彭 輝， 鄒光炯， 陳柏全， 周 捷

(1.重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 重慶 401122； 2.中冶塞迪工程技術(shù)股份有限公司， 重慶 400013)

復(fù)合式TBM在重慶地鐵工程中的應(yīng)用

彭 輝1， 鄒光炯1， 陳柏全2， 周 捷1

(1.重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 重慶 401122； 2.中冶塞迪工程技術(shù)股份有限公司， 重慶 400013)

從重慶地鐵工程的特點(diǎn)出發(fā)，介紹重慶地鐵工程的TBM選型、復(fù)合式TBM的特點(diǎn)及其工程適應(yīng)性；并通過分析認(rèn)為，在重慶地區(qū)塊石性雜填土區(qū)和不良巖層地質(zhì)帶采用復(fù)合式TBM不僅難以發(fā)揮其優(yōu)勢，而且存在多種風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)合筆者自身工程經(jīng)驗(yàn)和類似工程經(jīng)驗(yàn)，介紹重慶地鐵工程復(fù)合式TBM的應(yīng)用現(xiàn)狀。

軌道交通； 復(fù)合式TBM掘進(jìn)機(jī)； 隧道； 重慶

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，自2009年以來重慶軌道交通建設(shè)迎來了大發(fā)展，截至目前重慶建成或在建軌道交通線路已形成“七線一環(huán)”的線網(wǎng)規(guī)模。

隧道掘進(jìn)機(jī)即TBM(全斷面巖石掘進(jìn)機(jī))和盾構(gòu)機(jī)具有安全、快速、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于城市地鐵工程建設(shè)中。地層條件以土層或砂卵石地層等低強(qiáng)度地層為主的城市(如北京、上海、廣州、深圳、成都等)，其地鐵工程建設(shè)廣泛應(yīng)用到了盾構(gòu)機(jī)，而重慶作為巖質(zhì)地層的城市則率先在國內(nèi)將TBM法應(yīng)用于地鐵工程建設(shè)中[1-2]。為適應(yīng)重慶巖質(zhì)地 層 條件，符合重慶地鐵工程的特點(diǎn)需求，對傳統(tǒng)護(hù)盾式TBM或盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)和改造而產(chǎn)生的隧道掘進(jìn)機(jī)(復(fù)合式TBM)，已被廣泛應(yīng)用于重慶地鐵工程中。

1 重慶地鐵工程TBM選型

目前，用于以巖石地層為主的隧道施工的TBM可分為敞開式、護(hù)盾式單護(hù)盾、雙護(hù)盾以及復(fù)合式TBM幾種類型[3]。重慶地鐵隧道掘進(jìn)機(jī)的選型以適應(yīng)地區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，并且能很好地適應(yīng)地鐵工程特點(diǎn)的要求，從安全、經(jīng)濟(jì)、線路條件以及工期等多方面因素綜合比選，擇優(yōu)選擇。

1.1 重慶地鐵工程特點(diǎn)

作為山地城市的重慶，其地鐵工程特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1) 重慶屬經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的特大城市，其軌道交通線路沿線環(huán)境復(fù)雜，工程安全固然重要，而確保周邊環(huán)境的安全更是地鐵工程建設(shè)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2) 地鐵是緩解城市擁堵、方便出行的有效手段，是社會各界所熱切期盼的公益事業(yè)，所以要求盡量加速工程建設(shè)進(jìn)度，做到又快又好。

3) 受到山地城市地形地貌和周邊環(huán)境的影響，軌道線路平面小轉(zhuǎn)彎半徑多，縱坡坡率大。

4) 重慶主城地區(qū)，巖層地質(zhì)條件主要為泥巖、砂巖，巖石力學(xué)性能較好，巖石強(qiáng)度介于軟巖—較軟巖—較硬巖之間。

5) 軌道交通區(qū)間長度一般較短，采用TBM施工需通過車站，區(qū)間與車站相互間的施工干擾大。重慶地鐵車站多為暗挖地下站，隧道掘進(jìn)機(jī)對車站的過站條件和工期提出了更高要求。

6) TBM吊出方式除了利用明挖區(qū)間或車站完成TBM吊出外，更多地需要通過暗挖車站附屬結(jié)構(gòu)完成吊出。

7) TBM選型應(yīng)具備地區(qū)通用性以滿足重復(fù)利用的要求，并應(yīng)滿足產(chǎn)業(yè)集成化的要求。

1.2 TBM對重慶地區(qū)巖層的適用性

根據(jù)重慶市區(qū)域地質(zhì)資料，重慶地鐵區(qū)間隧道除局部存在回填土地段外，巖質(zhì)地層主要為砂巖、泥巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度一般為5～35 MPa，天然抗壓強(qiáng)度一般為8～60 MPa，屬軟巖—較軟巖—較硬巖，巖體較完整—完整，并具有一定的自穩(wěn)能力。除特殊地段外，地下水一般不發(fā)育，涌水量較小，水文地質(zhì)條件較好。由此可見，重慶地鐵工程區(qū)間隧道的巖質(zhì)條件適合采用TBM施工。

1.3 TBM類型特點(diǎn)及適用性分析

1.3.1 敞開式TBM

敞開式TBM主要適應(yīng)于具有自穩(wěn)能力的硬巖石或較完整軟巖中，其施工隧道采用復(fù)合式襯砌，一般初期支護(hù)采用錨噴網(wǎng)，必要時(shí)采用鋼架加強(qiáng)支護(hù)，二襯襯砌一般需待隧道貫通后施作[3]。在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題主要有：

1) 二次襯砌滯后時(shí)間較長，初期支護(hù)長時(shí)間暴露，對于環(huán)境敏感帶、軟弱巖層、富水段巖層二襯無法及時(shí)跟進(jìn)，工程中存在較大的風(fēng)險(xiǎn)；

2) 對重慶地鐵一般性巖層條件具有較好的適應(yīng)性，但是對于局部欠穩(wěn)定的破碎巖層或強(qiáng)風(fēng)化巖層等掌子面不穩(wěn)定的地質(zhì)條件存在施工風(fēng)險(xiǎn)；

3) 對圍巖破碎帶、富水段泥巖遇水軟化以及其他軟弱地質(zhì)，存在撐靴反力不足、撐靴深陷等風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)斐蒚BM姿態(tài)發(fā)生偏差而無法掘進(jìn)；

4) 敞開式TBM二襯需采用模筑結(jié)構(gòu)，機(jī)械化程度不高，工期與其他隧道掘進(jìn)機(jī)相比不具有優(yōu)勢，不利于本地區(qū)隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)集成化。

1.3.2 護(hù)盾式TBM

護(hù)盾式TBM是在整機(jī)外圍設(shè)置與機(jī)器直徑相一致的圓筒形護(hù)盾結(jié)構(gòu)，以利于掘進(jìn)松軟破碎巖層或復(fù)雜巖層，可分為單護(hù)盾式TBM和雙護(hù)盾式TBM[4]。應(yīng)用中存在的問題如下：

1) 由于其掘進(jìn)需靠襯砌管片來承受后坐力，因此在安裝管片時(shí)必須停止掘進(jìn)，掘進(jìn)和管片安裝不能同步進(jìn)行，施工干擾大，不利于集成化運(yùn)作；

2) 適應(yīng)小半徑的能力較差；

3) 為開胸模式，對局部破碎巖層以及其他特殊地質(zhì)條件工程難以適應(yīng)。

1.3.3 復(fù)合式TBM

為滿足重慶地鐵工程建設(shè)安全、周邊環(huán)境安全以及快速施工的要求，以傳統(tǒng)的TBM為基礎(chǔ)，吸取了土壓平衡盾構(gòu)的原理及優(yōu)點(diǎn)，從適應(yīng)重慶地鐵工程特點(diǎn)出發(fā)，對傳統(tǒng)的護(hù)盾式TBM或土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)或改造的隧道掘進(jìn)機(jī)，重慶工程界稱之為“復(fù)合式TBM”。復(fù)合式TBM開挖后采用管片緊跟支護(hù)，一次成洞。

為適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，復(fù)合式TBM具有靈活多樣的作業(yè)模式：全斷面敞開模式和土壓平衡模式，在施工過程中根據(jù)地質(zhì)條件的變化靈活切換。全斷面敞開模式主要應(yīng)用于具有自穩(wěn)能力的巖層，開挖面不需要支撐，有充分的穩(wěn)定性，復(fù)合式TBM在這種地層中掘進(jìn)類似于硬巖掘進(jìn)機(jī)，刀盤需配備大量的滾刀，這種模式也是重慶地區(qū)采用的主要掘進(jìn)模式；土壓平衡模式適用于土體軟弱、地下水豐富且壓力較大的地層，土倉內(nèi)需要充滿一定壓力的土體才能保證開挖面的穩(wěn)定，此時(shí)與一般土壓平衡盾構(gòu)的工作狀況相似[5]，主要應(yīng)用于局部的強(qiáng)風(fēng)化巖層或富水段巖層。就目前重慶地區(qū)施工情況來看，復(fù)合式TBM采用的模式主要為敞開式，基本上沒有用到土壓平衡模式，土壓平衡模式更多的是一種遇到突發(fā)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的安全儲備。

1.3.4 重慶地鐵工程TBM選型

王玉卿在文獻(xiàn)9中詳細(xì)闡述了基于土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行的針對性設(shè)計(jì)和改造，主要體現(xiàn)在：1)通過刀具設(shè)計(jì)滿足軟硬巖的切削要求，可以根據(jù)地層的實(shí)際情況將刀盤上的滾刀和齒刀混裝或全部采用滾刀；2)通過增強(qiáng)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度和強(qiáng)度，使盤體結(jié)構(gòu)在極端情況下發(fā)生局部磨損時(shí)仍能保持不變形。同時(shí)，刀盤具有足夠的耐磨性設(shè)計(jì)，在面板上堆焊耐磨網(wǎng)格和耐磨塊。為了保證渣土順利進(jìn)入土倉減小刀具的二次磨損，在刀盤設(shè)計(jì)時(shí)盡可能增大刀盤的開口率。刀盤驅(qū)動設(shè)計(jì)為雙向旋轉(zhuǎn)，在復(fù)合式TBM機(jī)發(fā)生較大扭轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過改變刀盤旋轉(zhuǎn)方向掘進(jìn)來調(diào)整主機(jī)的滾轉(zhuǎn)。3)配置高轉(zhuǎn)速、大功率主驅(qū)動裝置，配置的主驅(qū)動功率較一般的土壓平衡盾構(gòu)大大增加。4)在前盾增加了多套液壓油缸撐靴穩(wěn)定器，當(dāng)巖層不能給盾體提供足夠的扭轉(zhuǎn)阻力時(shí)，將穩(wěn)定器撐出支撐在徑向開挖面上隨盾體向前移動。穩(wěn)定器與盾體底部及上部與開挖面的接觸點(diǎn)一起形成一個(gè)三角形支撐結(jié)構(gòu)，撐靴的油缸可以吸收主機(jī)傳來的振動，同時(shí)對刀盤振動形成半剛性約束，可有效減少刀盤的振動。由于增加了約束點(diǎn)，增大了盾體與開挖面的摩擦力以獲得更大的反扭矩，減少了盾體由于刀盤扭矩引起的滾轉(zhuǎn)速率，從而避免了盾體產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)。

2 對重慶地質(zhì)條件的局限性分析

復(fù)合式TBM被廣泛應(yīng)用于重慶地鐵工程建設(shè)中，實(shí)踐證明其能夠很好地適用于重慶地區(qū)以砂巖、泥巖為主的地質(zhì)條件，但是對于重慶地區(qū)填土以及其他一些不良地質(zhì)的適用性仍存在局限性。

2.1 對重慶地區(qū)填土的適用性分析

由于重慶地區(qū)填土的地質(zhì)及水文條件的限制，即使具備土壓平衡模式，復(fù)合式TBM似乎也難以適應(yīng)于重慶地區(qū)塊石性填土地層，因此目前仍未見重慶地鐵工程在塊石性填土地層中應(yīng)用復(fù)合式TBM。

2.1.1 重慶地區(qū)填土工程地質(zhì)條件

重慶在城市建設(shè)過程中對原始山地、丘陵地形地貌進(jìn)行了大量的改造整平，形成了原始為溝谷低洼地帶的雜填土深回填區(qū)。重慶地區(qū)雜填土的土體成分復(fù)雜，回填材料以城市建設(shè)中開挖土石方為主，且軟硬不一，突出特點(diǎn)是填土中塊石含量大，屬塊石性填土(見圖1)。由于受回填材料和拋填方式的影響，重慶地區(qū)雜填土工程性質(zhì)主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)松散、均勻性差、空隙大、軟弱而欠固結(jié)以及抗剪強(qiáng)度低。

圖1 重慶地區(qū)典型塊石雜填土Fig.1 Typical miscellaneous fill with dimension stones in Chongqing area

重慶一般無穩(wěn)定的地下水位，地下水水位與徑流受到降水與地形地貌影響。原始山區(qū)、丘陵地形地貌形成的低洼區(qū)多為地下水匯聚的徑流通道，即使經(jīng)后期回填仍然無法改變其作為地下水徑流通道的特征，因此溝心雜填土中地下水表現(xiàn)為流動性，而非靜態(tài)水。

2.1.2 對填土的適用性分析

就目前國內(nèi)隧道掘進(jìn)機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)來說，北京、廣州、成都等城市均有偶遇大漂石地層成功施工的工程案例，但是相對于重慶塊石性填土其地層固結(jié)程度好，結(jié)構(gòu)沉降及不均勻沉降小，而且其地下水相對穩(wěn)定，隧道不會因地下水作用造成偏壓。因此，由于重慶地區(qū)塊石性填土的特點(diǎn)和填土區(qū)匯水流動的作用，包括復(fù)合式TBM在內(nèi)的隧道掘進(jìn)機(jī)，在重慶填土中存在掘進(jìn)困難且不利于周邊環(huán)境保護(hù)的缺點(diǎn)，尤其是受制于填土固結(jié)沉降和地下水作用工程施工質(zhì)量難以保障，具體表現(xiàn)為以下方面。

1) 雜填土中砂巖巖塊強(qiáng)度較高，與其他回填材料相比強(qiáng)度差異較大。當(dāng)復(fù)合式TBM突遇大塊孤石時(shí)，由于土層更易切削，而孤石切削困難，在孤石反復(fù)切削的過程中，往往使得孤石周邊的土過量切削，因此對于松散的雜填土極易造成水土流失，進(jìn)而引起環(huán)境危害。

2) 在掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)過程中，孤石在自穩(wěn)能力差的雜填土中是不穩(wěn)定的，在推進(jìn)力和刀盤轉(zhuǎn)動的作用下存在著孤石滾動的可能性，不但掘進(jìn)機(jī)的滾刀破巖效果不好，而且孤石周邊的土層易受到擾動，加劇掘進(jìn)過程中的水土流失。

3) 對于松散欠固結(jié)的雜填土中掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)難以控制，工程質(zhì)量難以保證。

興趣是最好的老師。在數(shù)學(xué)課堂教學(xué)中，數(shù)學(xué)因其本身的特殊性，讓不少學(xué)生覺得它抽象難懂。要使學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)動力，僅僅講大道理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，關(guān)鍵是要想方設(shè)法使學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。大多數(shù)學(xué)生的數(shù)學(xué)成績不好，是由于對數(shù)學(xué)缺乏興趣所致。教師在教學(xué)中可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，通過運(yùn)用一些生動形象、直觀有趣的教學(xué)手段，為學(xué)生創(chuàng)造運(yùn)用數(shù)學(xué)的環(huán)境；引導(dǎo)學(xué)生動手參與，鼓勵學(xué)生積極探討。讓課堂學(xué)習(xí)的每個(gè)環(huán)節(jié)都能感受到層層推進(jìn)的踏實(shí)，體會漸入佳境的喜悅，樹立學(xué)習(xí)的信心。

4) 重慶區(qū)雜填土塊石含量大，軟硬不一，填土欠固結(jié)且固結(jié)周期特別長，即使可以通過注漿加固填土，但是面對離散型很大的塊石回填土，注漿質(zhì)量難以控制，注漿效果無法保證，并且若在隧道底部注漿堵塞了地下水徑流通道，會引起地下水對隧道結(jié)構(gòu)的不利作用。因此，采用掘進(jìn)機(jī)工法難以解決隧道結(jié)構(gòu)整體沉降和不均勻沉降，并且縱向的差異沉降，容易造成管片錯臺、管片的破損或開裂。

5) 當(dāng)隧道位于溝心回填部位時(shí)，隧道對流動性地下水起到了攔截作用，隧道兩側(cè)分別形成迎水面和背水面，不等水壓使得隧道結(jié)構(gòu)形成偏壓從而引起隧道結(jié)構(gòu)縱向受拉。而縱向?yàn)楣芷Y(jié)構(gòu)薄弱方向，地下水偏壓易對管片的縱向連接造成破壞進(jìn)而造成管片破損或開裂。

以上第4、5條也是在重慶填土中應(yīng)用隧道掘進(jìn)機(jī)有別于其他城市的突出問題。

2.2 不良巖層地段的適用性

重慶地鐵工程穿越的巖層除了完整性較好的砂巖、泥巖巖層之外，在穿越市域內(nèi)中梁山、縉云山以及銅鑼山等山脈時(shí)，仍然會遭遇灰?guī)r區(qū)溶洞、突發(fā)涌水、大變形石膏巖、煤礦采空及瓦斯區(qū)等不良巖層地質(zhì)帶。復(fù)合式TBM對以上不良地質(zhì)帶的適應(yīng)性差，不僅可能導(dǎo)致掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間利用率降低，施工效率低下，并且施工存在被埋、被卡或被淹等風(fēng)險(xiǎn)，從而造成復(fù)合式TBM損壞、人員傷亡和難以順利通過的情況，若處理不當(dāng)，將會帶來嚴(yán)重后果。

3 復(fù)合式TBM在重慶地鐵中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 應(yīng)用概況

目前，重慶市地鐵工程除了已建6號線一期工程區(qū)間施工采用了敞開式TBM法施工外，在建環(huán)線工程、5號線工程、10號線工程等區(qū)間施工都應(yīng)用了復(fù)合式TBM。采用復(fù)合式TBM區(qū)間的地質(zhì)條件均為具有良好完整性和自穩(wěn)能力的砂巖或砂質(zhì)泥巖。

為適應(yīng)不同車型和不同時(shí)期地鐵功能的要求，重慶地鐵復(fù)合式TBM采用了兩種斷面尺寸。其中，已建軌道交通6號線工程采用復(fù)合式TBM斷面，外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，管片厚0.3 m；目前各在建軌道交通線路所采用復(fù)合式TBM斷面均為外徑6.6 m，內(nèi)徑5.9 m，管片厚0.35 m。復(fù)合式TBM管片環(huán)寬均采用1.5m寬，管片拼裝方式采用錯縫拼裝，管片材料采用C50鋼筋混凝土，抗?jié)B等級為P12。

在應(yīng)用過程中，復(fù)合式TBM充分發(fā)揮了其快速的特點(diǎn)，其中6號線二期最高月進(jìn)尺達(dá)到了540 m[9]，目前在建的軌道環(huán)線、10號線，采用了6.6 m外徑的斷面，掘進(jìn)月進(jìn)尺普遍在250～350 m，最高月進(jìn)尺超過400 m。在建復(fù)合式TBM區(qū)間的土建費(fèi)用為9.5萬～11萬/雙延米，因管片含鋼量及圍巖軟硬差異而略有不同。截至目前，未見有因復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工擾民的投訴或報(bào)道，特別是針對下穿包括文物保護(hù)區(qū)在內(nèi)的一些環(huán)境敏感帶地下區(qū)間，各方明確要求采用復(fù)合式TBM工法施工，由此可見，復(fù)合式TBM在重慶軌道中的應(yīng)用取得了良好的社會效益。

3.2 復(fù)合式TBM管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合式TBM管片結(jié)構(gòu)計(jì)算是基于區(qū)間隧道埋深、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，并選取最不利位置作為計(jì)算控制斷面，借助于有限元軟件建立“荷載—結(jié)構(gòu)”和“地層—結(jié)構(gòu)”計(jì)算模型，分別對管片內(nèi)力和地表沉降進(jìn)行計(jì)算分析。

王俊對重慶復(fù)合式TBM荷載—結(jié)構(gòu)模型計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，即首先根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.3條與第4.2.4條的規(guī)定和周邊環(huán)境確定作用在襯砌上的荷載，采用平面桿系有限單元法，假定襯砌為小變形彈性梁，并離散為多個(gè)等厚度直桿梁單元；用布置于各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬圍巖與管片的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計(jì)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的黏結(jié)力；彈簧受壓時(shí)的反力即為圍巖對襯砌的彈性抗力。采用日本修正慣用法，考慮環(huán)向接頭作用對計(jì)算模型結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行折減，然后考慮錯縫拼裝后整體補(bǔ)強(qiáng)效果對模型計(jì)算得到的彎矩進(jìn)行重分配，最終確定內(nèi)力設(shè)計(jì)值以進(jìn)行管片配筋計(jì)算。

3.3 復(fù)合式TBM過站技術(shù)

復(fù)合式TBM過站一般有“先洞后站”掘進(jìn)過站和“先站后洞”步進(jìn)過站兩種方式，主要從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，一般推薦采用步進(jìn)過站的方式，但是合理的過站方式往往需要兼顧考慮車站和區(qū)間工期以及總體工籌統(tǒng)一考慮，而最終確定其過站方式。目前，重慶復(fù)合式TBM掘進(jìn)過站的唯一車站為6號線二期曹家灣站，其他復(fù)合式TBM單元內(nèi)的車站均采用步進(jìn)過站。

掘進(jìn)過站一般需安裝臨時(shí)管片，從節(jié)約成本的角度出發(fā)一般采用低配筋率管片，后續(xù)車站擴(kuò)挖時(shí)需拆除管片，管片重復(fù)利用率較低，浪費(fèi)較大。

步進(jìn)過站需在車站端頭加大局部區(qū)間斷面作為TBM接收洞和二次始發(fā)洞，具體可分為TBM接收、過站和二次始發(fā)3個(gè)步驟：在車站端頭接收洞內(nèi)接收TBM，分解主機(jī)與后配套，在接收洞進(jìn)行一次平移后，通過頂升進(jìn)入車站；在車站端頭進(jìn)行二次平移，進(jìn)入車站內(nèi)TBM步進(jìn)通道，下沉到站臺區(qū)回填層頂面，通過接收臺加鋼軸將TBM加工成步進(jìn)小車，利用卷揚(yáng)機(jī)牽引配合千斤頂頂推進(jìn)行步進(jìn)過站；TBM到達(dá)車站另一端后，進(jìn)行反向的二次平移，進(jìn)入二次始發(fā)洞，調(diào)整高程后，進(jìn)行反向一次平移，調(diào)整姿態(tài)后進(jìn)行二次始發(fā)。步進(jìn)過站僅需對車站端頭局部區(qū)間加寬，且接收洞和始發(fā)洞一般可兼作區(qū)間人防段，與掘進(jìn)過站不同的是不產(chǎn)生臨時(shí)管片，故其能夠減少工程浪費(fèi)，節(jié)約工程投資。

3.4 復(fù)合式TBM應(yīng)用難點(diǎn)及措施

3.4.1 刀盤結(jié)泥餅

重慶地鐵區(qū)間隧道穿越的地層主要為泥巖與砂巖互層，且以黏土質(zhì)泥巖為主。圍巖在刀具切削和刀盤的沖擊下變成碎屑和粉末狀，在受壓、受熱、受濕環(huán)境條件下，極易在刀盤表面、土倉內(nèi)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)形成泥餅或泥團(tuán)，造成掘進(jìn)困難。除了地質(zhì)因素之外，復(fù)合式TBM在掘進(jìn)過程中的不當(dāng)施工因素是結(jié)泥餅的另一誘因，董祥寬[10]從復(fù)合式TBM掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良、刀盤冷卻水溫控制、操作者的行為等施工因素詳細(xì)分析了結(jié)泥餅的原因。

一是渣土改良不好。復(fù)合式TBM在泥巖掘進(jìn)過程中由于渣土的改良不到位，導(dǎo)致渣土干硬、流塑性差，達(dá)不到復(fù)合式TBM排渣要求，極易導(dǎo)致刀盤結(jié)泥餅、渣土干結(jié)在土倉內(nèi)。

二是掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不合適，導(dǎo)致刀盤切削下來的泥巖渣土不能通過螺旋機(jī)排出，在土倉內(nèi)堆積擠壓，密實(shí)度越來越大，最終形成泥餅附著在刀盤上。推力是復(fù)合式TBM推進(jìn)的主要參數(shù)，當(dāng)推力較大，扭矩逐漸變小，泥餅可能正在或已經(jīng)形成。當(dāng)滾刀被渣土泥餅糊住不能轉(zhuǎn)動時(shí)極易造成刀具的偏磨。

三是循環(huán)水溫度過高易引起渣土的干結(jié)，刀盤在高速旋轉(zhuǎn)后與周圍土體摩擦生熱，使土倉內(nèi)溫度升高，加速了渣土干結(jié)的速度；循環(huán)水壓力不足，導(dǎo)致刀盤冷卻水的噴射出口被倉內(nèi)渣土堵住，改良渣土的泡沫管出口被倉內(nèi)渣土堵住，導(dǎo)致渣土得不到改良流塑性變差而結(jié)泥餅。

根據(jù)復(fù)合式TBM結(jié)泥餅的成因，王玉卿、董祥寬[10]等在實(shí)踐過程中，對刀盤結(jié)泥餅提出了針對性的措施，總結(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)：

1) 通過渣土改良降低土體間的黏聚力、減少土倉中土體壓實(shí)結(jié)密的可能性、減少掘削土體與復(fù)合式TBM間的黏附性，降低泥餅產(chǎn)生的幾率。提高渣土的軟流塑狀，保證土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定和排渣的順暢。

2) 加強(qiáng)掘進(jìn)時(shí)的地質(zhì)預(yù)測和泥土管理，在復(fù)合式TBM推進(jìn)過程中摸索分析泥巖地層、掘進(jìn)速度、刀盤推力及扭矩、渣土溫度之間的關(guān)系，控制好推進(jìn)參數(shù)，減少刀盤結(jié)泥餅的幾率。

3) 復(fù)合式TBM采用螺旋輸送機(jī)除渣時(shí)，加入泡沫以增加渣土的流動性，利于渣土的排出。

4) 根據(jù)掘進(jìn)情況，控制合理的循環(huán)水溫度和水壓。

5) 一旦產(chǎn)生泥餅影響掘進(jìn)，應(yīng)及時(shí)采取對策，必要時(shí)采用人工處理的方式清除泥餅。

3.4.2 卡盾及脫困

重慶軌道交通6號線二期工程曹家灣—蔡家復(fù)合式TBM區(qū)間右線里程YDK42+493.826曾發(fā)生盾殼被卡，其主要原因是換刀造成了復(fù)合式TBM較長時(shí)間停機(jī)，而層面近水平的泥巖收斂較大造成了盾殼抱死。施工單位采取的具體脫困措施為：由于隧道圍巖條件整體較好，在無需過多臨時(shí)支護(hù)的前提下，利用刀盤人工掏挖掌子面，在刀盤前方形成一定體積空腔，采用人工作業(yè)的方式減小盾殼與圍巖的接觸，從而達(dá)到掘進(jìn)機(jī)脫困的目的。

由于隧道圍巖收斂導(dǎo)致復(fù)合式TBM盾殼抱死，在時(shí)間上具有一定的間隔，故為了降低掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)合式TBM應(yīng)保持快速掘進(jìn)。對于重慶地質(zhì)條件尤其是產(chǎn)狀近水平的泥巖地層來說，要求復(fù)合式TBM中應(yīng)盡量減小由于換刀或其他施工因素所造成的停機(jī)時(shí)間，且應(yīng)避免在圍巖破碎段停機(jī)。

3.4.3 管片上浮原因

區(qū)間管片上浮是復(fù)合式TBM施工中較為常見的現(xiàn)象，其危害是會產(chǎn)生錯縫，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致接縫滲漏水、產(chǎn)生錯臺以及管片的破損或開裂，在局部區(qū)段由于管片累計(jì)上浮量大導(dǎo)致管片侵入建筑限界，則需采用調(diào)線調(diào)坡的方式解決。

1) 管片采用同步注漿，由于漿液浮力大于管片自重，將直接導(dǎo)致管片上浮[11]。

2) 圍巖自穩(wěn)能力較好，地下水滲入隧道內(nèi)不易疏導(dǎo)，在管片仰拱部位匯集對管片產(chǎn)生上浮力，而導(dǎo)致管片上?。?/p>

3) 由于水泥砂漿初凝時(shí)間較長，為管片上浮提供了充裕的時(shí)間。

4) 注漿不及時(shí)，同步注漿不充分。

3.4.4 主要措施

1) 在隧道掘進(jìn)過程中，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的隧道管片位移值，預(yù)先調(diào)整掘進(jìn)機(jī)軸線到適當(dāng)限度，當(dāng)管片退出盾殼后，盡管隧道整體上浮了，但通過控制使得隧道中心軸線盡可能接近設(shè)計(jì)軸線，以保證管片位移不至侵入限界。但是，此方法并不能約束管片上浮，仍然不能避免由于管片上浮而帶來的不利影響。

2) 管片背后回填優(yōu)先采用豆礫石回填灌漿。豆礫石回填灌漿施工工藝有效控制了管片嚴(yán)重上浮、下沉現(xiàn)象，管片拼裝后無錯臺，外觀平順，可滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，極大地提高了成洞質(zhì)量，且采用豆礫石回填灌漿工藝后滲漏水現(xiàn)象得到很好的控制。采用此施工工藝，避免了施工同步注漿凝結(jié)時(shí)間，加快了推進(jìn)速度，為快速掘進(jìn)提供了保障[11]。

3) 若采用同步注漿進(jìn)行管片背后回填，應(yīng)通過改善注漿參數(shù)降低初凝時(shí)間，及時(shí)、足額注漿，加強(qiáng)注漿質(zhì)量，及時(shí)進(jìn)行二襯注漿，以穩(wěn)定管片。

4) 在管片上浮段應(yīng)注意控制掘進(jìn)速度，不應(yīng)在注漿未飽滿時(shí)盲目掘進(jìn)。

5) 地下水造成隧道管片上浮后，應(yīng)及時(shí)在相應(yīng)位置打開管片注漿孔釋放地下水，以減小管片背后水浮力。

5 結(jié)語及展望

1) 隧道采用掘進(jìn)機(jī)施工成敗的關(guān)鍵是TBM選型，而TBM的選型以適應(yīng)地區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，并且能很好地適應(yīng)其城市地鐵工程特點(diǎn)。實(shí)踐證明，在傳統(tǒng)TBM基礎(chǔ)上進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)和改造而成的復(fù)合式TBM，能夠很好地服務(wù)于重慶地鐵工程建設(shè)，并取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

2) 復(fù)合式TBM對于重慶以砂巖及泥巖為主的地層具有很好的適應(yīng)性，但對于重慶地區(qū)塊石性雜填土和灰?guī)r區(qū)溶洞、突發(fā)涌水、大變形石膏巖、煤礦采空及瓦斯區(qū)等不良巖層，TBM的應(yīng)用存在的問題多、風(fēng)險(xiǎn)大，不宜選用。

3) 結(jié)合筆者自身工程經(jīng)驗(yàn)或類似工程經(jīng)驗(yàn)，分析了復(fù)合式TBM在重慶地鐵工程應(yīng)用過程中存在的刀盤結(jié)泥餅、管片上浮以及卡盾等問題的原因，并提出了相應(yīng)的對策。

4) 雖然復(fù)合式TBM在安全、工期以及經(jīng)濟(jì)性方面具有較為突出的優(yōu)勢，但由于受到施工作業(yè)場地條件、始發(fā)或吊出條件，不良地質(zhì)條件、線路以及總體工籌的影響，復(fù)合式TBM在重慶地鐵工程中的應(yīng)用比例相較于施工靈活多變的礦山法仍然較小。

5) 對于復(fù)合式TBM在重慶地區(qū)應(yīng)用和研究的展望。由于受到地形條件和環(huán)境條件的影響，重慶軌道線路存在著大坡率小半徑的要求和特點(diǎn)，目前重慶軌道交通地方要求的線路最大縱坡坡率可達(dá)到50‰，因此進(jìn)一步研究如何使得復(fù)合式TBM能夠適應(yīng)極限坡率和轉(zhuǎn)彎半徑，對于其應(yīng)用推廣具有重要意義；復(fù)合式TBM不僅可以在重慶地鐵工程建設(shè)中推廣應(yīng)用，同樣可以應(yīng)用于類似工程條件的重慶市政公路隧道工程中；無論是地鐵工程還是市政工程，對于大斷面隧道都有著相應(yīng)的需求，所以進(jìn)一步研究并推廣大直徑巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)具有現(xiàn)實(shí)意義；重慶地區(qū)復(fù)合式TBM的成功應(yīng)用可為國內(nèi)其他巖質(zhì)城市地鐵工程建設(shè)提供借鑒。

[1] 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)：1197-1202. ZHONG Jianhua.Application of TBM for hard rock construction in the rail construction of Chongqing[J].Journal of chongqing jiaotong university(natural science edition), 2011, 30(S2)： 1197-1202.

[2] 張紅耀，劉東亮.敞開式TBM 在重慶軌道交通6號線的應(yīng)用分析[J].隧道建設(shè)，2013，33(2)：160-164. ZHANG Hongyao， LIU Dongliang.Analysis on application of open TBM in No.6 Line of Chongqing MRT Project [J].Tunnel construction, 2013, 33(2): 160-164.

[3] 趙錄學(xué).城市軌道交通工程TBM選型分析研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，50(2)：7-13. ZHAO Luxue.Analysis of TBM selection for an urban rail transit project [J].Modern tunnelling technology, 2013, 50(2): 7-13.

[4] 馮歡歡，姚蘭.復(fù)合式TBM地層適應(yīng)性研究[J].建筑機(jī)械化，2013(8):72-75. FENG Huanhuan, YAO Lan.Research on composite stratigraphic TBM adaptive[J].Construction mechanization, 2013(8): 72-75.

[5] 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)：88-92. WANG Jun.Research on the Key Elements of the Combined TBM in the Chongqing Metro[J].Modern tunnelling technology, 2011, 48(6): 88-92.

[6] 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)：16-22. LIU Xiaogang. Application of TBMs in the construction of urban rail transit[J]. Modern tunnelling technology, 2012, 49 (5): 16-22.

[7] 齊夢學(xué).基于單護(hù)盾的復(fù)合式TBM在重慶銅鑼山隧道的研究與開發(fā)[J].國防交通工程與技術(shù)，2012(1)：68-71. QI Mengxue.The Study and development of the application of the momo-protecting-shield-based composite TBM to the Tongluo Mountain tunnel[J].Traffic engineering and technology for national defence, 2012(1): 68-71.

[8] 楊慶輝.基于單護(hù)盾的復(fù)合式TBM主驅(qū)動及管片機(jī)控制系統(tǒng)的改進(jìn)[J].國防交通工程與技術(shù)，2013(4)：64-67. YANG Qinghui.On improving the control system of the main drive of the single-protectivr-shield-based composite TBM and the grilled tube machine[J].Traffic engineering and technology for national defence, 2013(4): 64-67.

[9] 王玉卿.重慶地鐵復(fù)合式TBM(盾構(gòu))施工應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2011(6)：28-30. WANG Yuqing.Chongqing Metro: the Application of combined TBM (shield)[J].Construction mechanization, 2011(6): 28-30.

[10] 董祥寬.重慶復(fù)合式TBM刀盤防結(jié)泥餅技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2012(S2)：101-104. DONG Xiangkuan.Research on the key elements of the combined TBM in the Chongqing metro[J].Tunnel construction, 2012(S2): 101-104.

[11] 郭惠川.豆礫石回填灌漿工藝在復(fù)合式TBM施工中的應(yīng)用[J].國防交通工程與技術(shù)，2013(4)：52-54. GUO Huichuan.The Application of the pea-sized gravel backfilling and grouting technique to the construction of the composite TBM[J].Traffic engineering and technology for national defence, 2013(4): 52-54.

(編輯：郝京紅)

Application of Compound TBM to Chongqing Metro Projects

PENG Hui1， ZOU Guangjiong1， CHEN Baiquan2， ZHOU Jie1

(1. Chongqing Rail Transit Design and Research Institute, Chongqing 401122; 2. CISDI Engineering Co., Ltd., Chongqing 400013)

rail transit; compound TBM; tunnel; Chongqing

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.015

2016-02-22

2016-06-21

彭輝，男，碩士，高級工程師，從事地下工程設(shè)計(jì)與研究，penghui0817@163.com

U231

A

1672-6073(2017)01-0070-07