時(shí) 健 劉衛(wèi)景 張仕林, 李鎖在 孔德森

(1. 山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 266590, 青島; 2. 青島地鐵集團(tuán)有限公司, 266045, 青島;3. 中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司, 102300, 北京)

隨著機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步和隧道行業(yè)的發(fā)展,TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))被廣泛應(yīng)用于深埋長(zhǎng)大隧道的建設(shè)中[1]。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比,TBM施工具有快速、高效、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、信息化程度高等諸多優(yōu)勢(shì),是國(guó)內(nèi)外隧道工程施工的主要選擇[2]。

針對(duì)TBM選型,國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量的研究討論。文獻(xiàn)[3]從地質(zhì)影響因素等方面對(duì)大伙房輸水工程隧洞施工裝備進(jìn)行了選型研究;文獻(xiàn)[4]綜合川藏鐵路隧道地質(zhì)條件,兼顧施工、安全、質(zhì)量和工期的要求給出了TBM選型建議。但若TBM選型設(shè)計(jì)不能適應(yīng)工程的地質(zhì)特征,則往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的施工風(fēng)險(xiǎn)和施工進(jìn)度滯后,甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件和TBM的選型是造成工期長(zhǎng)時(shí)間延誤的主要原因。文獻(xiàn)[6]提出TBM所具有的在復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性較差的缺點(diǎn)會(huì)抵消其施工速度快的優(yōu)勢(shì),從而延誤工期。以上研究主要是針對(duì)山嶺隧道的TBM選型分析,對(duì)城市軌道交通隧道中近海復(fù)雜地層條件下的設(shè)備選型及優(yōu)化的研究較少,且針對(duì)近海復(fù)雜地層中雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置范圍的研究也鮮有報(bào)道。

綜上所述,TBM選型與優(yōu)化是TBM法隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)不同圍巖條件下掘進(jìn)參數(shù)控制的研究對(duì)TBM掘進(jìn)性能的提升具有重要意義。本文依托青島地鐵2號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2號(hào)線”)西延段,從地層適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性及工期要求等方面對(duì)TBM展開(kāi)綜合比選,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展TBM針對(duì)性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)和掘進(jìn)參數(shù)控制研究,以期為硬巖地層下城市軌道交通隧道的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

2號(hào)線西延段TBM區(qū)間標(biāo)段包括TBM始發(fā)井,以及輪渡站—小港站、小港站—國(guó)際郵輪港站、國(guó)際郵輪港站—泰山路站等區(qū)間。區(qū)間隧道下穿諸多的交通干道,且下穿既有鐵路、橋梁、民房等諸多建(構(gòu))筑物,沿線分布有大量給水、雨水、污水、供暖、通信、燃?xì)?、供電等地下管線。

根據(jù)勘察資料顯示,場(chǎng)區(qū)穿越地段地層較多,由上到下依次有人工填土層、粗礫砂、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化上亞帶、強(qiáng)風(fēng)化下亞帶、中等風(fēng)化帶及微風(fēng)化帶,部分地段穿插有煌斑巖巖脈,是典型的“上軟下硬”地層。輪渡站—小港站區(qū)間的地層變化見(jiàn)圖1。隧道洞身除國(guó)際郵輪站—泰山路站區(qū)間主要穿越中-微風(fēng)化巖層外,其他區(qū)間隧道洞身主要位于微風(fēng)化巖層中,局部地段受構(gòu)造作用影響,揭露有砂土狀碎裂巖及塊狀碎裂巖等構(gòu)造巖;根據(jù)鉆探揭露,受巖脈侵入及次生構(gòu)造影響,局部微風(fēng)化帶巖體破碎,節(jié)理很發(fā)育,節(jié)理面礦物蝕變較明顯,形成節(jié)理發(fā)育帶。地下水整體較發(fā)育,除局部地段圍巖破碎,易發(fā)生涌水和滲水現(xiàn)象,其他地段圍巖含水率低,地層具有較好的自穩(wěn)能力。

注:標(biāo)高單位為m。

根據(jù)隧道巖體各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)指標(biāo)及周邊環(huán)境情況,結(jié)合青島地鐵1號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“1號(hào)線”)、2號(hào)線、青島地鐵4號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“4號(hào)線”)工程隧道施工的成功經(jīng)驗(yàn),2號(hào)線西延段所有區(qū)間隧道均采用TBM破巖施工。

2 近海復(fù)雜地層下TBM選型分析

2.1 TBM地質(zhì)適應(yīng)性分析

地質(zhì)適應(yīng)性是TBM機(jī)型選擇最重要的依據(jù)[7]。表1從地質(zhì)條件適應(yīng)性、施工靈活度、掘進(jìn)效率等方面對(duì)適宜硬巖地層掘進(jìn)的3種TBM進(jìn)行綜合比較。

表1 TBM類(lèi)型比選

2號(hào)線西延段共有9條大小不等的斷裂破碎帶,節(jié)理裂隙發(fā)育密集,巖體呈碎塊化碎裂狀結(jié)構(gòu),強(qiáng)度低且自穩(wěn)性差。根據(jù)敞開(kāi)式TBM的工作原理,當(dāng)洞壁圍巖強(qiáng)度低于TBM支撐靴作用在圍巖上的應(yīng)力時(shí),圍巖無(wú)法為T(mén)BM提供足夠支撐,掘進(jìn)無(wú)法正常進(jìn)行;隧道下穿工廠、學(xué)校、高架橋梁、膠濟(jì)鐵路等諸多建筑物及交通干線,地面條件復(fù)雜,施工場(chǎng)地有限,而敞開(kāi)式TBM機(jī)型長(zhǎng),在場(chǎng)地范圍、施工組織方面均存在很大困難,故不適宜采用敞開(kāi)式TBM。

單護(hù)盾TBM掘進(jìn)與管片拼裝不能同時(shí)進(jìn)行,施工速度較慢,不能滿足2號(hào)線西延段對(duì)工期的要求;掘進(jìn)區(qū)間主要為巖性較好的微風(fēng)化花崗巖層,局部夾雜有單軸抗壓強(qiáng)度極高的超硬巖層,鑒于單護(hù)盾TBM的工作原理,在超硬巖層中掘進(jìn),作用在管片上的支撐反力極大,對(duì)管片的強(qiáng)度要求極高,管片襯砌的成本將大幅提升,不利于其工業(yè)化生產(chǎn),故不適宜采用單護(hù)盾TBM。

在中硬巖為主且局部有斷層破碎帶的地層,雙護(hù)盾TBM能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。在某些特殊地段如斷層破碎帶,雙護(hù)盾TBM能采用單護(hù)盾模式掘進(jìn),利用超前鉆機(jī)和注漿設(shè)備加固地層;在穩(wěn)定性較好的硬巖地層中,雙護(hù)盾TBM強(qiáng)大的推力與扭矩儲(chǔ)備配合管片儲(chǔ)運(yùn)拼裝設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與管片拼裝同步進(jìn)行。雙護(hù)盾TBM機(jī)頭長(zhǎng)約12 m,方便在車(chē)站始發(fā)、過(guò)站、調(diào)頭和吊出,對(duì)車(chē)站干擾較小,不影響工期。經(jīng)綜合比選,2號(hào)線西延段采用適應(yīng)性更強(qiáng)的雙護(hù)盾TBM施工,隧道采取管片襯砌支護(hù)。

2.2 TBM型號(hào)選擇

根據(jù)青島地鐵現(xiàn)有成功經(jīng)驗(yàn),最終確定采用具有更強(qiáng)適應(yīng)性的DSUC型雙護(hù)盾TBM[8]。該機(jī)型開(kāi)挖直徑為6 300 mm,變頻驅(qū)動(dòng),最大扭矩為2 940 kNm,脫困扭矩為5 700 kNm,最大總推力為24 150 kN,最大推進(jìn)速度為120 mm/min,配有超前鉆機(jī)設(shè)備,對(duì)不良地質(zhì)、施工場(chǎng)地、地面環(huán)境等方面適應(yīng)性強(qiáng),完全能夠滿足本工程的施工要求。DSUC型雙護(hù)盾TBM的主機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,其主要特點(diǎn)如下:

圖2 DSUC型雙護(hù)盾TBM主機(jī)結(jié)構(gòu)

1) 具備雙護(hù)盾和單護(hù)盾兩種掘進(jìn)模式,能夠適應(yīng)堅(jiān)硬地層和軟弱地層的掘進(jìn)要求;

2) 刀盤(pán)正面采用整鋼加工成型,可有效避免傳統(tǒng)刀盤(pán)大量焊接造成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不均,具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐久性良好的優(yōu)點(diǎn),提高了刀盤(pán)的整體穩(wěn)定性;

3) 階梯式的護(hù)盾設(shè)計(jì)方案,能夠有效應(yīng)對(duì)圍巖的收斂變形,減少卡機(jī)對(duì)隧道掘進(jìn)的影響;

4) 具備靈活的隧道支護(hù)方式,可以適應(yīng)不同地層的支護(hù)要求。

3 工程難點(diǎn)與TBM優(yōu)化措施

3.1 工程難點(diǎn)分析

2號(hào)線西延段位于市區(qū)內(nèi)建筑密集區(qū),地層條件多變,施工難度大,存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。

3.1.1 穿越斷裂破碎帶

2號(hào)線西延段區(qū)間穿越地段地層較多,局部地段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育密集,呈砂土化散體狀結(jié)構(gòu)或碎塊化碎裂狀結(jié)構(gòu),黏結(jié)強(qiáng)度低,自穩(wěn)性差,易發(fā)生坍塌和掉塊。塊狀碎裂巖取樣結(jié)果見(jiàn)圖3。構(gòu)造破碎帶及節(jié)理發(fā)育帶往往是地下水富集的地帶,洞身開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)有滲流乃至點(diǎn)、線狀滲出的情況發(fā)生。

圖3 塊狀碎裂巖取樣結(jié)果

3.1.2 TBM始發(fā)空間不足

TBM始發(fā)井位于青島市南區(qū)公交停車(chē)場(chǎng)以及臨時(shí)道路范圍內(nèi),圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部鉆孔灌注樁部分內(nèi)凈空長(zhǎng)31 m,寬28 m;下部鋼管樁部分內(nèi)凈空尺寸長(zhǎng)28 m,寬25 m;基坑深度為32.66 m,且深度方向采用4道混凝土支撐+混凝土腰梁。TBM始發(fā)兼軌排井長(zhǎng)31 m,始發(fā)導(dǎo)洞小里程端長(zhǎng)度為28 m,大里程端長(zhǎng)度為77 m,擬采用的雙護(hù)盾TBM設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為165 m,始發(fā)空間無(wú)法滿足TBM整體始發(fā)的要求。

3.1.3 小曲率半徑施工

實(shí)際施工中,由于區(qū)間線路存在多處小半徑區(qū)段等原因,TBM推進(jìn)方向可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)軸線并超過(guò)管理警戒值。在穩(wěn)定地層中掘進(jìn),地層提供的滾動(dòng)阻力較小,可能會(huì)產(chǎn)生盾體滾動(dòng)偏差;在線路變坡段掘進(jìn),也可能產(chǎn)生較大的偏差。TBM掘進(jìn)方向偏離設(shè)計(jì)軸線,對(duì)TBM姿態(tài)控制、管片拼裝技術(shù)等均提出了更多挑戰(zhàn),一旦出現(xiàn)偏差,容易發(fā)生欠挖、超挖,以及管片開(kāi)裂、偏移、錯(cuò)臺(tái)等情況。

3.1.4 不具備吊出條件

根據(jù)工程周邊環(huán)境及整體設(shè)計(jì)需求,小港站為暗挖車(chē)站,國(guó)際郵輪港站為放坡明挖車(chē)站,二者周邊環(huán)境均不具備TBM吊出條件。區(qū)間終點(diǎn)泰山路站為既有車(chē)站,其站后折返線區(qū)間拱部距離TBM外輪廓880 mm,周邊環(huán)境無(wú)設(shè)置起吊機(jī)的空間條件,也不具備吊出條件。

3.2 TBM優(yōu)化措施

針對(duì)2號(hào)線西延段特殊的地質(zhì)條件和施工環(huán)境,對(duì)TBM進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.1 穿越斷裂破碎帶的TBM優(yōu)化措施

采用前盾、伸縮盾、支撐盾、尾盾等直徑前大后小的階梯圓柱形護(hù)盾設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖4),可以有效減輕因圍巖收斂變形引起的卡盾現(xiàn)象。大驅(qū)動(dòng)功率、大扭矩、大推力、大擴(kuò)挖,以及超前鉆探注漿加固的設(shè)計(jì),在降低刀盤(pán)被困風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),亦增強(qiáng)了其脫困能力。

圖4 階梯圓柱形護(hù)盾

通過(guò)斷層破碎帶時(shí),TBM刀盤(pán)容易被破碎巖塊卡住。通過(guò)設(shè)備上配置的超前鉆機(jī),對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行超前加固處理。結(jié)合地面注漿加固以及掘進(jìn)參數(shù)的控制,可以保證TBM的順利通過(guò),避免人工清理刀盤(pán)導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。

3.2.2 針對(duì)始發(fā)空間不足的TBM優(yōu)化措施

針對(duì)始發(fā)空間不滿足TBM整體始發(fā)要求,根據(jù)目前始發(fā)導(dǎo)洞長(zhǎng)度,經(jīng)與生產(chǎn)廠家多次溝通后決定臨時(shí)改造TBM,對(duì)后配套臺(tái)車(chē)進(jìn)行優(yōu)化,將駕駛室、變壓變頻器、液壓潤(rùn)滑系統(tǒng)等掘進(jìn)所必需的動(dòng)力、控制等系統(tǒng)布置在后配套系統(tǒng)前部,避免了分體始發(fā)帶來(lái)的不必要的管線延伸。待TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度滿足整體始發(fā)要求后,將后配套系統(tǒng)拖出洞外改造,進(jìn)行二次組裝調(diào)試與始發(fā)。

3.2.3 針對(duì)小曲率半徑施工的TBM優(yōu)化措施

TBM的姿態(tài)控制主要依賴(lài)導(dǎo)向系統(tǒng)。為滿足TBM掘進(jìn)區(qū)間多處小曲率半徑施工的要求,對(duì)原導(dǎo)向系統(tǒng)做如下優(yōu)化:① 導(dǎo)向系統(tǒng)采用在支撐盾加設(shè)激光發(fā)生器,在前盾加設(shè)激光靶,使前盾測(cè)量不需要通過(guò)視線通道,避免了曲線線路施工中TBM 可能受到測(cè)量通道狹小的影響,大大降低了換站頻率;② 導(dǎo)向系統(tǒng)采取了有效的減振措施,盾體姿態(tài)跳變誤差應(yīng)控制在±10 mm內(nèi),能夠滿足指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的要求;③ 導(dǎo)向系統(tǒng)采取了優(yōu)化算法,加強(qiáng)了激光強(qiáng)度,因此導(dǎo)向系統(tǒng)能夠有效提取因粉塵干擾遮擋的數(shù)據(jù),增加了姿態(tài)顯示響應(yīng)頻次,大大降低了粉塵對(duì)前盾姿態(tài)測(cè)量的干擾。雙護(hù)盾TBM導(dǎo)向系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

a) 前導(dǎo)向靶

b) 后導(dǎo)向靶

3.2.4 針對(duì)不具備吊出條件的TBM優(yōu)化措施

TBM掘進(jìn)終點(diǎn)為泰山路折返線區(qū)間,為既有線路,周邊建筑物密集,不具備設(shè)備拆解的空間和吊出的條件。為方便洞內(nèi)拆解及運(yùn)輸,TBM刀盤(pán)及盾體設(shè)計(jì)為分塊結(jié)構(gòu),后配套臺(tái)車(chē)為模塊化設(shè)計(jì),最大臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度≤12.5 m。TBM從輪渡站始發(fā)井始發(fā),掘進(jìn)至區(qū)間終點(diǎn)時(shí)在洞內(nèi)進(jìn)行分解,分解后的組件由原線路返回至始發(fā)井吊出。

4 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)控制

統(tǒng)計(jì)輪渡站—小港站區(qū)間隧道區(qū)段的雙護(hù)盾TBM現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)數(shù)據(jù),繪制不同等級(jí)圍巖下推力、扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及凈掘進(jìn)速率的頻次分布直方圖,見(jiàn)圖6。從圖6可以看出:在中等強(qiáng)度巖層中掘進(jìn),巖體強(qiáng)度較高時(shí),需保證一定的掘進(jìn)速率,所需的推力和扭矩也更大。

a) 刀盤(pán)扭矩

b) 刀盤(pán)推力

c) 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速

d) 凈掘進(jìn)速率

雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)隨掘進(jìn)距離變化見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn): 掘進(jìn)距離為0～170 m范圍內(nèi),雙護(hù)盾TBM在較低扭矩和推力下即可獲得較高的凈掘進(jìn)速度,即巖體容易掘進(jìn),根據(jù)地勘報(bào)告,該段對(duì)應(yīng)圍巖以Ⅳ級(jí)為主;掘進(jìn)距離為170～420 m范圍內(nèi),雙護(hù)盾TBM需較大的扭矩配合較高的推力才能保持較高的凈掘進(jìn)速度,巖體強(qiáng)度較前段有所提升,該段對(duì)應(yīng)圍巖主要為Ⅲ級(jí)圍巖;掘進(jìn)距離為420～450 m 范圍是斷層破碎帶,雙護(hù)盾TBM的扭矩、推力及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速均維持在較低水平,以降低對(duì)前方圍巖的擾動(dòng),通過(guò)控制掘進(jìn)參數(shù)維持掌子面穩(wěn)定,可降低卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

a) 刀盤(pán)扭矩

b) 刀盤(pán)推力

c) 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速

d) 凈掘進(jìn)速度

總體而言,雙護(hù)盾TBM在中硬巖層中掘進(jìn)時(shí),可以通過(guò)提高刀盤(pán)推力和扭矩加快凈掘進(jìn)速度;而穿越斷層破碎帶時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù),快速通過(guò),盡量避免因停機(jī)造成機(jī)體被抱死的可能性。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到不同圍巖等級(jí)下,雙護(hù)盾TBM的扭矩、推力、掘進(jìn)速度及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置范圍,見(jiàn)表2。

表2 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置范圍

5 結(jié)語(yǔ)

1) 雙護(hù)盾TBM具有地層適應(yīng)性強(qiáng)、掘進(jìn)與管片拼裝同步等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)本工程的地質(zhì)條件特點(diǎn),結(jié)合同類(lèi)工程成功的施工經(jīng)驗(yàn),選擇DSUC型雙護(hù)盾TBM。

2) DSUC型雙護(hù)盾TBM具有良好的地層適應(yīng)性,支護(hù)方式靈活多樣,通過(guò)優(yōu)化刀盤(pán)、盾體及后配套臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì),改進(jìn)始發(fā)、拆解、小曲率半徑施工方案,完善超前加固及導(dǎo)向系統(tǒng),使雙護(hù)盾TBM應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)合理。

3) 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)在不同圍巖條件下對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推力、扭矩及凈掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)的控制,有效提高雙護(hù)盾TBM的利用率,發(fā)揮雙護(hù)盾TBM高效、快速及經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。