張 兵

(1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室,鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團有限公司,廣州 511458)

自比利時工程師亨利在1846年發(fā)明了世界第一臺TBM——片山機以來，在其后約100年的時間中，全球先后設(shè)計生產(chǎn)了大約30臺TBM[1]。但早期TBM的發(fā)展受制于技術(shù)力量的限制，TBM施工的優(yōu)越性不敵鉆爆法施工，導(dǎo)致TBM施工技術(shù)長期停滯不前。但隨著Robbins公司在1956年研制出了一種適應(yīng)于硬巖地層的高效破巖盤形滾刀，實現(xiàn)了TBM在硬巖地層中的掘進，TBM技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，涌現(xiàn)多種機型。在敞開式TBM、單護盾TBM和雙護盾TBM等各類機型中，雙護盾TBM理論上掘進速度是單護盾TBM的2倍，是敞開式TBM的1.5倍[2-7]。雙護盾TBM以其快速高效安全的施工優(yōu)勢，正在被越來越多城市地鐵施工中積極嘗試，雙護盾TBM首次在我國青島地鐵施工中應(yīng)用，目前應(yīng)用范圍最廣的城市是在深圳。

積極總結(jié)雙護盾TBM城市地鐵施工中的經(jīng)驗和難題，對推廣雙護盾TBM城市地鐵施工具有重要的意義?；诖吮尘埃Y(jié)合深圳軌道交通8號線梧桐山站—沙頭角站雙護盾TBM施工區(qū)間在斷層破碎段、礦山法空推段、極硬巖段的施工問題進行探索。研究了不同地質(zhì)區(qū)間段相應(yīng)的施工技術(shù)和優(yōu)化改進措施，提升了整個工程施工效率，為雙護盾TBM的設(shè)計和應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。

1 工程概況

深圳軌道交通8號線一期主體工程8132標梧桐山站—沙頭角站區(qū)間線路大體呈西～東走向，起于梧桐山站，止于沙頭角站。區(qū)間線路從梧桐山站沿東南向側(cè)穿梧桐山管理區(qū)大樓，下穿羅沙路、長嶺天橋及羅沙高架橋樁基礎(chǔ)，區(qū)間沿羅沙路直行一段后以曲線半徑500 m下穿長嶺路進入梧桐山段，隧道在梧桐山段時，北段為深鹽二通道山嶺隧道，南端為梧桐山隧道，分別經(jīng)過長嶺溝、夾門山及五畝地，下穿7處盤山公路，最后下穿梧桐山隧道口出梧桐山段進入深鹽路。其中，TBM區(qū)間為梧桐山站—沙頭角站區(qū)間，如圖1所示，區(qū)間設(shè)計右線長4 144.3 m，左線長4 127.619 m，梧桐山站礦山法+TBM空推段長度為538 m，地勘表明斷層破碎帶長度約80 m，硬巖施工段長度約153 m。隧道區(qū)間穿越地層主要為全～微風(fēng)化泥灰?guī)r，全斷面硬巖，隧道圍巖綜合分級為Ⅱ～Ⅴ級，區(qū)間施工采用礦山法和TBM施工相結(jié)合，雙護盾TBM經(jīng)過空推段后開始TBM段施工。

研究雙護盾TBM施工重難點問題，對于城市地鐵采用雙護盾TBM施工具有重要的參考和指導(dǎo)意義，該區(qū)間采用的雙護盾TBM如圖2所示。

圖1 線路平面示意

圖2 雙護盾TBM

2 工程問題及對策

2.1 空推步進段

梧桐山站—沙頭角站區(qū)間隧道在雙護盾TBM正式掘進過程中，要通過礦山法施工的空推段，空推段施工是整個隧道施工的起始段，該始發(fā)區(qū)段位于梧桐山下，山體含水豐富，因隧道內(nèi)水流較大，造成導(dǎo)臺混凝土強度降低，導(dǎo)臺施工質(zhì)量不合格。此外由于TBM導(dǎo)洞是使用礦山法提前開挖完成，在礦山法中爆破、噴錨等過程未嚴格控制好導(dǎo)洞弧線曲面尺寸，存在欠挖、超挖等現(xiàn)象，TBM在空推段掘進到第8環(huán)位置時，出現(xiàn)撐靴與撐靴壁無法正常接觸現(xiàn)象，從而影響整個施工掘進效率。

針對空推步進受阻問題，采取以下措施。

(1)在混凝土導(dǎo)臺制作前，必須對礦山法隧道進行防水堵漏，避免因隧道內(nèi)水流較大，造成導(dǎo)臺混凝土強度降低導(dǎo)臺施工質(zhì)量不合格，從而影響整個施工進度。

(2)針對撐靴與撐靴壁無法正常接觸無法步進問題，施作導(dǎo)臺撐靴壁提供反力進行掘進，如圖3所示。打開伸縮內(nèi)盾窗口位置進行豆礫石填充，通過填充豆礫石、頂撐循環(huán)控制，直至撐靴油缸壓力達設(shè)計值，通過步進受阻位置。

圖3 導(dǎo)臺撐靴壁現(xiàn)場

導(dǎo)臺施工精度關(guān)系到TBM隧道偏差，應(yīng)嚴格按照圖紙所給尺寸進行施工，避免導(dǎo)臺尺寸誤差，導(dǎo)臺鋼軌單位質(zhì)量不得小于38kg/m，以免TBM空推中鋼軌變形、折斷造成TBM栽頭。此外由于礦山法施工相對較慢，礦山法隧道施工效率低下，盡可能縮短礦山法隧道長度。

2.2 穿越斷層破碎帶

雙護盾TBM在斷層破碎帶地層中掘進時，由于圍巖不穩(wěn)定極容易遇到掌子面失穩(wěn)、卡機等風(fēng)險。雙護盾TBM被卡的原因有：前方地質(zhì)不明且沒有超前處理措施，造成TBM通過時被卡；TBM推進參數(shù)不合理，對圍巖擾動過大被卡；TBM受阻后處理措施不當，造成進一步坍塌被卡。合理的預(yù)處理手段、合適的掘進參數(shù)是保證TBM順利通過斷層帶的前提[8-11]。梧沙區(qū)間線路共有4條地質(zhì)斷層，沿斷裂帶內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造巖主要為強、中等風(fēng)化碎裂巖，節(jié)理裂隙及構(gòu)造裂隙極為發(fā)育。其中F6地質(zhì)斷層位于TBM掘進段，梧沙區(qū)間雙護盾TBM通過地質(zhì)斷層從施工措施和設(shè)備參數(shù)的調(diào)整2方面進行解決。

(1)超前地質(zhì)預(yù)處理

注漿首先需要確定注漿范圍，通過有限元分析建立雙護盾TBM穿越斷層破碎帶數(shù)值分析模型，初步確定斷層注漿加固范圍，模型如圖4所示，提取掘進斷層影響參數(shù)如圖5和圖6所示。發(fā)現(xiàn)隧道上方圍巖豎向位移變化較大，下方圍巖變化相對較小，斷層對隧道上方圍巖影響范圍13 m以內(nèi)，約為隧道上方2.1倍洞徑范圍。斷層對隧道下方圍巖影響范圍14 m以內(nèi)，約為隧道下方2.2倍洞徑范圍以內(nèi)，斷層區(qū)域圍巖7 m以內(nèi)影響更大，因此初步確定超前注漿影響范圍最低在圍巖7 m范圍以內(nèi)。

圖4 斷層掘進數(shù)值模型

圖5 隧道拱頂影響范圍曲線

圖6 隧道拱底影響范圍曲線

在通過F6地質(zhì)斷層時，當進入設(shè)計給出的地質(zhì)斷層前50 m，停機檢修設(shè)備，超前鉆孔探測前方圍巖情況，并根據(jù)圍巖情況進行超前注漿。注漿的范圍區(qū)域依據(jù)數(shù)值模擬，在圍巖7 m以內(nèi)，如圖7所示。TBM通過地質(zhì)斷層時，每掘進完成一環(huán)，需要檢查掌子面圍巖情況，確定實際圍巖情況。

圖7 超前注漿示意

(2)掘進參數(shù)選擇

依據(jù)隧道圍巖分級判斷，當圍巖開挖后拱部無支護時，可能產(chǎn)生較大坍塌，側(cè)壁易失去穩(wěn)定的特性，且?guī)r石的結(jié)構(gòu)和完整性較差，整體呈現(xiàn)碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，節(jié)理很發(fā)育，層狀軟弱面已經(jīng)基本被破壞。結(jié)合出渣渣樣分析，隧道斷層區(qū)域圍巖強度處于Ⅴ級和Ⅳ級之間，提取雙護盾TBM的設(shè)備掘進參數(shù)，找出設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在斷層區(qū)域的數(shù)值統(tǒng)計規(guī)律，如圖8、圖9所示。

圖8 斷層區(qū)域開挖總推力分布

圖9 斷層區(qū)域開挖總扭矩分布

隧道斷層區(qū)域相對于正常掘進區(qū)域采用低轉(zhuǎn)速、小推力、快速掘進方法通過，盡可能不停機或減少停機時間，以防TBM刀盤被卡。目前，梧沙區(qū)間雙護盾TBM左線和右線隧道均順利通過了F6地質(zhì)斷層，通過斷層區(qū)域的設(shè)備參數(shù)如表1所示。

(3)建議及對策

雙護盾TBM遇到不同大小的斷層破碎帶，卡機是需要重點關(guān)注的問題，合適的預(yù)處理及參數(shù)設(shè)置能夠避免卡機風(fēng)險。具體建議如下：

表1 雙護盾TBM掘進參數(shù)推薦值

①通過超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)告掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、圍巖完整性，為正確選擇掘進參數(shù)和施工方案提供依據(jù)；

②斷層破碎的規(guī)模較小，不進行預(yù)處理，采用低轉(zhuǎn)速、小推力、快速掘進迅速通過，減少停機時間，以防刀盤被卡；

③斷層破碎的規(guī)模較大時，超前注漿加固后緩慢掘進通過。當斷層帶規(guī)模特別大時，采用超前導(dǎo)洞、繞洞等施工措施通過。

2.3 硬巖段施工

梧沙區(qū)間隧道TBM在掘進到1415環(huán)時，TBM不僅掘不動而且設(shè)備振動大，通過勘察發(fā)現(xiàn)該段地層的巖性為致密微風(fēng)化花崗巖，實際揭示其平均天然飽和單軸抗壓強度為170 MPa，最大達到210 MPa，石英含量達72%，如圖10所示，針對該級別強度巖石施工難度很大。

圖10 取芯測試

TBM是利用巖石的抗拉強度和抗剪強度明顯小于其抗壓強度這一特征而設(shè)計的。目前，通常采用巖石的單軸抗壓強度Rc來判斷TBM工作條件下隧道圍巖開挖的難易程度，巖石單軸抗壓強度與TBM掘進速度關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 巖石單軸抗壓強度和掘進速度曲線關(guān)系

巖石強度越高，掘進難度越大，通常Rc>150 MPa時，巖石的可掘進性極差，且刀具磨損嚴重，換刀頻繁，掘進效率低下[12-17]。梧沙區(qū)間隧道硬巖區(qū)域最大巖石單軸抗壓強度為Rc=210 MPa，屬于極硬巖施工，該工況下，刀具磨損劇烈、換刀頻繁、破巖難度極大，出渣渣樣為粉末狀，如圖12所示。

圖12 出渣渣樣

在TBM設(shè)計過程中已充分考慮到小刀間距有利于破巖，能夠有效降低刀盤振動、延長刀具使用壽命[18-20]，中心刀刀間距設(shè)置為88 mm，正滾刀刀間距設(shè)置為84，80 mm。

但該區(qū)間地層圍巖完整性好、強度高，導(dǎo)致TBM掘進貫入度小，調(diào)整推力無明顯改善，刀具磨損嚴重。當提高轉(zhuǎn)速，依靠刀具高轉(zhuǎn)速來沖擊破巖時，效果較差，貫入度較小，極硬巖施工是制約整個區(qū)間隧道施工的難題，解決措施是從刀具材料和幾何刃形狀進行優(yōu)化。

(1)刀具優(yōu)化

通過對原材料和熱處理工藝改進，保證刀圈的S含量不高于0.003%，P含量不高于0.015%，整體達到超級特種鋼標準；當抗拉強度Rm在1550 MPa時，材料含硫量由0.005%降到0.003%，保證沖擊韌度不低于13J。刀具幾何刃形適度鈍化，增加刀刃寬度，優(yōu)化雙側(cè)曲面過渡線，優(yōu)化前后的刃型對比如圖13所示。

圖13 幾何刃型優(yōu)化

(2)掘進參數(shù)選擇

在該硬巖施工區(qū)段，刀具優(yōu)化前設(shè)備的參數(shù)刀盤轉(zhuǎn)速6.3 r/min，主推力最大數(shù)值約13 500 kN，貫入度1.0～3.0 mm/r，掘進速度7～18 mm/min。優(yōu)化后刀盤轉(zhuǎn)速可提高轉(zhuǎn)速到6.6 r/min，推力最大數(shù)值約13 000 kN，貫入度2.5～5 r/mm，掘進速度15～33 mm/min。優(yōu)化后刀具換刀頻次也明顯降低，以邊刀42號刀和面刀30號刀具為例，優(yōu)化前42號邊刀和30號面刀分別掘進9環(huán)和16環(huán)就要更換1次，優(yōu)化后16環(huán)和55環(huán)更換1次。表2為優(yōu)化前后參數(shù)對比。

表2 刀具優(yōu)化前后參數(shù)對比

此外，依據(jù)地質(zhì)勘探梧沙區(qū)間隧道圍巖等級大多為Ⅱ、Ⅲ級微風(fēng)化凝灰?guī)r區(qū)段，分析設(shè)備掘進參數(shù)，對關(guān)鍵參數(shù)進行分布統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域的數(shù)值統(tǒng)計規(guī)律如圖14、圖15所示。在該區(qū)段的掘進參數(shù)推薦數(shù)值如表3所示。

圖14 正常掘進區(qū)域開挖總推力分布

圖15 正常掘進區(qū)域開挖扭矩分布

(3)建議及對策

在極硬巖施工中，刀盤刀具的設(shè)計要選擇合適的刀間距，以提高破巖效率。此外，針對不同的巖石強度等級選擇合理的設(shè)備掘進參數(shù)，不僅能夠提高設(shè)備破巖效率，而且能夠減少刀具的磨損消耗，節(jié)約換刀時間。針對特殊極硬巖地段在刀具材料、熱處理工藝及刀刃形態(tài)上可做一些針對性的改造和優(yōu)化。通過刀具的刀刃角度設(shè)計優(yōu)化，兼顧刀具強度和刀具韌性；通過改進刀刃寬度，對巖石壓碎區(qū)域范圍擴大，裂紋擴展范圍也擴大，刀圈的破巖能力依次遞增，最大限度地提高破巖效率；通過優(yōu)化刀具雙側(cè)曲面的過渡曲線，提高了刀圈的抗沖擊性能，確保了刀圈的軸向強度，最大限度地適應(yīng)施工掘進中大塊落石對刀圈的沖擊。

表3 雙護盾TBM設(shè)備參數(shù)推薦值

3 實施效果分析

梧沙區(qū)間采用了合適的施工處理措施，有效地克服了施工中的難題，區(qū)間左右線均已經(jīng)順利通過了斷層破碎帶，沒有存在卡機現(xiàn)象。在硬巖段施工經(jīng)過刀具的優(yōu)化和設(shè)備參數(shù)優(yōu)化后，掘進速度提高了28%，刀具的使用效率提高了16%，經(jīng)過優(yōu)化后的刀具在同樣地層，貫入度和速度明顯得到提升。梧沙區(qū)間右線TBM單月最大掘進368環(huán)(552 m)，平均掘進速度273環(huán)/月；左線TBM單月最大掘進354環(huán)(531 m)，平均掘進速度249環(huán)/月。見圖16。

圖16 梧沙區(qū)間TBM管片拼裝完成情況

4 結(jié)論及建議

深圳軌道交通8號線梧沙區(qū)間雙護盾TBM的成功應(yīng)用，再次證明雙護盾TBM在城市軌道交通施工應(yīng)用的可行性和適應(yīng)性。針對地鐵施工工期緊張，對設(shè)備性能要求高的特點，研究了雙護盾TBM在深圳地鐵施工中不同地質(zhì)施工區(qū)段的問題，提出雙護盾TBM在空推段、斷層破碎段和極硬巖段施工的針對性控制措施和掘進參數(shù)設(shè)置，極大提高了設(shè)備在不同地質(zhì)條件下的施工適應(yīng)性，提高了施工效率。因為本文重點研究的是斷層和硬巖段的設(shè)備參數(shù)數(shù)值，后續(xù)對各個區(qū)間圍巖等級嚴格的界定同設(shè)備參數(shù)地質(zhì)相關(guān)性的研究，可以作為后續(xù)進一步的研究內(nèi)容。總結(jié)雙護盾TBM城市地鐵施工的難題和經(jīng)驗，對推廣雙護盾TBM在城市地鐵施工，提升裝備的地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計都具有重要的參考意義。