陳雷

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司 河北燕郊 065200）

0 引言

由于在城市中建筑物較為密集的地段修建地鐵，近些年來，全斷面隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）在城市地鐵中越來展現(xiàn)出其先進(jìn)性，尤其是雙護(hù)盾TBM，在地鐵隨帶施工中實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、管片拼裝和出渣流水作業(yè)一次成型，使隧道施工達(dá)到高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)和保安全的施工目的，其設(shè)備結(jié)構(gòu)形式和施工特點(diǎn)受到施工單位的青睞。根據(jù)青島地鐵2號(hào)線隧道斷層破碎帶和設(shè)備特性等因素，對(duì)TBM工法在青島地鐵穿越斷層破碎帶施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究總結(jié)。

1 工程概況

青島地鐵是國(guó)內(nèi)首次將雙護(hù)盾TBM運(yùn)用至城市硬巖隧道地鐵施工，青島地鐵2號(hào)線一標(biāo)03工區(qū)泰山路站～芝泉路站區(qū)間隧道共穿越大小斷層破碎帶5條，一般斷層寬度1.5～8m，工程區(qū)段巖體中壓扭性斷層較為發(fā)育，其中長(zhǎng)度最長(zhǎng)斷層破碎帶段落長(zhǎng)度23.5m（里程：ZSK26+388～ZSK26+411），掘進(jìn)時(shí)盾殼背后形成的塌腔尺寸最大處約為2.7m×2.8m×0.8m（里程ZSK26+382）。區(qū)間隧道破碎帶段落上方多為商鋪及居民住宅區(qū)，建筑物密集，施工難度極高。

區(qū)間隧道采用雙護(hù)盾TBM施工，結(jié)構(gòu)裝配式鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)、外直徑分別為5.4m和6.0m，管片厚度300mm。

2 施工難點(diǎn)

2.1 盾體姿態(tài)變化大，掘進(jìn)軸線難以控制

雙護(hù)盾TBM在斷層破碎帶段落掘進(jìn)施工中，因斷層破碎帶充填物為砂土狀、塊狀碎裂巖，且線路法線與斷層破碎帶走向在同一平面內(nèi)存在一定角度差，刀盤切削土體時(shí)受力不均，巖體破碎側(cè)切削速度較堅(jiān)硬側(cè)快，盾體發(fā)生扭轉(zhuǎn)偏移。同時(shí)由于巖體破碎，極易造成盾體“栽頭”。相對(duì)于線路設(shè)計(jì)軸線，TBM在斷層破碎帶區(qū)間隧道掘進(jìn)時(shí)易形成“S型”或“螺旋型”線路，掘進(jìn)軸線難以控制。

2.2 刀盤前方和拱部土體坍塌，造成卡盾

由于斷層破碎帶巖體本身節(jié)理較為發(fā)育，TBM掘進(jìn)施工時(shí)因擠壓及震動(dòng)作用破壞了塊狀巖體間原有受力平衡，同時(shí)加大巖體破碎程度，容易造成刀盤前方及拱部土體大面積坍塌，嚴(yán)重時(shí)可能造成刀盤被卡的被動(dòng)局面。

2.3 破碎巖體及空洞無法為TBM提供掘進(jìn)反力

雙護(hù)盾TBM支撐盾上設(shè)置有撐靴，掘進(jìn)施工時(shí)撐靴伸出頂住兩側(cè)巖壁為掘進(jìn)提供反力，主推油缸頂推刀盤向前掘進(jìn)?？斩醇捌扑閹r體導(dǎo)致?lián)窝ド扉_時(shí)巖體不能夠提供足夠支撐力，撐靴無法為TBM掘進(jìn)提供支撐反力，同時(shí)加大了盾體扭動(dòng)偏移，導(dǎo)致掘進(jìn)工作無法正常進(jìn)行，加大了施工難度，延長(zhǎng)了施工工期，增加了成本投入。

2.4 地面沉降或坍塌造成建構(gòu)筑物開裂

TBM掘進(jìn)施工對(duì)土體擾動(dòng)增加，土體大量塌陷，刀盤前方及拱部形成巨大空洞，盾體周圍土體失去支撐力。土體自重及地面建構(gòu)筑物附重加劇了地面沉降及坍塌的概率，大范圍的地層土體的擾動(dòng)變形使地面建構(gòu)筑物發(fā)生開裂甚至倒塌，具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 管片發(fā)生位移、破損，止水效果降低，隧道成型質(zhì)量差

在破碎帶區(qū)間隧道施工時(shí)，TBM姿態(tài)呈不規(guī)則趨勢(shì)變化，盾尾姿態(tài)發(fā)生突變時(shí)，盾殼的瞬移引起相鄰多環(huán)管片發(fā)生位移。管片位移導(dǎo)致管片環(huán)、縱向錯(cuò)臺(tái)增大，管片拼裝偏離設(shè)計(jì)軸線，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管片大面積破損。不僅影響隧道成型質(zhì)量，同時(shí)也降低了管片止水效果。

3 技術(shù)措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及注漿

雙護(hù)盾TBM施工時(shí)，通過配備的超前鉆機(jī)對(duì)前方掌子面巖層鉆孔取芯，對(duì)鉆取的巖體進(jìn)行研究分析，并與詳勘資料進(jìn)行比對(duì)論證。

當(dāng)掌子面接近破碎帶時(shí)要提前對(duì)破碎帶段落進(jìn)行洞內(nèi)超前注漿加固。為防止地表沉降、塌陷造成建構(gòu)筑物開裂及倒塌，需采取地下超前注漿及地表注漿相結(jié)合的方式進(jìn)行超前加固。注漿時(shí)地表打設(shè)的注漿孔間距2m，呈梅花形布置，注漿材料為1：1水泥漿，注漿壓力1～3MPa。

3.2 掘進(jìn)姿態(tài)預(yù)偏量設(shè)置

為避免TBM掘進(jìn)時(shí)的大幅度糾偏，在進(jìn)入破碎帶段落掘進(jìn)施工前50m，進(jìn)行TBM姿態(tài)預(yù)偏量調(diào)整，調(diào)整原則以滿足設(shè)計(jì)軸線偏差要求（垂直±50mm，水平±20mm）為主，嚴(yán)禁大幅度糾偏。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及補(bǔ)勘時(shí)明確隧道輪廓與破碎帶位置關(guān)系，同等油缸壓力條件下圍巖較破碎一側(cè)速度較快，姿態(tài)預(yù)偏調(diào)整時(shí)則向反方向側(cè)調(diào)整，通過增減相應(yīng)位置主推油缸的壓力進(jìn)行調(diào)整。

3.3 施工參數(shù)設(shè)定

3.3.1 TBM掘進(jìn)參數(shù)選擇

破碎帶段落施工時(shí)遵循“低推力、低扭矩、低轉(zhuǎn)速”原則。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)可知，掘進(jìn)參數(shù)選擇如表1所示。

表1 掘進(jìn)參數(shù)

進(jìn)入破碎帶掘進(jìn)施工前10m即停機(jī)檢修，嚴(yán)禁TBM“帶病”作業(yè)。進(jìn)入破碎帶掘進(jìn)前5m進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，推進(jìn)時(shí)速度應(yīng)控制在2～4cm/min，推力＜3000kN，以此減小TBM掘進(jìn)推力對(duì)地層的擾動(dòng)影響，減小土體坍塌的可能性。

3.3.2 嚴(yán)格控制TBM糾偏量

為避免掘進(jìn)過程中盾體姿態(tài)的突變而短距離內(nèi)無法大幅度糾偏的情況，可采取“短行程、多循環(huán)”的掘進(jìn)換步方式，即每掘進(jìn)30～50cm即進(jìn)行換步糾偏?！岸绦谐獭⒍嘌h(huán)”的掘進(jìn)換步方式也避免伸縮盾伸開后因長(zhǎng)時(shí)間未閉合渣土掉落至在伸縮盾內(nèi)堆積導(dǎo)致無法換步的情況發(fā)生。

3.4 豆粒石及水泥漿填充密實(shí)

管片背后豆粒石及水泥漿的填充固結(jié)對(duì)減少地層變形和維持管片穩(wěn)定起著重要的作用。破碎帶段落易出現(xiàn)土體坍塌，單環(huán)管片掘進(jìn)完成后可對(duì)出渣量進(jìn)行估量計(jì)算，通過出渣量的多少可對(duì)水泥漿及豆粒石填充量進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，最佳水泥漿配合比為水：水泥=1：1，注漿壓力為0.3～0.5MPa。為防止單液漿流入刀盤，每三環(huán)管片制作一道止?jié){環(huán)，止?jié){環(huán)材料為水泥+水玻璃雙液漿，最佳配合比為水：水泥：水玻璃=1：1：1，水玻璃使用時(shí)用水稀釋成35Be′，注漿壓力為0.3～0.5MPa。

管片拼裝完成后應(yīng)對(duì)管片背后空洞進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)對(duì)空洞進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。

3.5 TBM測(cè)量與姿態(tài)控制

在破碎帶段落掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高隧道測(cè)量的頻率，因破碎帶段落管片易發(fā)生位移、變形，每推進(jìn)5環(huán)即進(jìn)行一次導(dǎo)線點(diǎn)復(fù)測(cè)。

TBM掘進(jìn)施工時(shí)會(huì)導(dǎo)致管片產(chǎn)生振動(dòng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)可知，每掘進(jìn)五環(huán)管片因振動(dòng)導(dǎo)致的水平及垂直偏差最大為3cm。為解決此類問題可采用配備有減震裝置的測(cè)量吊籃進(jìn)行全站儀的固定，減小了振動(dòng)帶來測(cè)量的誤差。

3.6 監(jiān)控量測(cè)及信息反饋

在破碎帶段落施工時(shí)加大人工監(jiān)測(cè)頻率，在TBM后配套通過后對(duì)隧道管片姿態(tài)隨時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，把信息及時(shí)反映給TBM操作人員，以便根據(jù)管片變形程度調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

4 施工效果

本工程雙護(hù)盾TBM施工的穿越的破碎帶區(qū)間隧道，在國(guó)內(nèi)城市硬巖地鐵施工中尚屬首例，破碎帶區(qū)間隧道對(duì)設(shè)備的適應(yīng)性和施工技術(shù)管理水平提出了嚴(yán)苛的考驗(yàn)，在采取了本文所述的措施后，整條隧道軸線均控制在-50～50mm范圍之內(nèi)，TBM施工成型隧道符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，平均錯(cuò)臺(tái)控制在1cm以內(nèi)，管片破損和漏水部分較少，地表沉降控制在-15～0mm范圍之內(nèi)，地面建（構(gòu)）筑物未出現(xiàn)開裂、坍塌的情況，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良工程標(biāo)準(zhǔn)，很好的完成了這一重難點(diǎn)的施工任務(wù)。