是未對雙護盾硬巖掘進機傳動部件卡頓狀況及管片損壞狀況有效監(jiān)測，造成掘進機局部受力過大，難以形成穩(wěn)定的支撐狀態(tài)，進而對地鐵隧道項目實際工期和施工質(zhì)量構(gòu)成不良影響。

3? ?雙護盾TBM小半徑曲線施工技術(shù)優(yōu)化策略

3.1? ?加強施工過程控制

3.1.1? ?全面掌握隧道項目的實際狀況

應(yīng)針對雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工場地，實施科學(xué)的技術(shù)勘測，準(zhǔn)確獲取項目設(shè)計所需的地質(zhì)參數(shù)，充分掌握隧道工程實際環(huán)境信息，建立完備的技術(shù)實施方案及工期節(jié)點，避免因環(huán)境因素分析不充分而影響雙護盾TBM小半徑曲線技術(shù)應(yīng)用的精準(zhǔn)性。

落實地鐵隧道作業(yè)場地的二次勘察，保證實際施工狀況同施工設(shè)計方案的統(tǒng)一性。對于存在偏差的部分，應(yīng)及時上報相關(guān)單位，盡量降低雙護盾硬巖掘進機在作業(yè)場地的等待閑置時長。要及時檢測調(diào)整雙護盾硬巖掘進機前盾方向，嚴(yán)格依據(jù)方案設(shè)計軸線方向，調(diào)整糾偏雙護盾硬巖掘進機的刀盤角度[5]。

3.1.2? ?充分認(rèn)知雙護盾隧道掘進機的功能特征

通過工程前期技術(shù)培訓(xùn)的方式，加強參建人員對雙護盾TBM小半徑曲線施工技術(shù)的掌握程度，讓其充分掌握掘進機作業(yè)模式、機械結(jié)構(gòu)、施工要點、環(huán)境要求等內(nèi)容，強化技術(shù)實施人員及技術(shù)管理人員對物理應(yīng)力、隧道方向偏差、曲線半徑變化等理論參數(shù)內(nèi)容的掌握。落實技術(shù)交底制度，使實際參建人員明晰地鐵隧道掘進項目的施工設(shè)計方案及具體要求，嚴(yán)格依據(jù)工程要求實施掘進流程作業(yè)。

3.1.3? ?合理配備智能化裝置

通過在雙護盾硬巖掘進機上配置智能傳感裝置，實現(xiàn)掘進機操控人員能夠隨時同外界技術(shù)監(jiān)管人員的信息互通，便于使操控人員及時掌握隧道掘進過程的土層攪動情況，及時進行糾偏操作[6]。在雙護盾硬巖掘進機換步操作過程中，應(yīng)做好撐靴中心至支撐盾初始測量點位距離，與地鐵隧道的設(shè)計軸線垂直系數(shù)的對比檢查工作，推算出掘進機的正面推進力值。

可應(yīng)用智能傳感器輔助模型，對正面推進力值推算結(jié)果進行分析，并同控制中心的正面推進力圖形成比對，以驗證設(shè)計方案的合理性。如存在偏差，應(yīng)對方案及時作出優(yōu)化調(diào)整。同時，應(yīng)利用主推缸快速同步移動法，驗證雙護盾硬巖掘進機推進模式對巖土的攪動系數(shù)。隨后利用慢速差動微調(diào)法，驗證掘進機兩端傳感器的差值始終在施工標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，保證雙護盾硬巖掘進機前、后盾方位的準(zhǔn)確性。

3.1.4? ?科學(xué)落實掘進施工流程監(jiān)管

在雙護盾硬巖掘進機實施地鐵隧道施工前，應(yīng)嚴(yán)格參照檢測機械初始狀態(tài)→檢測支撐盾初態(tài)→檢測伸縮盾初態(tài)的工序流程，實施掘進機械的復(fù)檢，確保雙護盾硬巖掘進機投用前處于良好狀態(tài)。在雙護盾硬巖掘進機小半徑曲線施工過程中，應(yīng)加強掘進施工工序流程管理，特別針對雙護盾硬巖掘進機換步操作時，應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)管機械操作。

建立并落實項目現(xiàn)場技術(shù)負(fù)責(zé)制，確保雙護盾硬巖掘進機操控人員技能水準(zhǔn)及資質(zhì)符合項目要求。在確保項目技術(shù)團隊人員穩(wěn)定性，降低漿液填裝人員及其他輔助人員的現(xiàn)場流動性的基礎(chǔ)上，提升各工序的默契配合程度，實現(xiàn)雙護盾掘進機小半徑曲線地鐵隧道施工的參建人員、施工機械、現(xiàn)場材料、投資成本、施工流程及工期等要素的科學(xué)監(jiān)管。

3.2? ?提升隧道掘進精確性

3.2.1? ?施工前核準(zhǔn)掘進機參數(shù)

在雙護盾硬巖掘進機正式掘進施工前，應(yīng)核準(zhǔn)刀盤開挖直徑長度，并參考現(xiàn)場實際環(huán)境及設(shè)計施工方案調(diào)整刀盤直徑。在雙護盾硬巖掘進機開啟前，還應(yīng)檢測尾盾外徑、外盾外徑長度，以防止因掘進機管片破損而導(dǎo)致機械卡頓，影響掘進效果。雙護盾硬巖掘進機回旋刀盤如圖2所示。

3.2.2? ?施工中嚴(yán)格控制施工參數(shù)

根據(jù)實際工況對掘進參數(shù)精準(zhǔn)計算，控制施工參數(shù)精度，提升掘進施工精準(zhǔn)性。雙護盾硬巖掘進機尾盾同隧洞壁單側(cè)距離應(yīng)保持7.5cm左右，前盾同隧洞壁單側(cè)距離應(yīng)約為3cm，每次正式啟動施工前，應(yīng)認(rèn)真檢測間距符合要求。

實施小半徑曲線地鐵隧道掘進作業(yè)時，操控人員應(yīng)嚴(yán)控掘進機運行參數(shù)，根據(jù)施工要求及時糾偏。一旦行進軸線存在偏差，應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)整弧線外圍偏差，以有效降低掘進機行進時軸線偏移量。為了給隧洞施工曲線偏差預(yù)留特定的參數(shù)調(diào)整空間，確保雙護盾掘進機一直保持在曲線隧道的圓心一側(cè)，應(yīng)科學(xué)設(shè)定預(yù)偏移誤差取值范圍。

3.3? ?降低安全施工風(fēng)險

利用雙護盾硬巖掘進機實施小半徑曲線隧道施工時，應(yīng)深入分析隧道施工區(qū)域，及時排查現(xiàn)場危險源，嚴(yán)格依據(jù)施工設(shè)計方案參數(shù)形成施工區(qū)域空間分析，提升雙護盾硬巖掘進機對施工現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)程度，實現(xiàn)掘進效率和施工質(zhì)量的提升。

3.3.1? ?掘進前準(zhǔn)備工作

雙護盾硬巖掘進機小半徑曲線施工前，應(yīng)做好掘進機管片檢查，精準(zhǔn)測算管片承壓負(fù)荷后的偏移狀況?？茖W(xué)設(shè)計繪制掘進軸線預(yù)偏量施工圖，并做好操控人員的技術(shù)交底工作，使其充分掌握雙護盾硬巖掘進機的預(yù)偏移量規(guī)律。

3.3.2? ?掘進中管控措施

在保證施工安全性的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格管控雙護盾硬巖掘進機的掘進速度，通常地鐵隧道小半徑曲線施工掘進速度應(yīng)控制在3～4cm/min，并控制雙護盾硬巖掘進機的巖土攪動作用在設(shè)計偏移規(guī)定區(qū)間內(nèi)。

掘進過程中，操控人員應(yīng)實時掌握巖土的向外分力參數(shù)，利用應(yīng)力傳感裝置、動力傳感裝置、土量測算裝置，觀察雙護盾硬巖掘進機的掘進狀況，及時糾偏巖土層的向外分力及擾動系數(shù)。同時應(yīng)防止過量的外力作用對管片、前盾、后盾及輔助推進千斤頂機械的損傷，延長機械部件的使用周期。

地鐵隧道掘進施工后期，操控人員應(yīng)科學(xué)控制雙護盾硬巖掘進機的正面推進力，預(yù)留充足的空間、時間為隧洞支護工作所用。要做好掘進與回填施工的工序銜接，控制碎石量，測算回填填充密度，盡量避免因過度填充破壞隧道圍巖結(jié)構(gòu)現(xiàn)象?？赏ㄟ^泥漿回填法實施小半徑曲線掘進回填施工，控制泥漿回填量，以限制回填時管片軸線的偏移距離。

4? ?結(jié)束語

作為一類新型的隧道建設(shè)施工技術(shù)，雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)，能夠充分利用硬巖掘進機械盾構(gòu)掘進功能，實現(xiàn)隧道掘進施工效率和實施質(zhì)量的大幅提升。本文圍繞雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)應(yīng)用進行探討，分析技術(shù)實現(xiàn)原理，列舉工程實際的典型應(yīng)用問題，探尋施工進程的技術(shù)難點，基于技術(shù)創(chuàng)新角度，構(gòu)建雙護盾TBM小半徑曲線地鐵隧道施工技術(shù)在隧道盾構(gòu)工程應(yīng)用的優(yōu)化策略，以期為類似地鐵隧道掘進工程提供參考。

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