李炫松

深圳市市政設(shè)計研究院有限公司 深圳 518000

1 引言

隨著我國的城市發(fā)展，加上城市功能高度集中的特點，地鐵隧道的施工與維護城市正常功能之間的矛盾越來越突出。為了解決這一矛盾，對城市正常使用功能影響較小的盾構(gòu)法隧道逐漸取代人工礦山法隧道。

為了適應(yīng)不同的地質(zhì)條件及隧道斷面，盾構(gòu)機的種類日益增多，其中雙護盾TBM能在強風(fēng)化巖（軟巖）、中風(fēng)化巖（中硬巖）、微風(fēng)化巖（硬巖）及伴有地下水的破碎脆弱地層中安全且高效地掘進。

2 工程概況

深圳地鐵8號線梧桐山南站至沙頭角站區(qū)間左線長4119m，右線長4136m，隧道采用內(nèi)徑5.4m的圓形斷面。區(qū)間中間穿梧桐山山體部分采用TBM法施工，兩端采用礦山法初支及TBM空推法施工。

圖1 區(qū)間工法劃分示意圖

區(qū)間隧道埋深11.1～253.1m穿越地層主要為全～微風(fēng)化凝灰?guī)r，隧道圍巖綜合分級為Ⅲ～Ⅴ級（Ⅲ級：71%、Ⅳ級：13%Ⅴ級：16%）。中風(fēng)化凝灰?guī)r飽和抗壓強度范圍值為21.30～35.30MPa，微風(fēng)化凝灰?guī)r飽和抗壓強度范圍值為32.2～92.6MPa。區(qū)間兩端隧道洞身主要位于全強風(fēng)化凝灰?guī)r中，左線長度746.7m，右線長度740.7m；區(qū)間中部穿越山體段隧道洞身主要位于中微風(fēng)化凝灰?guī)r中，左線長度3372.4m，右線長度3395.0m。區(qū)間合計存在地質(zhì)斷層帶四處，兩處位于空推段，兩處位于TBM掘進段。

3 TBM空推隧道設(shè)計

區(qū)間兩端地層為軟巖，理論上雙護盾TBM具備穿越此類地層的條件，考慮到本段地面為城市主干道，洞內(nèi)若發(fā)生卡機或地面塌陷事故，對城市交通影響較大，因此采用國內(nèi)應(yīng)用廣泛的礦山法施工技術(shù)。

空推段首先采用礦山法施工超前支護及初支，同時在已完成的初支上施工導(dǎo)臺，為后續(xù)TBM步進提供反力，待空推段施工到設(shè)計里程后，TBM掘進機進行始發(fā)及空推，空推過程中，TBM拼裝管片并對管片背后進行回填。

3.1 礦山法初支

根據(jù)隧道所處不同圍巖（Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級）及位置（一般段、洞口段等），礦山法隧道襯砌斷面分為四種類型。隧道結(jié)構(gòu)為兩個單線圓形斷面形式，采用復(fù)合式襯砌，二襯為預(yù)制的鋼筋砼管片，初期與二襯之間空隙采用豆礫石水泥漿填充密實。斷面采用支護類型如表3-1所示。

表3 -1 斷面類型參數(shù)

初支采用C25、P6濕噴混凝土, 鋼筋網(wǎng)直徑8mm，間距150×150mm，砂漿錨桿長3.5m，間距1.2m×1.2m（加密段1.0m×1.0m）梅花形布置，格柵鋼架間距0.75m。

3.2 超前支護

超前支護主要采用大管棚超前支護和小導(dǎo)管超前支護兩種形式，管棚適用于隧道洞口段及橫通道內(nèi)正線隧道進洞段，超前小導(dǎo)管則適用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖斷面。

管棚采用直徑108mm，厚度8mm的無縫鋼管，管棚拱頂布置，環(huán)距400mm，管內(nèi)填充M30水泥砂漿。

超前小導(dǎo)管采用直徑42mm，厚度3.5mm的無縫鋼花管，沿拱部150°布置，環(huán)距400mm，長3.5m，縱距1.5m，管內(nèi)壓注水泥-水玻璃雙液漿。

3.3 過斷層地段全斷面注漿加固

礦山法隧道通過斷層破碎帶前，需采用超前地質(zhì)預(yù)報對前方斷層長度進行預(yù)判，確定范圍后在洞內(nèi)對掌子面巖體、土體進行超前注漿加固，注漿采用直徑42mm的長管并結(jié)合短管進行，管內(nèi)壓注水泥-水玻璃雙液漿。注漿加固范圍為開挖線外放2.5m，縱向每15m一循環(huán)。

圖2 空推斷面示意圖

4 TBM管片設(shè)計

4.1 TBM管片的組成：

圖3 管片環(huán)斷面示意圖

管片環(huán)一般由若干標準塊、2個鄰接塊、1個封頂塊組成，理論上標準塊數(shù)量可以自由擬定，但受限于目前施工技術(shù)、設(shè)備制造及運輸水平，小斷面標準塊一般為2～3塊，大斷面隧道一般為3～6塊；目前深圳常規(guī)地鐵盾構(gòu)隧道一般斷面內(nèi)徑為5.4～6.0m，標準塊數(shù)量通常采用3塊。

一環(huán)管片中封頂塊是最后拼裝的管片，受限于兩側(cè)已拼裝的鄰接塊，封頂塊拼裝控制要求大于其余管片，封頂塊的楔形量及寬度的擬定是管片分塊設(shè)計的關(guān)鍵。

圖4 封頂塊插入示意圖一

目前, 國內(nèi)封頂塊多采用先徑向后縱向插入的方式, 徑向搭接的長度需綜合考慮封頂塊的插入角和盾構(gòu)機千斤頂?shù)拈L度，徑向搭接越大，封頂塊插入角度也越大，千斤頂行程越短，從而加快盾構(gòu)拼裝速度，減少盾構(gòu)機長度及造價；若插入角度太大, 在施工過程中，管片拖出盾殼后，作用在管片上的軸力可能會使管片沿接縫滑動，且將導(dǎo)致鄰接塊及封頂塊端部角度過小，管片在吊裝及拼裝過程中容易受到損傷。

圖5 管片環(huán)斷面示意圖二

考慮30mm管片徑向插入施工間隙，目前深圳常規(guī)縱向?qū)挾?.5m的盾構(gòu)管片及TBM管片徑向搭接長度為環(huán)寬的0.85倍，即封頂塊短邊及長邊的差值為200mm ，封頂塊環(huán)向中心寬度一般取1/5、1/4或1/3 標準塊環(huán)向?qū)挾取?/p>

4.2 TBM管片襯砌環(huán)的類型：

目前常用的管片襯砌環(huán)類型為標準環(huán)管片及通用環(huán)管片，標準環(huán)管片拼裝點位只有兩種，為沿著隧道中心線按一定角度進行錯縫拼裝；通用環(huán)管片可沿全環(huán)進行拼裝，拼裝角度為相鄰螺栓的整數(shù)倍。

圖6 標準襯砌環(huán)俯視圖

1）標準環(huán)管片：直線地段除施工糾偏外, 多采用直行襯砌環(huán)；曲線地段可通過直行襯砌環(huán)與左、右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合使用，以模擬曲線。管片環(huán)需要3 種類型（直行環(huán)、左/右轉(zhuǎn)彎環(huán)）。

優(yōu)點：拼裝點位固定，拼裝過程較簡單，利于控制拼裝質(zhì)量，且直行環(huán)幾何形狀對稱，特別在區(qū)間直行段，拼裝質(zhì)量、管片受力情況較好；

缺點：管片環(huán)種類較多，生產(chǎn)過程需要多種鋼模，增加造價，也不利于現(xiàn)場管理；擬合豎曲線能力較差，不利于豎曲線段的施工。

圖7 通用襯砌環(huán)俯視圖

2）通用環(huán)管片：通過一種楔形環(huán)管片的不同角度的旋轉(zhuǎn)擬合線路，包括施工糾偏及豎曲線擬合。管片只需要一種類型。

優(yōu)點：只有一種類型的管片襯砌環(huán), 鋼模造價低，現(xiàn)場施工時便于管理；通過管片不同的旋轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)對平、豎曲線的擬合, 可最大程度地減小曲線擬合誤差的積累。

缺點：拼裝點位多，對管片拼裝過程施工精度及控制要求高；因封頂塊有時會出現(xiàn)在底部，對封頂塊的受力及質(zhì)量要求較高。

5 結(jié)論和建議

以上所述內(nèi)容可以歸納總結(jié)如下：

1）在TBM隧道設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)、地面環(huán)境對TBM隧道的工法及掘進模式的影響，選擇合適的施工方式。

2）TBM隧道空推段初支施工完成后，空置時間較長，初支及超前支護的設(shè)計需確保隧洞變形的穩(wěn)定及安全。

3）管片設(shè)計過程中，管片的分塊需結(jié)合管片環(huán)的類型及曲線半徑進行參數(shù)選擇。

4）由于管片通用襯砌環(huán)能夠最大程度的擬合平、豎曲線，通常在小半徑盾構(gòu)隧道中建議采用通用襯砌環(huán)。