唐志強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

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雙護(hù)盾TBM在城市軌道交通中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

唐志強(qiáng)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

為解決雙護(hù)盾TBM在城市軌道交通中應(yīng)用出現(xiàn)的頻繁過站、小曲線半徑施工、下穿風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)等問題，結(jié)合青島地鐵2號(hào)線的設(shè)計(jì)和施工情況，對(duì)雙護(hù)盾TBM的適應(yīng)性、支護(hù)形式、不同支護(hù)間的接口設(shè)計(jì)、過站技術(shù)方案、管片壁后注漿、下穿建筑和不良地質(zhì)段等方面進(jìn)行研究。提出管片襯砌/(錨噴+模筑襯砌)組合襯砌方式，解決了不同支護(hù)間的接口設(shè)計(jì)問題。根據(jù)車站工法提出TBM整機(jī)曲線過站的技術(shù)方案，解決了TBM過站多次拆解、組裝、調(diào)試以及對(duì)車站影響的技術(shù)難題。同時(shí)研究并解決了TBM小曲線半徑施工、管片壁后回填灌漿、下穿建(構(gòu))物和不良地質(zhì)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。雙護(hù)盾TBM在青島地鐵的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了“高效、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)”的工程建設(shè)理念。

雙護(hù)盾TBM；管片襯砌；接口防水；TBM過站；回填灌漿

隨著工程建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)越來越多地采用機(jī)械化施工技術(shù)代替原始的人工作業(yè)技術(shù)，在城市軌道交通工程建設(shè)中“安全、環(huán)保、高效”的機(jī)械化施工將成為未來軌道交通建設(shè)發(fā)展的主要方向[1-2]。

在巖石地層中修建隧道將首選隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)進(jìn)行施工。TBM已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于引水隧洞、鐵路隧道、公路隧道的建設(shè)，特別是在長大隧道建設(shè)中成為首選施工方法。在城市軌道交通建設(shè)中采用TBM施工較少，重慶地鐵首次采用敞開式TBM施工并取得成功。青島和重慶都屬于巖石地層，青島地鐵建設(shè)規(guī)劃線網(wǎng)中1、2、3、4、5號(hào)線中地下線比重較大，地下線基本敷設(shè)于既有道路或建筑物下方，沿線地面建筑物密集，較適合采用TBM施工。為解決青島地鐵3號(hào)線采用礦山法施工過程中出現(xiàn)的施工擾民情況嚴(yán)重、施工效率低下、環(huán)境污染較大、施工占地和拆遷大等問題，青島地鐵2號(hào)線結(jié)合自身的地質(zhì)特征和周邊環(huán)境情況，經(jīng)過多方研究及論證，部分段落采用雙護(hù)盾TBM施工[3-4]。

TBM在城市軌道交通中應(yīng)用工程較少，同時(shí)雙護(hù)盾TBM尚屬首次使用，無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，施工中將面臨如下問題。

(1)決定TBM能否用于城市地鐵施工的先決條件為地質(zhì)問題，對(duì)于砂層、砂卵石、粉細(xì)砂、土質(zhì)地層等非巖石地層不宜采用TBM，對(duì)于斷層破碎帶及軟弱破碎帶等不良地質(zhì)段TBM適應(yīng)性較差。

(2)雙護(hù)盾TBM兼?zhèn)鋯巫o(hù)盾和敞開式兩種掘進(jìn)模式，同時(shí)可采用模筑、管片等多種支護(hù)形式，選擇合理的掘進(jìn)模式及支護(hù)形式是成功的關(guān)鍵。

(3)TBM在地鐵施工中的一大特點(diǎn)是頻繁過站，相互間施工干擾較大，研究合理的過站方式及施工組織形式是成功的關(guān)鍵。

(4)城市軌道交通施工中長段落的下穿建(構(gòu))筑物和不良地質(zhì)段等風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的施工技術(shù)是成功的關(guān)鍵。

1 地質(zhì)條件適應(yīng)性分析

1.1 工程地質(zhì)條件

青島地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道洞身主要位于中風(fēng)化、微風(fēng)化的花崗巖地層，局部地段拱部位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層。中風(fēng)化花崗巖地層巖體完整性指數(shù)為0.3～0.5，微風(fēng)化花崗巖地層為0.55～0.75；地層中石英含量為30%～35%；巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般為15～80 MPa。通過地勘報(bào)告顯示巖體具有較好的自穩(wěn)能力，地下水不發(fā)育，水文地質(zhì)條件較好。從巖石強(qiáng)度、完整性及石英含量等綜合分析，區(qū)間隧道穿越的地層適合采用TBM破巖施工[5-7]，青島地鐵各巖層現(xiàn)場(chǎng)取樣如圖1所示。

圖1 各巖層現(xiàn)場(chǎng)取樣

青島地鐵2號(hào)線主要的地質(zhì)問題為區(qū)間隧道與多條斷裂相交，受構(gòu)造影響，部分地段構(gòu)造巖、脈巖發(fā)育，構(gòu)造發(fā)育段地下水較發(fā)育，易發(fā)生涌水及坍塌現(xiàn)象。在TBM通過前進(jìn)行洞內(nèi)、地面處理后均安全穿越出現(xiàn)的多條斷層破碎帶。在青島地鐵2號(hào)線某區(qū)間TBM施工過程中，穿越編號(hào)為FMX4及FMX5的斷裂帶時(shí)，未采取措施，出現(xiàn)掌子面坍塌，引起卡機(jī)現(xiàn)象，通過地面、洞內(nèi)加固措施及機(jī)械掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整等綜合技術(shù)手段最終脫困。

青島地鐵2號(hào)線局部段落隧道拱部位于強(qiáng)風(fēng)化地層，中、下部位于中風(fēng)化或是微風(fēng)化地層，出現(xiàn)上軟下硬地層。施工過程中對(duì)刀具造成磨損較大，TBM可能發(fā)生偏移或被卡住等風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際施工過程中針對(duì)于該類地層應(yīng)提前更換刀具，確定合理的掘進(jìn)參數(shù)均能實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)通過。

通過對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析：青島地鐵2號(hào)線適合采用TBM施工，且掘進(jìn)工作條件較好。

1.2 雙護(hù)盾TBM適應(yīng)性分析

雙護(hù)盾TBM具有敞開式和土壓平衡兩種掘進(jìn)模式，在中、微風(fēng)化地層段采用敞開模式掘進(jìn)，充分利用圍巖的自穩(wěn)能力，采用造價(jià)相對(duì)較低的模筑襯砌；在地質(zhì)條件較差的強(qiáng)風(fēng)化巖層中掘進(jìn)時(shí)，可采用土壓平衡模式，采用同步管片襯砌，支護(hù)及時(shí)可靠；經(jīng)綜合分析青島地鐵2號(hào)線采用雙護(hù)盾TBM施工能充分利用青島的地質(zhì)特征發(fā)揮TBM“高效、快速、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)”的特點(diǎn)。

2 雙護(hù)盾TBM應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

2.1 線路條件的適應(yīng)性及相關(guān)措施

青島地鐵2號(hào)線采用的雙護(hù)盾TBM主機(jī)長度為12 m，分為前盾、中盾、尾盾三部分，中間采用絞接，相互之間轉(zhuǎn)動(dòng)角度很小[8]。正常狀態(tài)刀盤的開挖直徑為6 300 mm，前盾外徑6 240 mm，前盾與洞壁單側(cè)間隙為30 mm，盾尾外徑6 150 mm，盾尾與洞壁單側(cè)間隙為75 mm，正常掘進(jìn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)彎半徑為600 m。小半徑曲線掘進(jìn)時(shí)可通過調(diào)整擴(kuò)挖半徑，增大洞壁與盾體的間隙，最小可適應(yīng)300 m曲線半徑，但此時(shí)刀具磨損比較大。

青島地鐵2號(hào)線最大曲線半徑2 000 m，最小曲線半徑320 m，同時(shí)存在多處350 m的小半徑曲線。掘進(jìn)過程中多次出現(xiàn)小半徑曲線，對(duì)于掘進(jìn)過程中的曲線擬合控制，管片拼裝技術(shù)提出更高的挑戰(zhàn)。對(duì)于350、320 m的小半徑曲線可采取如下措施。

(1)通過調(diào)整滾刀高度，適當(dāng)擴(kuò)挖以增大洞壁與盾體間隙滿足盾體轉(zhuǎn)彎半徑的要求；

(2)掘進(jìn)過程中通過控制支撐盾與伸縮盾的夾角不小于前盾與支撐盾的夾角，以避免出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象；

(3)提高管片拼裝精度，同時(shí)及時(shí)回填豆礫石和壁后注漿來穩(wěn)定管片，以避免管片偏離曲線，出現(xiàn)管片無法脫離盾尾的情況。

2.2 支護(hù)技術(shù)研究2.2.1 支護(hù)形式分析

雙護(hù)盾TBM兼顧敞開模式和土壓平衡模式兩種掘進(jìn)模式，可采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式主要有錨噴+模筑襯砌、管片襯砌、管片襯砌/(錨噴+模筑襯砌)組合襯砌3種支護(hù)形式。

(1)錨噴+模筑襯砌

錨噴+模筑襯砌主要應(yīng)用于以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主的較好地層，采用敞開式模式掘進(jìn)。TBM掘進(jìn)完成后采用噴、錨、網(wǎng)作為初期支護(hù)，二襯采用模板臺(tái)車施工。

采用錨噴+模筑襯砌支護(hù)形式充分利用圍巖自穩(wěn)能力好的特征，TBM掘進(jìn)完成后采用TBM自帶的錨網(wǎng)噴系統(tǒng)進(jìn)行初期支護(hù)，其支護(hù)及時(shí)且投資較少，施工速度快，但是二次襯砌不同步，地鐵施工工期緊張，掘進(jìn)完成后留給區(qū)間施做二次襯砌的時(shí)間緊，工期壓力相對(duì)較大。若采用同步二次襯砌，相互間施工干擾大。以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主的巖石地層時(shí)，合理的安排二襯施工工期可發(fā)揮其投資省、施工快速的優(yōu)勢(shì)。

(2)管片襯砌

管片襯砌地層適應(yīng)性廣，且技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)耐久性好。雙護(hù)盾采用土壓平衡模式掘進(jìn)完成后管片緊跟，施工安全性高。城市軌道交通區(qū)間隧道一般埋深比較淺，局部圍巖破碎、地質(zhì)條件差的情況經(jīng)常出現(xiàn)，同時(shí)城區(qū)下穿敏感性的建構(gòu)筑物較多，對(duì)地面沉降和建(構(gòu))筑物變形控制條件要求較高，采用管片支護(hù)形式安全可靠。

(3) 管片襯砌/(錨噴+模筑襯砌)組合襯砌

管片襯砌/(錨噴+模筑襯砌)組合襯砌形式適合于任何地層，充分發(fā)揮雙護(hù)盾TBM兼顧敞開模式和土壓平衡模式的能力。雙護(hù)盾采用雙模式掘進(jìn)施工，在Ⅱ、Ⅲ級(jí)地段可以采用敞開模式，錨噴+模筑襯砌支護(hù)形式；Ⅳ、Ⅴ級(jí)等地質(zhì)條件較差地段采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)，管片襯砌。采用此支護(hù)形式可以充分利用地質(zhì)條件達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)和施工，節(jié)省投資、保證施工安全及發(fā)揮TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。由于地下圍巖的多變性及不確定性，采用兩種支護(hù)形式施工轉(zhuǎn)換復(fù)雜，且在施工過程中如何快速判斷并采取相應(yīng)的支護(hù)措施難度較大，且目前其未有成熟的施工經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)模筑襯砌和管片襯砌轉(zhuǎn)換之間防水接頭處理也將是一個(gè)研究的新課題。

青島地鐵區(qū)間隧道主要穿越中、微風(fēng)化花崗巖地層，Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖的比例為63%，Ⅳ級(jí)圍巖的比例為30%，Ⅴ級(jí)圍巖的比例為7%，總體上看，地質(zhì)情況較好，可考慮采用管片襯砌/(錨噴+模筑襯砌)組合襯砌形式充分發(fā)揮雙護(hù)盾TBM的功效。

Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)圍巖段采用敞開模式，錨噴+模筑襯砌支護(hù)形式，120 mm(初噴)+30 mm(預(yù)留變形量)+300 mm(模筑襯砌)+2 700 mm(內(nèi)輪廓半徑)=3 150 mm(開挖半徑)；Ⅳ、Ⅴ圍巖段采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)，管片襯砌，2 700 mm(內(nèi)輪廓半徑)+300 mm(管片襯砌)+150(背后豆礫石回填)=3 150 mm(開挖半徑)，雙護(hù)盾TBM支護(hù)如圖2所示。

圖2 雙護(hù)盾TBM支護(hù)(單位：mm)

根據(jù)青島地鐵2號(hào)線的設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行初步估算采用管片襯砌造價(jià)為4.9萬元/延米，錨噴+模筑襯砌造價(jià)為4.7萬元/延米，管片襯砌略高于錨噴+模筑襯砌。

2.2.2 不同支護(hù)類型間接口設(shè)計(jì)

雙護(hù)盾TBM施工采用管片襯砌/(錨噴+模筑襯砌)組合襯砌時(shí)，在管片與模筑襯砌轉(zhuǎn)換間的接口及防水設(shè)計(jì)是采用組合襯砌的關(guān)鍵技術(shù)。

總體思路是在TBM施工的管片與模筑襯砌接口處設(shè)置1道變形縫，其結(jié)構(gòu)防水形式按照變形縫的防水形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。該防水系統(tǒng)包括TBM管片防水、TBM模筑襯砌結(jié)構(gòu)防水及變形縫防水，詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 管片襯砌與模筑襯砌接口設(shè)計(jì)

TBM管片防水采用在密封墊溝槽內(nèi)設(shè)置三元乙丙橡膠密封墊，通過被壓縮擠密防水。TBM模筑段端頭襯砌外側(cè)設(shè)置一道背貼式止水帶，全包防水層設(shè)在初支與二襯之間，靠初支設(shè)置1道土工布緩沖層，再設(shè)置1層高分子防水板，在仰拱部分防水板上設(shè)置防水保護(hù)層。

變形縫處采用聚氨酯發(fā)泡板完全填充，并預(yù)留注漿管。拱墻端頭設(shè)密封膠，襯砌內(nèi)側(cè)跨縫設(shè)置不銹鋼接水盒，將滲水匯入道床水溝。仰拱端頭設(shè)密封膠、牛皮紙及PE泡沫條。

2.3 始發(fā)及接收技術(shù)研究

TBM在城市地鐵中應(yīng)用的一個(gè)重要特點(diǎn)是要頻繁的過站，TBM掘進(jìn)與車站施工相互影響，互相制約。根據(jù)總工期、TBM施工工期及車站工期的情況，TBM可選擇掘進(jìn)過站和空載步進(jìn)過站。

當(dāng)TBM到達(dá)車站時(shí)車站主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工，具備TBM步進(jìn)通過條件時(shí)，TBM空推步進(jìn)通過。TBM在硬巖中掘進(jìn)推力較大，空推過站時(shí)為防止掘進(jìn)機(jī)推力過大對(duì)車站結(jié)構(gòu)造成影響，在進(jìn)站端設(shè)置接收洞。接收洞的長度根據(jù)圍巖情況，車站結(jié)構(gòu)施作情況等確定。青島地鐵2號(hào)線接收洞設(shè)計(jì)長度為5.0 m。

TBM空推步進(jìn)通過車站后，由步進(jìn)轉(zhuǎn)為掘進(jìn)時(shí)，需設(shè)置出發(fā)洞，滿足TBM撐靴支撐的要求，以提供掘進(jìn)反力再次掘進(jìn)。出發(fā)洞長度根據(jù)圍巖情況、TBM撐靴距掌子面距離確定。青島地鐵2號(hào)線始發(fā)洞設(shè)計(jì)長度為10～12 m。如圖5所示。

圖5 TBM接收、始發(fā)洞(單位：mm)

在接收和始發(fā)洞內(nèi)設(shè)置管片鎖定裝置，初期支護(hù)內(nèi)側(cè)設(shè)置環(huán)形鋼板，板面垂直于初期支護(hù)，環(huán)形鋼板一側(cè)組裝管片，另一側(cè)通過型鋼固定于初期支護(hù)。管片鎖定裝置始發(fā)時(shí)可為掘進(jìn)提供反力，并對(duì)首環(huán)管片進(jìn)行鎖定，同時(shí)對(duì)管片背后漿液進(jìn)行封堵；接收時(shí)對(duì)已完成的管片進(jìn)行鎖定及背后漿液封堵，如圖6所示。

圖6 TBM接收、始發(fā)洞內(nèi)管片鎖定裝置

2.4 過站技術(shù)研究2.4.1 TBM過站原則

在城市軌道交通工程中TBM較為頻繁的過站，導(dǎo)致TBM不能連續(xù)掘進(jìn)，如何保證TBM順利的通過車站并發(fā)揮其快速、長距離連續(xù)掘進(jìn)施工的優(yōu)勢(shì)是TBM在城市軌道交通應(yīng)用中的一大難題[9-11]。TBM過站應(yīng)遵循“快速、安全、影響小、投資省”的大原則，綜合考慮車站及TBM掘進(jìn)施工，TBM過站的主要原則如下。

(1)TBM過站方案結(jié)合TBM施工標(biāo)段內(nèi)車站進(jìn)行綜合考慮，技術(shù)必須先進(jìn)、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)合理；

(2)TBM的過站方式與車站開挖統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，車站施工盡量為TBM通過創(chuàng)造條件，TBM過站應(yīng)減少對(duì)車站施工的影響；

(3)具備TBM空推過站的車站，盡量選擇整機(jī)過站，避免了TBM的多次拆解、組裝、調(diào)試，同時(shí)減少對(duì)車站的影響。

2.4.2 雙護(hù)盾TBM過站方式

TBM過站的方式主要有掘進(jìn)過站和空推過站兩種方式，TBM到達(dá)時(shí)車站還未施工可采取掘進(jìn)、導(dǎo)洞過站的方式，即“先隧后站”；TBM到達(dá)時(shí)車站已經(jīng)施工部分或是施工完成可采取空推過站，即“先站后隧”。 兩種過站方式均可行，條件允許的情況盡量選擇空推整機(jī)過站，以減少對(duì)車站和TBM機(jī)器的影響。以青島地鐵2號(hào)線為例，介紹整機(jī)曲線通過明挖車站、導(dǎo)洞通過蓋挖車站、空推通過暗挖車站3種過站方式。

(1)TBM通過明挖車站

當(dāng)采用空推過站時(shí)，若采用類似于盾構(gòu)過站技術(shù)，需要對(duì)車站端頭接收TBM主機(jī)部分加寬，通長加深，在車站端部對(duì)TBM機(jī)頭拆解并進(jìn)行平移。這種過站方式需要將主機(jī)與后配套斷開，空推到達(dá)車站另一端再重新連接。因雙護(hù)盾TBM設(shè)備復(fù)雜，主機(jī)較長，與后配套連接處各種管路較多，過站時(shí)于站端反復(fù)拆卸、組裝、調(diào)試相當(dāng)麻煩，在城市軌道交通中，站間距一般1～2 km，頻繁的經(jīng)過車站，將嚴(yán)重影響正常掘進(jìn)，失去了TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)多次拆解對(duì)設(shè)備自身也不利。

為避免出現(xiàn)以上問題，研究雙護(hù)盾TBM整機(jī)曲線過站的技術(shù)方案，避免了車站端部擴(kuò)大和TBM機(jī)械的拆裝、調(diào)試問題。通過適當(dāng)加長TBM接收和始發(fā)洞的長度和擴(kuò)大接收和始發(fā)洞的斷面，結(jié)合車站的柱網(wǎng)布置，合理的規(guī)劃TBM的過站路徑，讓TBM偏離線路中線靠近車站中部通過車站，整機(jī)過站如圖7所示。

圖7 TBM曲線過站示意

青島地鐵2號(hào)線TBM已順利通過利津路站，利津路站為地下二層明挖車站，采用整機(jī)曲線通過，過站時(shí)間為10 d。

采用整機(jī)曲線過站的技術(shù)過站時(shí)間縮短2/3，減少了車站端部的擴(kuò)挖和對(duì)車站的影響，同時(shí)避免了對(duì)TBM機(jī)械的多次拆解，經(jīng)過初步估算，每經(jīng)過一個(gè)站節(jié)省投資約200萬元。

(2)TBM通過蓋挖車站

青島地鐵2號(hào)線1標(biāo)2臺(tái)TBM從泰利區(qū)間始發(fā)后，需通過利津路站、臺(tái)東站、海信橋站后在芝泉路站前吊出。臺(tái)東站采用半蓋挖順筑法倒邊施工，由于拆遷征地的原因，無法按期提供空推通過條件。為保證TBM的施工任務(wù)，在車站內(nèi)提前暗挖施作一條過站導(dǎo)洞。TBM導(dǎo)洞采用馬蹄形斷面，初期支護(hù)采用噴錨網(wǎng)支護(hù)。TBM左、右線在臺(tái)東站前區(qū)間大斷面，平移后空推過TBM導(dǎo)洞，過站后在臺(tái)東站后大斷面內(nèi)調(diào)整TBM位置后開始掘進(jìn)，TBM過站平面和剖面位置關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 TBM過臺(tái)東站平面關(guān)系

圖9 TBM過臺(tái)東站剖面關(guān)系(單位：mm)

對(duì)于這種工期不可控，對(duì)TBM過站有影響的車站，可根據(jù)車站的工法采取導(dǎo)洞輔助過站的方式有利于全線整體工期的把控。

(3)TBM通過暗挖車站

海信橋站采用暗挖法(雙側(cè)壁9部開挖)施工，由于拆遷征地的原因，無法按期提供空推通過條件。根據(jù)標(biāo)段整體工期安排，TBM到達(dá)時(shí)車站完成兩側(cè)導(dǎo)洞的開挖，中部7～9部還未開挖，TBM通過前施作完成側(cè)墻和部分拱部二襯，拆除部分臨時(shí)鋼架，以滿足TBM空推通過的要求。同時(shí)對(duì)車站臨時(shí)中隔壁進(jìn)行局部調(diào)整以滿足TBM整機(jī)空推過站，避免拆機(jī)、組裝、調(diào)試等工序，海信橋過站橫剖面如圖10所示。

圖10 TBM過海信橋站剖面關(guān)系

對(duì)于TBM到達(dá)后車站施工局部，不能滿足完全空推過站的條件，可結(jié)合車站工期在某一個(gè)工序內(nèi)完成過站，并采取相關(guān)措施減少對(duì)車站的影響。以最終保證本標(biāo)段內(nèi)工程能按期完成。

2.5 管片壁后注漿技術(shù)研究

雙護(hù)盾TBM采用管片襯砌時(shí)，刀盤的開挖直徑為6 300 mm，管片外徑為6 000 mm，管片與洞壁之間形成150 mm的間隙(圖11)。同時(shí)巖石開挖完成后收縮變形較小，TBM掘進(jìn)形成的洞室內(nèi)壁與管片外壁存在的間隙空間基本不變，必須采用相應(yīng)的材料回填均勻密實(shí)，且固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到相應(yīng)的要求，以滿足傳遞圍巖壓力和止堵水的能力。因此掘進(jìn)、管片襯砌、回填是TBM施工中的三大控制環(huán)節(jié)[12]。

圖11 雙護(hù)盾TBM襯砌斷面示意(單位：mm)

管片壁后回填及灌漿技術(shù)在我國還沒有規(guī)范，也沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，施工工藝尚在探索中。青島為首次在城市軌道交通中采用雙護(hù)盾TBM施工及拼裝管片襯砌，管片壁后回填及灌漿技術(shù)也將是我們面臨的一個(gè)課題。

2.5.1 管片壁后注漿原則

TBM工法有與盾構(gòu)工法最大的區(qū)別在于掘進(jìn)完成后圍巖收縮變形較小，在管片襯砌與洞壁之間形成空隙。同時(shí)為滿足軌道交通的曲線要求，洞壁與襯砌之間的空隙較水利等其它工程更大。雙護(hù)盾TBM管片壁后回填存在回填面積大、連通性強(qiáng)、全斷面灌漿、襯砌管片穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。青島地鐵2號(hào)線TBM試驗(yàn)段施工過程中，由于豆礫石吹填不密實(shí)、灌漿壓力不均、漿液不能及時(shí)固結(jié)豆礫石引起管片錯(cuò)臺(tái)和滲水嚴(yán)重，局部錯(cuò)臺(tái)達(dá)到3 cm左右。根據(jù)青島地鐵2號(hào)線的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況，總結(jié)豆礫石充填及壁后灌漿技術(shù)原則如下。

(1)填充材料采用流動(dòng)性較好碎石或豆礫石，優(yōu)先選用豆礫石；

(2)先填充豆礫石再進(jìn)行水泥砂漿灌注；

(3)對(duì)管片壁后全斷面360°范圍進(jìn)行回填并灌漿。由于回填空隙大，各部位之間連通性強(qiáng)，采取對(duì)稱性同時(shí)吹填豆石礫，避免管片受力不均引起偏離中心位置、錯(cuò)臺(tái)等問題；

(4)注漿壓力不宜過大，避免引起管片移動(dòng)或是漿液從盾尾溢出；

(5)小曲線段施工時(shí)，為盡快穩(wěn)定管片，采取封閉環(huán)的形式進(jìn)行分區(qū)填充和灌漿。

2.5.2 管片壁后注漿方法

雙護(hù)盾TBM開挖洞壁直徑6 300 mm，管片外徑6 000 mm，壁后填充150 mm。管片設(shè)計(jì)為6塊(封頂塊1+鄰接塊2+標(biāo)準(zhǔn)塊3)，每塊管片中部設(shè)置1個(gè)吊裝孔，吊裝孔兼豆粒石吹填孔和注漿孔。管片吊裝安裝完畢后，將管片預(yù)留孔底部打通，進(jìn)行豆粒石回填及注漿，注漿完成后將止回閥旋于預(yù)埋件端部，并設(shè)置水膨脹橡膠圈加強(qiáng)防水。最后將螺旋蓋旋于預(yù)埋件中。豆石礫回填及灌漿技術(shù)要求如下。

(1)豆礫石粒徑為5～8 mm，強(qiáng)度等級(jí)不低于C10；

(2)管片安裝完畢推出尾盾后對(duì)管片底部進(jìn)行回填豆礫石，至下而上進(jìn)行階梯型回填；

(3)豆礫石充填完成后，必須進(jìn)行回填注漿，形成豆礫水泥結(jié)石。灌漿應(yīng)做到灌滿，嚴(yán)禁漏灌，必須達(dá)到閉漿標(biāo)準(zhǔn)后方可停止灌漿；

(4)回填灌漿利用管片頂、側(cè)部回填孔進(jìn)行，按階梯式向前推進(jìn)，灌漿順序自下而上，兩側(cè)孔對(duì)稱進(jìn)行回填灌漿。

圖13 下穿人防洞室段平面示意

豆礫石吹填時(shí)為防止產(chǎn)生偏壓使管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)或損壞，必須做到自下而上。兩側(cè)對(duì)稱回填。管片拖出盾尾后開始對(duì)0～3環(huán)范圍內(nèi)的底部進(jìn)行回填(即0號(hào)孔、1-1′號(hào)孔)，然后對(duì)盾尾3～6環(huán)進(jìn)行側(cè)墻部回填(2-2′號(hào)孔、3-3′號(hào)孔)，最后對(duì)盾尾7至10環(huán)進(jìn)行拱部回填(4-4′號(hào)孔、5號(hào)孔)。進(jìn)行階梯形回填。回填完后對(duì)盾尾10環(huán)以外部分進(jìn)行灌漿，回填孔位及效果如圖12所示。

圖12 管片背后回填

2.6 施工下穿建(構(gòu))物技術(shù)研究

地鐵線路一般行走于主城區(qū)，周邊建(構(gòu))筑物密集，道路狹窄，對(duì)線路和車站的鋪設(shè)影響較大，地鐵隧道不可避免會(huì)出現(xiàn)下穿、側(cè)穿建(構(gòu))筑物的情況[13]。在選線階段應(yīng)對(duì)重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)避，對(duì)線路下穿的建(構(gòu))筑進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于需要采取措施的建筑物，提前采取相應(yīng)的加固處理措施，并提出控制標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于能夠安全穿越的建(構(gòu))筑物，根據(jù)建筑物的特點(diǎn)，明確不同建筑物的沉降控制要求和標(biāo)準(zhǔn)，施工期間加強(qiáng)對(duì)建筑物的監(jiān)控量測(cè)，出現(xiàn)異常情況時(shí)采取加強(qiáng)措施確保建筑物結(jié)構(gòu)安全。

青島地鐵2號(hào)線長段落下穿老城區(qū)建筑物、人防洞室群、城市立交等，以下穿人防洞室群為例進(jìn)行重點(diǎn)分析說明。在泰山路站至利津路站區(qū)間段下穿人防洞室群，隧道埋深17.2～30 m，穿越人防洞室段落長度為303 m，人防洞室的開挖跨度為1.5～17.5 m，高度為1.8～9.0 m，人防洞室與地鐵隧道拱頂距離為1.29～12.11 m。人防洞室多為毛洞結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)積水較多，平面及地質(zhì)縱剖面如圖13、圖14所示。

圖14 下穿人防洞室段地質(zhì)縱斷面

地鐵隧道施工時(shí)，TBM刀盤對(duì)掌子面的擠壓應(yīng)力可能會(huì)引起人防洞室開裂和坍塌，人防洞室長段落與隧道處于平行關(guān)系，一旦出現(xiàn)開裂和坍塌現(xiàn)象，將會(huì)引起整個(gè)人防洞室開裂和坍塌的群體效應(yīng)，并可能引起地面建(構(gòu))筑物沉降和變形。集水坑底距隧道頂較近，TBM掘進(jìn)過程中可能掘穿集水坑底，引起隧道涌水。

由于人防洞室為毛洞，未采取任何支護(hù)措施，且?guī)r石裸露時(shí)間久，長期積水浸泡，已出現(xiàn)部分開裂情況。通過數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)于部分較近段落，TBM施工將會(huì)引起洞室開裂現(xiàn)象，結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)采取如下措施。

(1)施工前，再次對(duì)人防洞室進(jìn)行詳細(xì)勘察，如有裂損，局部剝落等，應(yīng)先進(jìn)行加固；

(2)及時(shí)對(duì)人防洞室內(nèi)積水進(jìn)行抽排；

(3)對(duì)于跨度大于10 m，出現(xiàn)開裂，與地鐵隧道垂直凈距小于2.5 m的洞室，提前采取加固措施：人防洞室內(nèi)提前架設(shè)全環(huán)I16鋼架，間距1 m，并噴射250 mm厚混凝土包裹鋼架；

(4)對(duì)于跨度小于10 m，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，且與地鐵隧道垂直凈距大于2.5 m時(shí)，對(duì)局部TBM掘進(jìn)影響較大的段落采取底板加固措施，其余段落不考慮提前加固，以控制TBM掘進(jìn)影響為主，監(jiān)控量測(cè)為輔。TBM施工至人防洞室段落時(shí)，需調(diào)整好姿態(tài)，采用慢速勻速掘進(jìn)，盡量避免進(jìn)行糾偏。

現(xiàn)場(chǎng)TBM均已順利下穿人防洞室，掘進(jìn)過程中對(duì)洞室的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明TBM開挖對(duì)洞室的影響在可控范圍內(nèi)。證明在采用合理的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)措施后可滿足下穿施工要求，人防洞室及地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)安全有保證。

2.7 穿越不良地質(zhì)段的技術(shù)研究

根據(jù)1.1節(jié)分析：青島地鐵穿越的區(qū)域地質(zhì)不存在重大影響TBM使用的不良地質(zhì)，但是局部地段存在小的斷裂破碎帶，也將給TBM施工帶來一定的影響。斷裂構(gòu)造對(duì)地鐵隧道施工的影響主要表現(xiàn)為巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，并造成圍巖軟硬不均，容易引起卡盾現(xiàn)象。在糜棱巖、碎裂巖等構(gòu)造巖發(fā)育的地段，巖體碎裂強(qiáng)烈，地下水發(fā)育，巖塊之間黏結(jié)力較差，洞身通過該段時(shí)可能會(huì)發(fā)生涌水、掉塊甚至坍塌的風(fēng)險(xiǎn)[14-15]。

2.7.1 TBM施工前處理措施

(1)根據(jù)地勘報(bào)告，TBM通過前對(duì)不良地質(zhì)段進(jìn)行加固措施以改善地質(zhì)條件，對(duì)于地面無加固條件的段落采用洞內(nèi)加固的方式進(jìn)行處理。

(2)在圍巖破碎地段TBM掘進(jìn)嚴(yán)格控制出渣量，避免掌子面前方大范圍坍塌。

(3)TBM在軟弱圍巖中掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)減少刀盤噴水、降低刀盤轉(zhuǎn)速和推力，減少單位時(shí)間內(nèi)出渣量，不停機(jī)快速通過，防止塌方。

(4)對(duì)富水軟弱破碎圍巖，應(yīng)采取加強(qiáng)防排水的技術(shù)措施：預(yù)加固施工中，一般可先采取超前鉆孔排水，并及時(shí)抽排，采取注漿堵水措施。

(5)在圍巖軟硬不均的地段，通過控制掘進(jìn)參數(shù)控制掘進(jìn)方向，減緩掘進(jìn)進(jìn)度，使掘進(jìn)瞬間刀盤各部位受力盡量相同，減少對(duì)刀具的偏磨和掘進(jìn)姿態(tài)的偏移等現(xiàn)象。

(6)軟硬不均地段，刀具磨損嚴(yán)重，需要頻繁換刀，特別是上軟下硬地段，長時(shí)間換刀可能會(huì)造成地表大面積變形甚至垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過此類地段，應(yīng)提前換裝新刀并控制掘進(jìn)步數(shù)，減低刀具的損耗率。

2.7.2 TBM卡盾原因及處理措施

在施工過程中，由于沒有很好地對(duì)開挖前方的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)，因此出現(xiàn)了許多不可預(yù)見的斷層破碎帶，給TBM施工帶來了很大的困難。斷層破碎帶施工導(dǎo)致TBM被卡的原因如下。

(1)施工中未對(duì)前方進(jìn)行超前勘探，因此沒有超前采取措施，造成TBM通過時(shí)受阻；

(2)斷層破碎帶的TBM推進(jìn)參數(shù)不合理，對(duì)前方巖體擾動(dòng)過大，引起圍巖坍塌；

(3)TBM受阻之后沒有立即采取措施，造成刀盤前方坍塌進(jìn)一步發(fā)展，最終導(dǎo)致了TBM被卡受阻。

因此，在TBM被困之后，處理措施如下：

(1)建議不要再次對(duì)掌子面及洞周圍巖進(jìn)行多次擾動(dòng)，停止機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)，不要加大扭矩硬往前掘進(jìn)；

(2)不要收縮前盾以保證掌子面的穩(wěn)定，避免掌子面繼續(xù)坍塌，造成地面塌陷和對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響；

(3)對(duì)掌子面前方及洞周地層情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，詳細(xì)的查明周邊地質(zhì)情況；

(4)地質(zhì)情況探明后，通過地面或是洞內(nèi)措施對(duì)掌子面地層進(jìn)行加固，待掌子面穩(wěn)定后，收縮前盾，對(duì)前方虛渣進(jìn)行清理，清理后進(jìn)行試空推或是掘進(jìn)。TBM過斷層處理示意如圖15所示。

圖15 TBM過斷層處理示意

3 結(jié)語

青島地鐵在國內(nèi)首次將雙護(hù)盾TBM應(yīng)用于軌道交通工程中，并取得成功，使軌道交通在巖石地層中的修建技術(shù)再次實(shí)現(xiàn)了突破。雙護(hù)盾TBM對(duì)地層具有更好的適應(yīng)性，支護(hù)方式靈活多樣，創(chuàng)新性地提出了管片襯砌與模筑襯砌組合的襯砌方式，以充分發(fā)揮雙護(hù)盾TBM的功能優(yōu)勢(shì)，使TBM應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)合理；結(jié)合工程實(shí)例分析雙護(hù)盾TBM在小曲線半徑存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決方案；首次提出了TBM整機(jī)曲線過站，減少了對(duì)車站的影響以及TBM的拆解、組裝、調(diào)試等工序；通過分析巖石隧道開挖后受力情況，提出了管片壁后豆石礫回填及灌漿技術(shù)，成功地解決了管片錯(cuò)臺(tái)、開裂、滲漏水等不良問題；結(jié)合青島地鐵工程情況分析和提出下穿建(構(gòu))物和不良地質(zhì)段的處理措施，保證了下穿風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的安全、快速掘進(jìn)。

青島地鐵2號(hào)線雙護(hù)盾TBM的成功應(yīng)用，已推廣應(yīng)用到地鐵1號(hào)線和地鐵4號(hào)線工程建設(shè)中，同時(shí)還將為青島地鐵后續(xù)線網(wǎng)工程及重慶、深圳、大連等以巖石地層為主的城市軌道交通的修建提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考，有助于進(jìn)一步推廣和完善TBM在城市軌道交通中應(yīng)用，TBM施工技術(shù)是一種“高效、環(huán)保、安全”的施工技術(shù)，未來應(yīng)用前景十分廣闊。

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

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

[3] 李國良，司劍鈞，李寧.蘭渝鐵路西秦嶺特長隧道方案研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(3):7-14.

[4] 青島市地下鐵道公司，中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.青島市地鐵二期工程(2號(hào)線)采用TBM施工可行性專題研究[R].青島：2010.

[5] 唐志強(qiáng).青島地鐵隧道施工采用TBM 工法分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(5):90-93.

[6] 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(xué)，2005.

[7] 余潔.中天山隧道TBM掘進(jìn)施工適應(yīng)性研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，51(3):57-60.

[8] 劉小剛.TBM在巖石城市軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2012，49(5): 15-21.

[9] 王飛.城市軌道交通敞開式TBM過站方案及關(guān)鍵技術(shù)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，31(2):228-235.

[10]唐新權(quán).地鐵隧道開敞式TBM施工關(guān)鍵技術(shù)探討[J].城市軌道交通，2010(11):72-75.

[11]王俊.復(fù)合式TBM在重慶地鐵實(shí)踐中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48(6):88-93.

[12]桑文才.雙護(hù)盾巖石掘進(jìn)機(jī)施工隧洞回填灌漿方法[J].山西水利科技，2010，176(2):26-28.

[13]仲建華.重慶軌道交通硬巖掘進(jìn)技術(shù)(TBM)的應(yīng)用研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，30(S2):1197-1203.

[14]趙紀(jì)平.淺談TBM掘進(jìn)機(jī)在軟弱圍巖中的施工技術(shù)[J].西部探礦工程，2004(6):96-97.

[15]任國青.雙護(hù)盾TBM不良地質(zhì)施工問題及對(duì)策[J].隧道建設(shè)，2007，27(3):108-111.

Key Technologies of Double-Shield TBM Applied to Urban Rail Transit

TANG Zhi-qiang

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043, China)

In order to solve the problems of double-shield TMB in urban rail transit such as frequent station passing， construction on small radius curve， risk in under-passing structures， and with reference to the design and construction of Qingdao Metro Line 2， this paper studies the adaptability of double-shield TMB， the support form and the interface between different design supports， station passing solutions， grouting behind segment wall， under-passing structures and poor geological sections and other aspects. Compound lining (anchoring and shotcreting+mold lining) is proposed to address the interface between different supports. According the construction method of station， the technical solution to allow entire TBM to pass station is proposed to avoid repeated disassembly， assembly， commissioning and the effect on the station. Key technologies are developed to facilitate construction on small radius curve， grouting behind segment wall， under-passing structures and poor geological sections. Double-shield TBM is successfully applied to Qingdao subway and high efficient safe， environmental friendly and economical construction is achieved．

Double-shield TBM; Segmental lining; Waterproof of interface; TBM passing station; Backfill grouting

2016-04-20；

2016-05-05

唐志強(qiáng)(1983—)，男，工程師，2011年畢業(yè)于西安科技大學(xué)，

工學(xué)碩士，E-mail：747989396@qq.com。

1004-2954(2016)11-0081-09

U455.43

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.019