王萬仁

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司 北京 100040）

1 引言

TBM是一種用于以巖石地層為主，集掘進、出碴、導(dǎo)向、通風(fēng)、襯砌支護等多功能為一體的大型高效隧道施工機械。在我國，TBM主要用于長大鐵路隧道及水工隧洞施工，如蘭渝線西秦嶺隧道[1]及新疆八一達坂輸水隧洞、遼寧大伙房引水隧洞、四川錦屏引水隧洞等。相比之下，城市軌道交通中應(yīng)用TBM在國內(nèi)尚屬試驗階段，僅在重慶城市軌道交通6號線[2]和青島城市軌道交通2號線[3]地鐵施工中開始使用TBM[4]。

青島地鐵1號線項目實施是一個復(fù)雜、重大的系統(tǒng)工程，其涉及專業(yè)面廣，投資額度大，建設(shè)周期長。實現(xiàn)由施工企業(yè)主導(dǎo)的TBM施工技術(shù)在地鐵區(qū)間施工實踐中的成功應(yīng)用，樹立國內(nèi)軌道交通施工行業(yè)的地鐵TBM施工工程及標桿，同時必定會極大提高以后地鐵施工TBM機械化施工的推廣，利用青島地鐵1號線項目部雙護盾[5]TBM小凈距段掘進施工經(jīng)驗[6]，發(fā)揮項目的示范效應(yīng)，以點帶面，在青島地鐵施工中全面推廣TBM機械化施工應(yīng)用。

2 工程概況

2.1 工程簡介

青島地鐵1號線西鎮(zhèn)站～青島站區(qū)間，起自西鎮(zhèn)站，至青島站止，區(qū)間全長約620 m。區(qū)間采用TBM及鉆爆法施工，廣州路與費縣路路口設(shè)置軌排井，兼作TBM吊出井，由團島始發(fā)的3＃和8＃TBM掘進到此后拆解吊出。軌排井長36 m，寬15.4 m，基坑開挖深度18.93 m。

西青區(qū)間小凈距段起止里程為ZK32+841.664～ZK32+984.664，全長143 m，隧道開挖線凈距6～0.56 m，目前右線已掘進完成，左線TBM由西鎮(zhèn)站向軌排井方向掘進，隨著TBM掘進左右線隧道開挖線凈距逐漸變小，左線出洞處隧道開挖線凈距最小，僅剩0.56 m圍巖。如圖1所示。

圖1 西青區(qū)間小凈距段平面圖

2.2 地質(zhì)情況

左線小凈距隧道埋深14.4～25 m，隧道洞身基本位于微風(fēng)化花崗巖中，ZK32+841.664～ZK32+919.664（78 m）拱頂覆巖較厚，圍巖等級為Ⅱ級；ZK32+919.664～ZK32+959.664（40 m）為風(fēng)化凹槽，拱頂覆巖較薄，且拱頂上方存在砂層，圍巖等級為Ⅵ級[7-10]；ZK32+959.664～ZK32+984.664（25 m）拱頂覆巖較厚，圍巖等級為Ⅵ級。根據(jù)右線前期掘進揭露圍巖情況，實際地質(zhì)情況與勘察報告基本相符，K32+919.664～K32+959.664（40 m）為風(fēng)化凹槽隧道洞身圍巖較軟。

3 風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

風(fēng)險分析:TBM隧道開挖線凈距小于1倍洞徑，TBM撐靴需要的頂推力會對隧道洞壁產(chǎn)生較大反力，將會對小凈距隧道先行掘進隧道管片及周邊圍巖產(chǎn)生較大影響。

應(yīng)對措施:（1）合理控制掘進參數(shù)，降低刀盤轉(zhuǎn)速，減少推力，慢速通過；（2）對TBM先行洞安裝可移動式臺車支撐體系；（3）加強對先行隧道管片及可移動式臺車支撐體系監(jiān)控量測；（4）管片背后注漿。

4 方案變更主要內(nèi)容

4.1 原設(shè)計方案

西鎮(zhèn)站～青島站區(qū)間TBM段掘進344 m，進入單洞雙線礦山法段74 m，空推過礦山法段后由軌排井吊出。

區(qū)間隧道拱頂埋深約14.4～25 m，TBM段隧道洞身為微風(fēng)化花崗巖，最大飽和單軸抗壓強度97.53 MPa。TBM隧道段地下水類型為基巖裂隙水，富水性貧。

JA襯砌小里程設(shè)置5 m接收洞，TBM隧道開挖線凈距1.7 m；單洞雙線隧道施工完成后空推至軌排井。如圖2所示。

圖2 西青區(qū)間TBM段原方案掘進平面圖

4.2 變更方案

（1）JA襯砌段調(diào)整為TBM隧道，調(diào)整后隧道開挖線凈距0.56 m，管片凈距0.86 m。

（2）空間不足，無法設(shè)置接收洞。如圖3所示。

圖3 西青區(qū)間TBM段變更后掘進平面圖

5 施工方案

5.1 TBM掘進撐靴參數(shù)

根據(jù)TBM設(shè)計參數(shù)，TBM支撐盾外徑6 150 mm，單側(cè)撐靴2個油缸，油缸總行程400 mm，所以撐靴最大支撐直徑為6 550 mm，撐靴面積4.8 m2，正常掘進時撐靴油缸壓力280 bar，經(jīng)計算得出撐靴作用于巖壁面壓力為1.47 MPa。

5.2 技術(shù)參數(shù)

（1）在小凈距段掘進過程中參數(shù)設(shè)置

當(dāng)凈距為4～6 m時，推進速度控制在30～40 mm/min，推力控制在4 000～5 000 kN，刀盤扭矩控制在500～600 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速控制在4～5 r/min。

當(dāng)凈距為2～4 m時，推進速度控制在20～30 mm/min，推力控制在3 000～4 000 kN，刀盤扭矩控制在400～500 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速控制在3～4 r/min。

當(dāng)凈距小于2 m時，推進速度控制在10～20 mm/min，推力控制在2 000～3 000 kN，刀盤扭矩控制在300～400 kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速控制在2～3 r/min。

（2）姿態(tài)控制

①姿態(tài)調(diào)整

TBM姿態(tài)控制是采用分區(qū)操作推進油缸壓力來控制主機掘進時候的偏移量符合設(shè)計要求范圍內(nèi)，從而保證施工精度及施工質(zhì)量。

在前盾兩側(cè)分別設(shè)置1個穩(wěn)定裝置，在TBM掘進時通過調(diào)整穩(wěn)定裝置的壓力來減少主機部分的震動及滾動。

在雙護盾模式下TBM主機姿態(tài)調(diào)整通過調(diào)整2根扭矩臂油缸伸縮速度，達到防滾及姿態(tài)調(diào)整的目的。

②糾偏控制

正常掘進情況下水平偏差應(yīng)控制在±30 mm，達到預(yù)警值時主司機應(yīng)及時調(diào)整，接近或達到極限值±50 mm時應(yīng)及時停機，查明原因制定糾偏措施后，方可掘進。豎向偏差應(yīng)控制在0～30 mm，達到預(yù)警值時主司機應(yīng)及時調(diào)整，接近或達到極限值時應(yīng)及時停機，查明原因制定糾偏措施后，方可掘進。

③模式切換

在掘進過程中，如果發(fā)現(xiàn)渣樣變化，作業(yè)面頂部和面部發(fā)生若干坍塌或小范圍的剝離，刀盤護盾與巖壁間有小塊石頭掉下，拱部或側(cè)壁發(fā)生小坍塌，可能引起主撐靴撐的不牢固，導(dǎo)致掘進反力不夠，掘進姿態(tài)控制困難。

在掘進較短距離的情況下，將管片背后碎石填充密實，灌漿完成后，把雙護盾模式切換成單護盾模式掘進，利用輔推區(qū)壓控制掘進姿態(tài)，等撐靴過了松散區(qū)域，立即恢復(fù)雙護盾模式，將掘進姿態(tài)和滾動角調(diào)整控制好。

5.3 工藝流程

當(dāng)TBM后行洞隧道距先行洞凈距小于6 m（YK32+809～YK32+981及左線并行段）時需要安裝可移動式臺車支撐體系，此支撐體系布置范圍為后行隧道掌子面刀盤前后各1.5環(huán)及撐靴前后各2環(huán)；此臺車支撐體系縱向支撐間距為1環(huán)（1.5 m），之間由型鋼鋼架相連；后行隧道移動開挖時先行隧道的支撐臺車也須緊跟移動。如圖4～圖6所示。

圖4 TBM掘進示意

圖5 可移動式臺車支撐體系縱面圖

圖6 可移動式臺車實物

5.4 操作要求

移動臺車型鋼之間應(yīng)焊接可靠，橫向和豎向型鋼可通過一定數(shù)量鋼板作為連接件，確保臺車剛度及穩(wěn)定性。

臺車安裝在TBM掘進時出渣電容車鋼軌上，臺車上安裝電機，可實現(xiàn)沿隧道縱向前后移動，臺車支撐輪通過人工調(diào)節(jié)與管片密貼。加力方向與隧道徑向相同。

后行洞TBM掘進前，將支撐臺車預(yù)先支撐在掘進掌子面前方2.25 m處，TBM每向前掘進一環(huán)，相應(yīng)支撐臺車向前移動1.5 m，保證TBM掘進時掌子面處支撐臺車預(yù)先就位并提供支撐反力[11]，如此反復(fù)，直至后行洞掘進完成。

5.5 管片背后注漿

隧道開挖線凈距小于6 m（YK32+809～YK32+981及左線并行段）時，隧道掘進完成后利用預(yù)留注漿孔對管片背后進行多次注漿，確保管片背后填充密實，并檢測合格后方可進行后行隧道掘進。

圖7 注漿示意

當(dāng)TBM先行隧道與后行隧道間距小于3 m（YK32+900～YK32+981及左線并行段）時，在先行隧道內(nèi)利用管片內(nèi)已有注漿孔進行袖閥管注漿；注漿范圍側(cè)向90°，開挖線外3 m，且袖閥管不得打入后行隧道。如圖7所示。

5.5.1 注漿設(shè)計參數(shù)

漿液擴散半徑為1.0～1.2 m，注漿壓力0.5～1.5 MPa，注漿壓力根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整。嚴格控制既有通道附近注漿孔注漿壓力，注意對既有結(jié)構(gòu)的保護。注漿漿液采用硫鋁酸鹽水泥單漿液，水灰比0.8～1，漿液配比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗調(diào)整。

5.5.2 注漿標準與效果

（1）注漿結(jié)束標準

定量標準:當(dāng)單孔注漿量達到設(shè)計注漿量的1～1.2倍，且進漿量小于20～30 L/min時，可以結(jié)束本孔注漿。

定壓標準:單孔注漿壓力達到設(shè)計終壓并繼續(xù)注漿10 min以上，可結(jié)束本孔注漿。

（2）注漿效果檢測

注漿后，注漿達到齡期，采取檢查孔不少于3個，檢查芯樣密實度及強度，不合格者需進行二次補灌。

6 監(jiān)控量測

（1）通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、處理掌握TBM掘進時對圍巖擾動的變化規(guī)律，為工程和環(huán)境安全提供可靠信息，完善并優(yōu)化施工方法，保證施工安全及隧道結(jié)構(gòu)安全，并積累資料和經(jīng)驗，為以后的同類工程提供類比依據(jù)。如表1所示。

表1 監(jiān)測項目、量測方法

（2）小凈距隧道施工過程中，要根據(jù)監(jiān)測要求對先行洞內(nèi)管片環(huán)向、縱向拼裝縫張開量、管片錯臺、管片徑向收斂、管片裂縫等指標進行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn):①管片表面出現(xiàn)大于0.14 mm的裂縫或擠壓破損；②管片環(huán)縫張開量大于1.4 mm；③管片徑向收斂超過7 mm；④管片環(huán)縫或縱縫出現(xiàn)滲漏水情況。

以上任意一種情況時，監(jiān)測組應(yīng)立即通知TBM機和支撐臺車停止推進，并將數(shù)據(jù)立即上報，對出現(xiàn)上述情況的原因進行分析，查明原因并采取了針對性措施后，方能恢復(fù)掘進。

（3）支撐應(yīng)力監(jiān)測。

沿縱向布設(shè)2個橫撐測點，測點位于橫撐1/3部位。采用埋設(shè)鋼筋計或應(yīng)變計作為觀測標志，擬埋設(shè)2組觀測標志，編號規(guī)則為ZC+測點號，即ZC1、ZC2等。如圖8所示。

采用頻率讀數(shù)儀進行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測精度0.1 Hz。通過埋設(shè)在鋼支撐斷面位置的應(yīng)力計所測數(shù)據(jù)經(jīng)率定系數(shù)計算，可得出斷面位置上的型鋼受力情況[12]。

圖8 小凈距段先行隧道管片支撐應(yīng)力平面圖

7 結(jié)束語

通過安裝可移動式臺車支撐體系，隧道掘進開挖時先行隧道的支撐臺車也須緊跟移動，同時結(jié)合袖閥管注漿工藝和實時監(jiān)測的方法，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下小凈距0.56 m城市隧道TBM安全掘進施工。

小凈距隧道TBM掘進施工技術(shù)，為今后城市地鐵雙護盾TBM施工積累了寶貴的經(jīng)驗，取得了較好的經(jīng)濟技術(shù)及環(huán)境效益。采取的措施均有效地保證了青島地鐵隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，避免了隧道圍巖的大范圍擾動，有效地發(fā)揮了施工的科學(xué)性，提高了施工效率，縮短了施工工期，可以進行推廣使用。