唐志強

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人口城鎮(zhèn)化趨勢的加重，城市的規(guī)模也日益增大，城市人口的增加和機動車數(shù)量的日益增長，導致了城市交通狀況的不斷惡化。為了改善交通環(huán)境，政府采取了各種措施緩解交通壓力，其中地下鐵道的建設(shè)是目前較為有效的辦法，且得到了普遍認可。由于在建筑物較為密集的城市中修建地鐵，傳統(tǒng)的施工方法受地面建筑、道路、城市交通、水文地質(zhì)、環(huán)境保護、施工機具以及資金條件等因素的影響較大，隨著施工技術(shù)的發(fā)展，安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)保的機械化施工將在未來的地鐵施工中越來越多的采用［1-5]。根據(jù)青島市地下鐵道沿線的水文地質(zhì)特征、地面和地下環(huán)境情況及環(huán)保要求等因素，對TBM工法在青島地鐵施工中的應用進行分析研究［6-7]。

1 工法比較

在地鐵施工中區(qū)間隧道主要采用明挖法和暗挖法2種施工形式，明挖法區(qū)間隧道適用于結(jié)構(gòu)埋深較淺，施工場地開闊、建筑物稀少、交通及環(huán)境允許的地區(qū)，該法施工速度快，造價較低，結(jié)構(gòu)形式一般為整體澆筑鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)，可設(shè)中墻或根據(jù)線路要求采用單跨結(jié)構(gòu)。暗挖法適用于埋深較大，地面交通和建筑較為密集，且拆遷較為困難的地段。該法對地面構(gòu)筑物和環(huán)境影響較小，且施工較為靈活，可根據(jù)地質(zhì)條件、周邊地表環(huán)境和工期要求等采用礦山法、TBM法和盾構(gòu)法等形式。

由于地鐵施工多在建筑密集、道路狹窄及交通復雜等地段修建，多采用暗挖法施工。

1.1 暗挖法的特點分析

暗挖法在地鐵施工中應用較為廣泛，技術(shù)較為成熟，暗挖法主要包括礦山法、盾構(gòu)法、TBM法、淺埋暗挖法等，以下對幾種方法進行分析。

1.1.1 礦山法

礦山法適用于結(jié)構(gòu)埋置較深、具有一定自穩(wěn)能力巖層中的隧道開挖，適用深埋于較堅硬巖體中隧道的開挖。礦山法施工技術(shù)成熟，靈活方便，尤其在地質(zhì)條件較復雜的情況下，能夠根據(jù)地質(zhì)條件的變化，隨時改變施工方案，并且投資較低。在目前國內(nèi)的地鐵施工中，青島、重慶的地質(zhì)特征比較適合采用礦山法施工。通過對目前重慶地鐵和青島地鐵在建工程的施工情況分析，在城市中采用礦山法施工存在施工安全風險高、施工擾民、對既有建筑物的安全影響較大、對工期的影響較大等缺點。

1.1.2 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法是暗挖隧道施工中一種先進的工法。盾構(gòu)法施工不僅施工進度快，而且噪聲小，振動小，對地面交通及沿線建筑物、地下管線和居民生活等影響較少。盾構(gòu)法施工具有良好的隱蔽性，施工引起的噪聲、振動的危害小，對城市居民的生活影響小，機械化程度高，勞動強度低等優(yōu)點。盾構(gòu)法適合在軟弱地層施工，不適合巖石地層施工。

1.1.3 TBM法

全斷面隧道掘進機(TBM)一般適用于巖石地層。在我國水利水電隧道、鐵路隧道、公路隧道應用較為廣泛，但是在地鐵施工中采用TBM較少，目前國內(nèi)重慶地鐵屬于首次采用，且取得了成功。

TBM法的優(yōu)點:(1)掘進效率高、速度快。掘進機開挖時，TBM可以實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，從而可以實現(xiàn)破巖、出渣、初期支護一條龍作業(yè)，從而提高了掘進速度，一般情況下為礦山法施工速度的2.5～4倍。(2)TBM開挖施工質(zhì)量好，且超挖量少。TBM開挖的隧道內(nèi)壁較光滑，從而可以減少因超挖增加支護工程量，降低工程費用。(3)對巖石的擾動小。TBM施工可以大大改善開挖面的施工條件，而且周圍巖層穩(wěn)定性較好，從而保證了施工人員的健康和安全，同時隧道周邊建筑受到的影響也較鉆爆法小。(4)施工安全性高，TBM可在刀盤內(nèi)進行刀具的更換，密閉式操控室和高性能使安全性和作業(yè)環(huán)境有了較大的改善。(5)施工環(huán)境污染小，TBM掘進施工中具有振動小、噪聲低、粉塵少的特點，對周邊環(huán)境影響很小。同時TBM可以連續(xù)掘進施工，一般不會出現(xiàn)為了避免影響居民休息、工作等在特定時間內(nèi)不能施工的情況。

TBM法的缺點:(1)掘進機對多變的地質(zhì)條件(斷層、破碎帶、擠壓帶、涌水及堅硬巖石等)的適應性差。(2)由于掘進機結(jié)構(gòu)復雜，對材料、零部件的耐久性要求高，故其設(shè)備價格較高。在施工前需要花大量資金購買部件和制造機器，致使工程建設(shè)投資高，不適用于短隧道。(3)施工中不能改變開挖直徑及形狀，在應用上受到一定的制約。(4)對車站有始發(fā)、接收、調(diào)頭和過站的要求，因此增加了車站土建造價，同時工期相互制約。

1.1.4 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法為一種適用于較為松散地層施工的新奧法。它充分利用地層自身的自穩(wěn)能力和開挖掌子面的空間約束，主要采用錨噴支護的形式對地層進行加固，約束圍巖的松弛和變形。并通過對圍巖和支護進行實時監(jiān)控來指導工程的設(shè)計與施工的一種工法。新奧法主要應用于埋深較淺、松散不穩(wěn)定的土層和軟弱破碎的巖層中。在深圳、北京、西安等地區(qū)采用較為廣泛［8-9]。

1.2 暗挖法在青島地鐵施工的適應性分析

根據(jù)青島地鐵的地勘報告顯示，地鐵區(qū)間隧道主要穿越地層為中等～微風化花崗巖，局部地段洞頂為強風化巖，部分地段發(fā)育煌斑巖、花崗斑巖等脈巖及碎裂巖等構(gòu)造巖，該地區(qū)地下水類型按賦存方式分為第四系松散巖類孔隙水和塊狀基巖裂隙水2類，除構(gòu)造發(fā)育段地下水富水性貧～中等外，其他地段地下水一般不發(fā)育。各巖層照片如圖1所示。

圖1 各巖層取樣圖片

如圖1所示:強風化下亞帶花崗巖的礦物成分主要為堿性長石、斜長石、石英，礦物蝕變強烈，長石多高嶺土化，巖芯手搓呈砂狀～角礫狀，手掰易碎，巖體極破碎;中風化花崗巖構(gòu)造節(jié)理及風化裂隙較發(fā)育，多為高角度節(jié)理，節(jié)理面呈閉合～微張開狀，節(jié)理面見鐵染現(xiàn)象，巖芯多呈塊狀～短柱狀，取芯率為65%～75%，石英含量30%～35%。巖體單軸飽和抗壓強度8～45 MPa，巖體完整性指數(shù)Kv為0.3～0.5，屬破碎～較破碎的較軟巖～較硬巖;微風化花崗巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，沿節(jié)理面有鐵銹色礦染，巖芯多呈短柱～柱狀，取芯率為80%～100%，石英含量30%～35%。巖體單軸飽和抗壓強度35～80 MPa，巖體完整性指數(shù)Kv為0.55～0.75，屬較完整的較硬～堅硬巖，耐磨性指數(shù)為2.01～3.28，屬極低～低耐磨性。

根據(jù)青島地鐵的水文地質(zhì)特性，青島地鐵區(qū)間主要穿越花崗巖地層，所以施工時不宜采用盾構(gòu)法和淺埋暗挖法施工。

區(qū)間線路大部分通過城市中心部分，沿線人口稠密、地面交通繁忙、穿越的地面建(構(gòu))筑物較多，青島地鐵不宜采用礦山法施工。

根據(jù)水文地質(zhì)條件周邊環(huán)境對地鐵施工要求高，從技術(shù)、安全、環(huán)保等幾方面綜合考慮和已有的重慶地鐵的施工經(jīng)驗，在青島地鐵采用TBM工法施工較為適宜。

2 TBM機型比選

常用的全斷面隧道掘進機(TBM)有敞開式、單護盾、雙護盾巖石掘進機。根據(jù)不同的地質(zhì)巖層特性選用不同的形式的巖石掘進機［10-13]。現(xiàn)對各種巖石掘進機進行介紹如下。

(1)敞開式TBM

敞開式TBM是利用自身支撐機構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進機，主要適應于硬巖。如遇有局部破碎帶等地層時，可通過掘進機所附帶的超前鉆及注漿設(shè)備進行注漿加固，隧道支護采用模筑襯砌形式。

(2)改良型單護盾TBM

改良型單護盾復合TBM是以傳統(tǒng)單護盾(TBM)為基礎(chǔ)，吸取了土壓平衡盾構(gòu)的原理及優(yōu)點后產(chǎn)生的一種巖石掘進機，適合于軟巖及硬巖地層的施工，隧道支護采用同步管片襯砌。

(3)改良型雙護盾TBM

改良型雙護盾TBM針對傳統(tǒng)雙護盾TBM進行了改進，增加螺旋器出砟系統(tǒng)，采用敞開式和土壓平衡2種掘進模式，增加了噴錨支護系統(tǒng)，支護結(jié)構(gòu)可根據(jù)地質(zhì)情況采用管片或復合襯砌。由于改良型雙護盾TBM集合了敞開式TBM及單護盾TBM的優(yōu)點，可以適應軟硬地層的掘進施工;因為在掘進時可以同時安裝管片，所以它的掘進速度也比較快。

在我國引水隧道和鐵路隧道中雙護盾TBM有很多成功施工的經(jīng)驗和實例，例如:新疆大阪輸水隧洞工程采用1臺雙護盾施工19.7 km;青海“引大濟湟”引水隧洞采用1臺雙護盾施工約20 km，在美國紐約地鐵施工中也采用過1臺直徑為6.7 m的雙護盾TBM施工。所以根據(jù)雙護盾TBM已經(jīng)施工完成的成功經(jīng)驗，在青島地鐵采用雙護盾TBM是可行的。

TBM機型如圖2所示。

圖2 TBM機型

3 機型的適應性分析

3.1 3種機型特征分析

根據(jù)青島區(qū)域地質(zhì)特性，青島地鐵工程的設(shè)計技術(shù)特點，支護要求，施工的難易程度分別對3種機型的地層適應性，線路的適應性，支護形式，施工的靈活性和經(jīng)濟技術(shù)指標等方面進行了分析比較［7-8]，分析見表1。

3.2 比較分析結(jié)果

敞開式TBM適合于采用“先洞后站”的施工模式，這樣可以充分發(fā)揮快速掘進的優(yōu)勢，對環(huán)境干擾較小;但是目前的施工組織設(shè)計，車站與區(qū)間同期進行建設(shè)，如采用敞開式TBM施工，場地占用、組裝、拆卸相對困難，施工靈活性差，且設(shè)備造價高，攤銷小，殘余價值高。

改良型單護盾復合TBM只能采用支護同步管片襯砌，支護及時跟進，施工工序單一，機械化程度高，但在微風化花崗巖地層中采用管片襯砌造價較模筑襯砌稍高。

表1 掘進機比選對照

改良型雙護盾TBM具有敞開式和土壓平衡2種掘進模式，在中、微風化帶采用敞開模式掘進，充分利用圍巖的自承能力，采用造價相對較低的模筑襯砌支護結(jié)構(gòu)，施工速度快;在地質(zhì)條件較差的強風化巖層中掘進時，可采用土壓平衡模式，采用同步管片襯砌，支護及時可靠。

4 結(jié)語

隨著我國地鐵建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，已從傳統(tǒng)的施工方法發(fā)展到安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)保的機械化施工。在巖石地層中采用TBM施工將為我國巖石地層地鐵修建技術(shù)開啟新的篇章。根據(jù)青島地鐵的水文地質(zhì)特點、環(huán)境要求、經(jīng)濟性要求等特征綜合比選分析得出:改良型雙護盾TBM較適合青島地鐵施工。因為它具有敞開式和土壓平衡2種掘進模式，同時具備管片和模筑襯砌2種支護形式，可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用不同的掘進和支護形式，真正體現(xiàn)了機械化掘進的快速、高效、環(huán)保、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點。

［1]祁志，宋宏偉，賈穎絢.全斷面掘進機的應用現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J].建筑機械化，2002(5):20-22.

［2]鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術(shù)指南［M].北京:中國鐵道出版社，2007:140-141.

［3]陳滿拾.我國全斷面巖石掘進機的發(fā)展近況［J].鐵道建筑技術(shù)，1991(2):1-4.

［4]水利部科技推廣中心.TBM全斷面巖石掘進機［M].北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［5]北京城建設(shè)計研究總院.GB50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范［S].北京:中國計劃出版社，2003.

［6]青島市地下鐵道公司，中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，中鐵二院工程集團有限責任公司聯(lián)合編寫.青島市地鐵二期工程(2號線)采用TBM施工可行性專題研究［R].青島:2010.

［7]尹俊濤.與TBM相關(guān)的主要工程地質(zhì)問題研究［D].長沙:中南大學，2005.

［8]張照煌，李福田.全斷面隧道掘進機施工技術(shù)［M].北京:中國水利水電出版社，2006.

［9]宋克志，朱建德，王夢恕.無水砂卵石地層盾構(gòu)機的選型［J].鐵道標準設(shè)計，2004(11):51-54.

［10]［作者不詳].巖石隧道掘進機(TBM)施工技術(shù)及工程實例［M].北京:中國鐵道出版社，2004.

［11]姜曦.TBM在隧道不同圍巖條件下的有限元數(shù)值模擬分析［J].公路隧道，2011(2):8-10.

［12]趙紀平.淺談TBM掘進機在軟弱圍巖中的施工技術(shù)［J].西部探礦工程，2004(6):96-97.

［13]劉春，沙明元，宋成祥，秦淞君.西安-安康鐵路秦嶺隧道TBM掘進施工技術(shù)總結(jié)［M].北京:中國鐵道出版社，2004.