李小軍

(中鐵二十三局集團第六工程有限公司 重慶 401121)

1 引言

近年來，隨著我國經濟快速發(fā)展，城市軌道交通在各個城市交通中起的作用越發(fā)重要。目前在隧道施工技術發(fā)展的良好形勢下，人們對于工程的工期長短、工人作業(yè)時間以及施工環(huán)境等問題有了更加嚴格的要求，既要盡量縮短總體施工工期，又要逐漸減少人工成本，并提高安全環(huán)保等級，使得鉆爆法施工這一傳統(tǒng)隧道施工方法越來越難以滿足要求，進而提出了一種機械化的施工法——掘進機施工法(TBM法)[1]。文獻[2]對復合式TBM井下整體始發(fā)、過站轉場、洞內調頭、平移吊出及相應臨時工程改造等關鍵技術進行了詳細闡述，并得出了可靠的結論；文獻[3]對人員、材料設備、控制重點和詳細的施工工藝進行總結研究，以期為其他類似工程提供參考；文獻[4]介紹敞開式TBM在重慶軌道交通6號線一期工程的應用，解決了TBM施工選線、施工支護、下穿建筑物掘進、小凈距掘進及TBM過站等一系列關鍵技術問題。以往的一些文獻已經對TBM的方案設計問題、在各種地質條件下的適應性、相應施工技術、相關計算分析等有了一定的研究[5-7]；本文針對單護盾型TBM在重慶城市軌道交通九號線二期中央公園東至從巖寺區(qū)間段的吊裝及始發(fā)過程中的關鍵技術、遇到的一系列問題及解決方案進行討論，為以后TBM在城市軌道交通施工中提供一系列參考依據[8-10]。

2 工程背景

2.1 施工線路情況

該區(qū)間南接中央公園東站，北接從巖寺站，起訖里程為YCK36+166.863～YCK38+607.566，長2 440.703 m。其中TBM區(qū)間左線:ZDK38+137.5～ZDK36+185.463，全長1 952.037 m；TBM區(qū)間右線:YDK38+237.664～YDK36+185.463，全長為1 959.037 m。區(qū)間平面如圖1所示。

圖1 中從區(qū)間平面

2.2 TBM概況

本次施工采用2臺ZTT6830型單護盾TBM。TBM由刀盤、前盾、中盾、尾盾、皮帶機、拼裝機、后配套車架等組成，全長約92 m，總重約571.5 t。刀盤結構形式為面板式，最大開挖直徑為6.88 m，刀盤配備38把滾刀和12把刮渣鏟刀，開口率16%。刀盤配備7臺220 kW大功率驅動電機，最大脫困扭矩達6 060 kN·m。

3 TBM始發(fā)場地布置

由圖1可知，TBM施工方向為從巖寺站掘進至中央公園東站，根據前期設計決定將TBM吊裝及始發(fā)場地設在從巖寺站口的高架橋段與路基段交界處附近。

3.1 功能區(qū)劃分

TBM始發(fā)施工場地的合理布置需要考慮各個功能區(qū)合理的位置分配、相應區(qū)域的大小規(guī)劃等，采用系統(tǒng)論的思想對各功能區(qū)進行合理布置會對后續(xù)TBM的吊裝、始發(fā)、管片運輸、渣土堆放等一系列工藝流程有非常重要的作用。其中主干道采用C30鋼筋混凝土硬化鋼筋砼路面，路面厚度為30 cm，寬度為7.5 m，路面配φ20鋼筋進行鋪設。TBM吊裝及始發(fā)施工場地具體布置如圖2所示。

圖2 始發(fā)場地功能區(qū)劃分

3.2 地下管線保護及場地硬化

該線路位于城市核心區(qū)域，施工場地附近的道路兩側地下管網密布，在初期搭建場所時應考慮對這些地下管線的保護。根據具體管網分布情況，對施工區(qū)部分場地進行局部硬化加固處理，需要特別注意的是線路里程YCK38+215處存在一處機場航油運輸管線，剛好與線路正交，如圖2所示。

由于該管道埋深較淺，為不影響管線正常運輸，其保護措施為:挖出管道周圍覆土，在管道的底部采取臨時支撐點進行加固，防止管道沉降；分別在管道兩側采取漿砌毛石，在墻內填筑細土夯實，并在管道上方覆蓋鋼筋砼預制蓋板。

3.3 場地實時監(jiān)測

在TBM吊裝及始發(fā)場地采用全站儀、水準儀對地基基礎及基坑進行監(jiān)測[11]，于組裝場地擋土墻上設置1個基坑變形觀測點，靠近吊車前支腿地面上共設置4個地基基礎沉降觀測點，監(jiān)測點布置如圖2所示。

4 TBM吊裝

4.1 始發(fā)底架的針對性設計

由于TBM自身的重心靠前，始發(fā)掘進時容易產生“低頭”現象，故始發(fā)底架軸線需比設計軸線適當抬高20～30 mm。

4.2 TBM試吊檢驗

在小型物件及分段翻身吊運前，應劃出警戒區(qū)，檢查各點受力情況及吊攀的焊接質量；而吊運大型重噸位物件時，應有專人負責，統(tǒng)一指揮。整個試吊過程物體距離地面不高于0.5 m，懸停時間不少于5 min，檢查確認并使用纜風繩保持其平穩(wěn)狀態(tài)后，方可進行正式起吊作業(yè)。

4.3 TBM正式吊裝

TBM吊裝流程如圖3所示[12]。

圖3 吊裝流程

TBM吊裝從1月12日開始持續(xù)到2月20日截止，共計40 d，期間地基基礎沉降值Z1～Z4及基坑變形觀測DQ1的監(jiān)測結果如圖4所示。

圖4 基坑變形及地面沉降監(jiān)測

5 TBM始發(fā)

TBM的始發(fā)過程是整個施工中最為關鍵的一步，具體始發(fā)過程如下。

5.1 始發(fā)導軌安裝

始發(fā)導軌為鋼筋混凝土結構，為減小摩擦力，增設兩條鋼軌，鋼軌上部涂抹黃油。

5.2 TBM始發(fā)試掘進

將TBM掘進前100 m作為試掘進段，該段是摸索掘進規(guī)律、優(yōu)化掘進參數的重要里程[13]。由于設備尚處于磨合期和校核期，為此要加強試掘進段的控制管理，必須設置各施工參數的警戒值，確保不出現較大偏差或導致不良后果，一旦施工參數接近或達到警戒值或系統(tǒng)顯示的相關施工參數不一致，必須查明原因后方可繼續(xù)推進。通過總結和優(yōu)化出相應的TBM掘進參數為后續(xù)恢復正常掘進打下基礎。以試掘進階段TBM左線掘進參數為例，對部分關鍵掘進參數進行分析調整。

以管片環(huán)號為橫坐標，試掘進段平均掘進速度為縱坐標，繪制曲線圖，如圖5所示。

圖5 平均掘進速度與環(huán)號關系曲線

TBM始發(fā)掘進時，掘進速度應當設置較慢。在始發(fā)階段的前20環(huán)中，將推進平均速度調整在20～30 mm/min之間，后根據每環(huán)掘進效果、出土量、刀具消耗及管片襯砌效果、地面沉降等結合本工程實際情況，逐步增加推進平均速度，在后續(xù)幾十環(huán)的試掘進階段，其推進平均速度峰值可達到66.4 mm/min，整體掘進效果良好。

以管片環(huán)號為橫坐標，試掘進段掘進總推力為縱坐標，繪制曲線圖，如圖6所示。

圖6 掘進總推力與環(huán)號關系曲線

在始發(fā)過程中需注意掘進總推力必須嚴格控制在反力架的承受能力以下，根據設計，反力架承受能力在5 000～8 000 kN之間，在試掘進段，掘進總推力基本保持在5 000 kN以下。

以管片環(huán)號為橫坐標，試掘進段刀盤扭矩為縱坐標，繪制曲線圖，如圖7所示。

圖7 刀盤扭矩與環(huán)號關系曲線

在始發(fā)過程中刀盤扭矩與掘進總推力相似，應該確保在此推力下刀具切入地層所產生的扭矩小于始發(fā)導軌所提供的扭矩，并防止TBM盾體發(fā)生滾動翻轉；在TBM成功始發(fā)后可逐步提升刀盤扭矩，為后續(xù)正式掘進尋求最佳扭矩范圍。

以管片環(huán)號為橫坐標，試掘進段刀盤轉速為縱坐標，繪制曲線圖，如圖8所示。

圖8 刀盤轉速與環(huán)號關系曲線

對刀盤轉速而言，原設計中要求始發(fā)掘進段盡量暫時調低，其轉速范圍在1.0～1.5 rpm，但TBM掘進至5環(huán)后，刀盤發(fā)生卡死現象，脫困后經過研究發(fā)現造成刀盤卡死的原因是因為刀盤轉速過低，后期通過一定程度上提升刀盤轉速來解決該問題。

5.3 始發(fā)試掘進段所遇問題及解決辦法

(1)TBM進洞前步進緩慢，始發(fā)底架所帶來的阻力較大，經嘗試認為可在始發(fā)底架上涂抹少量的油脂，以減少TBM推進阻力。

(2)隨著TBM的不斷掘進，反力架將會產生不同程度的變形，進而影響隧道的成環(huán)質量，當管片接縫發(fā)生問題時，及時用石棉橡膠楔形料對其進行糾正，可有效提高成環(huán)質量。

(3)TBM進洞過程中盡量不要進行糾偏，否則可能會卡住盾尾。

(4)在始發(fā)階段，除了將始發(fā)底架軸線抬高20～30 mm外，還可以通過調整TBM姿態(tài)，使用下側的千斤頂施加向上的力的來防止TBM“低頭”。

(5)始發(fā)階段由于管片自重及其他原因，盾尾管片一般都會出現失圓的情況，有些甚至達到10 cm之多。為解決該問題，將Ⅰ型鋼材加工成圓形鋼環(huán)，用管片螺栓將其與0環(huán)連接，必要時使用工字鋼或槽鋼將圓形鋼環(huán)與始發(fā)臺進行連接。

6 結論與探討

本文對重慶軌道九號線中從區(qū)間段TBM施工中的場地布置、盾體吊裝及始發(fā)試掘進這三個階段進行了詳細的分析說明，得出如下一系列經驗性結論:

(1)本次TBM吊裝及始發(fā)場地的布局經過嚴格的系統(tǒng)設計，提出了各功能區(qū)最佳布置位置，并根據需要、TBM的日掘進量等參數以及各類材料的存放數量等因素確定了各功能區(qū)的范圍大小。提出了在地下管線密集的城市核心地區(qū)能夠有效保護特殊管線的場地硬化措施，并布置適量監(jiān)測點以有效監(jiān)測地面沉降及基坑變形。根據后續(xù)的吊裝、始發(fā)、掘進等過程來看，場地的整體適用性良好。

(2)為防止由于TBM整體重心靠前而導致始發(fā)掘進容易產生“低頭”的現象，對始發(fā)底架提出了針對性的設計，建議將其軸線適當抬高20～30 mm。提出了進行試吊檢驗的具體要求，并闡述了整個吊裝流程，為今后TBM的吊裝提供經驗指導。

(3)本文簡述了TBM的整個始發(fā)過程，對幾項重要參數進行分析說明，以此強調了前100 m試掘進段的重要性，只有在試掘進段盡可能地摸索掘進規(guī)律，并對掘進效果進行實時監(jiān)控，及時調整優(yōu)化掘進參數，找到當下最佳掘進姿態(tài)，才能在恢復正常掘進時迅速達到最佳掘進效果。目前重慶軌道九號線TBM施工任務已圓滿完成，隧道整體效果良好。