郭 軍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

1 研究背景

隧道掘進(jìn)機(jī)包括用于軟土地層的盾構(gòu)機(jī)和用于巖石地層的巖石隧道掘進(jìn)機(jī)，在我國TBM特指巖石隧道掘進(jìn)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)因具有壓力平衡的功能，可保持開挖面的穩(wěn)定，已在不能自穩(wěn)的軟土地層的城市地鐵施工中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，也有一些地鐵隧道穿越的地層為巖石地層的城市(如重慶、青島、深圳等)，采用盾構(gòu)機(jī)施工，導(dǎo)致刀盤刀具磨損嚴(yán)重、螺旋機(jī)或管道出渣困難，且盾構(gòu)機(jī)壓力平衡的功能無用武之地，導(dǎo)致盾構(gòu)施工效率低下。而TBM利用皮帶機(jī)出渣，出渣效率高、巖渣不滯留，且可避免盾構(gòu)機(jī)在自穩(wěn)性好的巖石地層中過度磨損，因此，探索TBM在城市地鐵建設(shè)中的應(yīng)用對(duì)提高地鐵隧道施工效率具有深遠(yuǎn)的意義。

近年來，TBM已在重慶、深圳等城市地鐵隧道修建中得到了應(yīng)用。針對(duì)重慶軌道交通5號(hào)線單護(hù)盾TBM工程，張明書等[1]提出了地鐵TBM隧道上跨鐵路隧道施檢測(cè)評(píng)估、方案優(yōu)化、施工控制方法；熊海濤[2]提出了TBM姿態(tài)控制、隧底注漿加固以及豆礫石吹填注漿等方面的控制措施；葸振東等[3]提出了碎石吹填的管片壁后注漿工藝；李立功等[4]通過建立管片結(jié)構(gòu)-載荷模型數(shù)值仿真，計(jì)算了管片接頭的變形和受力，確保了上跨既有鐵路隧道的安全。針對(duì)重慶軌道交通6號(hào)線敞開式TBM工程，張紅耀等[5]提出了TBM的針對(duì)性設(shè)計(jì)，提高了敞開式TBM在重慶巖石地層的適應(yīng)性；朱文會(huì)等[6]通過對(duì)比步進(jìn)過站和掘進(jìn)過站兩種方式的優(yōu)劣，解決了敞開式TBM快速轉(zhuǎn)移的問題。另外，王杜娟等[7]、宋天田等[8]、雷江松等[9]、郭帥帥[10]、韓明[11]介紹了雙護(hù)盾TBM在深圳地鐵建設(shè)中的應(yīng)用。

關(guān)于青島地鐵隧道TBM始發(fā)技術(shù)的研究，王小強(qiáng)[16]等針對(duì)城市軌道交通施工場(chǎng)地受限的問題，提出了雙護(hù)盾TBM分體始發(fā)技術(shù)；黃銀釘[17]、司玉迪[18]提出了軌排井+吊裝井+始發(fā)洞始發(fā)技術(shù)，以及整機(jī)曲線、站內(nèi)導(dǎo)洞、空推平移等過站技術(shù)，提出了存車線隧道+車站風(fēng)井解體吊出接收技術(shù)。上述研究總結(jié)了青島地鐵隧道雙護(hù)盾TBM幾種始發(fā)、過站及到達(dá)方法，但對(duì)于弧形導(dǎo)臺(tái)反力支架、預(yù)埋鋼軌反力牛腿步進(jìn)以及首環(huán)管片反力環(huán)始發(fā)技術(shù)未涉及，也未涉及鎖緊裝置主動(dòng)拉緊管片的到達(dá)技術(shù)。

關(guān)于TBM掘進(jìn)參數(shù)的研究，張娜[19]等針對(duì)引松供水隧洞敞開式TBM，通過TBM掘進(jìn)參數(shù)反演巖體的掘進(jìn)狀態(tài)；杜立杰[20]等針對(duì)東北某隧道敞開式TBM，建立了貫入度指數(shù)與關(guān)鍵地質(zhì)因素巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖體完整性系數(shù)之間的多元回歸關(guān)系式。上述研究多針對(duì)山嶺隧道敞開式TBM，對(duì)于地鐵隧道雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)的研究較少。本研究建立不同等級(jí)圍巖條件下，推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度等參數(shù)的選取范圍，建立推力、扭矩與貫入度的匹配關(guān)系，對(duì)地鐵隧道TBM掘進(jìn)參數(shù)控制具有參考價(jià)值。

2 工程概況

青島已建和在建的地鐵包括：1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、4號(hào)線、R1城際以及R3城際，其中地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、4號(hào)線多個(gè)標(biāo)段地層以中、微風(fēng)化花崗巖為主，部分段穿越花崗巖強(qiáng)風(fēng)化帶，地質(zhì)條件相對(duì)單一，圍巖完整性較好，適合TBM施工。青島地鐵2號(hào)線采用4臺(tái)TBM掘進(jìn)7 km雙線隧道；1號(hào)線采用6臺(tái)TBM掘進(jìn)10 km雙線隧道；4號(hào)線采用5臺(tái)TBM掘進(jìn)12 km雙線隧道。其中2號(hào)線為最先使用TBM施工的線路，因此以2號(hào)線兩個(gè)標(biāo)段作為試驗(yàn)段，探索TBM在城市地鐵隧道修建中的應(yīng)用技術(shù)。2號(hào)線一期工程泰山路站-利津路站-臺(tái)東站-海信橋站-芝泉路站4個(gè)區(qū)間(土建1標(biāo))，采用兩臺(tái)TBM掘進(jìn)，各掘進(jìn)2.4 km；海安路站-海川路站-海游路站-麥島站-高雄路站4個(gè)區(qū)間(土建2標(biāo))，采用兩臺(tái)TBM掘進(jìn)，各掘進(jìn)3.5 km。

土建1標(biāo)地層主要為中、微風(fēng)化花崗巖，有些段落是強(qiáng)風(fēng)化帶。微風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度60～80 MPa，中風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度為35～45 MPa，其中Ⅱ級(jí)圍巖占16%，Ⅲ級(jí)圍巖占44%，Ⅳ級(jí)圍巖占38%，Ⅴ級(jí)圍巖占2%。2號(hào)線土建2標(biāo)地層以中、微風(fēng)化花崗巖為主，部分地段發(fā)育煌斑巖、花崗斑巖等脈巖及碎裂巖等構(gòu)造巖，地下水不發(fā)育，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為15～132 MPa，集中在50～100 MPa，其中Ⅱ級(jí)圍巖占54%，Ⅲ級(jí)圍巖占20%，Ⅳ級(jí)圍巖占23%，Ⅴ級(jí)圍巖占3%。圖1為2號(hào)線土建2標(biāo)高雄路站到麥島站的地質(zhì)縱斷面簡圖。

圖1 高雄路站到麥島站區(qū)間地質(zhì)縱斷面簡圖Fig.1 Geological profile from Gaoxiong Roadstation to Maidao station

3 青島地鐵TBM選型分析

采用何種類型TBM是TBM在青島地鐵隧道建設(shè)應(yīng)用中首先需要解決的問題。TBM常用機(jī)型主要有敞開式TBM、單護(hù)盾TBM以及雙護(hù)盾TBM 3種。

敞開式TBM由于護(hù)盾覆蓋范圍有限，通過破碎巖層之前，需進(jìn)行預(yù)加固處理。敞開式TBM設(shè)備體量較大(重慶6號(hào)線敞開式TBM整機(jī)長195 m，主機(jī)長25 m)，因此對(duì)施工條件的要求較高(重慶6號(hào)線每臺(tái)敞開式TBM拼裝場(chǎng)地約需4 000 m2，礦山法始發(fā)洞長度約200 m)。敞開式TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)、起吊、始發(fā)、調(diào)頭等要求高，且當(dāng)TBM過站時(shí)對(duì)車站施工的干擾比較大。另外，TBM單個(gè)掘進(jìn)區(qū)間的長度為1 000 m左右，TBM單次獨(dú)頭掘進(jìn)的距離比較短，導(dǎo)致TBM掘進(jìn)對(duì)車站施工的干擾比較大?？梢?，不適合采用敞開式TBM修建青島地鐵隧道。

單護(hù)盾式TBM只能依靠單一盾尾千斤頂反向推進(jìn)施工，需全程敷設(shè)管片，對(duì)于青島地鐵2號(hào)線TBM施工區(qū)間存在以下不足：① 大部分為圍巖條件較好的微、中風(fēng)化巖段，圍巖條件好，全程敷設(shè)管片，在很大程度上加大了建設(shè)成本；② 掘進(jìn)硬巖時(shí)，尤其碰到施工區(qū)段單軸抗壓強(qiáng)度最高達(dá)200 MPa的圍巖，其驅(qū)動(dòng)扭矩和掘進(jìn)推力均反作用在管片上，對(duì)管片的強(qiáng)度要求相當(dāng)高；管片不但厚、體積大，而且需進(jìn)行加強(qiáng)，整個(gè)工程的造價(jià)將大幅提升；③ 單護(hù)盾式TBM的管片拼裝工序與掘進(jìn)工序不能同時(shí)進(jìn)行，因此，施工效率較低。

2.2 生存分析 本研究的中位隨訪時(shí)間為30.17月，其中17(4.63%)例患者死亡，75(20.44%)例患者出現(xiàn)生化復(fù)發(fā)，MS組中有22(37.29%)例，生化復(fù)發(fā)的中位時(shí)間為11個(gè)月；無MS組中生化復(fù)發(fā)者有53(17.21%)例，生化復(fù)發(fā)中位時(shí)間為12個(gè)月。兩組患者累積生化復(fù)發(fā)率的比較結(jié)果為有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.001，圖1)。

從國內(nèi)常規(guī)雙護(hù)盾式TBM使用情況來看，存在以下問題：① 主機(jī)全由外殼覆蓋，無法在離開挖面最近的位置觀察土體情況，也無法在龜裂地層及脆弱地層中實(shí)施土體加固；② 由于主機(jī)長度較長，由巖片或土體塌陷引起的機(jī)體卡死情況較多；③ 挖掘脆弱地層及軟土層更換加固系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備時(shí)需要較長時(shí)間，若在軟硬兼有的地層中頻繁換裝對(duì)工期有較大影響。

通過對(duì)現(xiàn)有開敞式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾3種TBM機(jī)械適應(yīng)性的分析發(fā)現(xiàn)，3種機(jī)械均無法完全滿足青島地鐵的地層條件，因此在雙護(hù)盾TBM的基礎(chǔ)上，提出了緊湊型雙護(hù)盾TBM，主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該TBM在保留常規(guī)敞開式TBM支護(hù)手段、步進(jìn)方式等的前提下，也保留了雙護(hù)盾式TBM的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 緊湊型雙護(hù)盾TBM結(jié)構(gòu)Fig.2 Double shield compact TBM structure

緊湊型雙護(hù)盾TBM結(jié)合青島地鐵工程地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，護(hù)盾、后配套系統(tǒng)更緊湊、結(jié)構(gòu)更靈活。撐靴前置、護(hù)盾長度縮短，緊湊型雙護(hù)盾TBM整機(jī)全長僅135 m，主機(jī)長12 m，減少了TBM對(duì)始發(fā)洞長度及組裝場(chǎng)地的要求；撐靴前置設(shè)計(jì)，避免了鋼拱架、應(yīng)急噴射混凝土被破壞；TBM護(hù)盾采用倒錐形設(shè)計(jì)，降低了巖石收斂卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)；另外，還配置了超前鉆機(jī)系統(tǒng)(見圖3)，當(dāng)TBM遇到不良地質(zhì)時(shí)，可以進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)以及超前加固。

圖3 洞內(nèi)超前鉆孔注漿Fig.3 Advance drilling and grouting in the cave

4 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 雙護(hù)盾TBM始發(fā)技術(shù)

TBM到掌子面之前需要通過步進(jìn)的方式穿過由鉆爆法開挖的始發(fā)洞。如引洮供水雙護(hù)盾TBM工程，采用連續(xù)鋪設(shè)底部管片實(shí)現(xiàn)快速空推步進(jìn)，雖然速度可觀，但是管片拆除比較困難，而且造成了材料浪費(fèi)。青島地鐵雙護(hù)盾TBM采用了弧形反力支架結(jié)合弧形導(dǎo)臺(tái)預(yù)埋鋼軌反力牛腿的步進(jìn)方式，采用了首環(huán)管片安裝反力環(huán)的始發(fā)方式。

4.1.1弧形導(dǎo)向臺(tái)反力支撐架步進(jìn)

首先在TBM始發(fā)導(dǎo)洞的底部預(yù)制弧形導(dǎo)向臺(tái)，如圖4(a)所示，弧形導(dǎo)向臺(tái)采用C30素混凝土澆筑而成，弧形導(dǎo)向臺(tái)內(nèi)預(yù)埋250 mm×250 mm方鋼孔；雙護(hù)盾TBM步進(jìn)時(shí)，提供推力的是輔助推進(jìn)千斤頂，通過安裝在弧形導(dǎo)向臺(tái)上孔內(nèi)的反力支撐架提供反力，如圖4(b)所示。反力支撐架的4個(gè)支腿插入弧形導(dǎo)臺(tái)的預(yù)留孔內(nèi)，把TBM步進(jìn)的反力傳至弧形導(dǎo)向臺(tái)。完成一個(gè)步進(jìn)循環(huán)后(1 m)，拔出反力架，移動(dòng)1 m后重新進(jìn)行安裝即可以進(jìn)行下一個(gè)步進(jìn)循環(huán)。

圖4 弧形導(dǎo)向臺(tái)配合反力支撐架的步進(jìn)方法Fig.4 Stepping method of arc guide platform with counter-force support frame

4.1.2預(yù)埋鋼軌反力牛腿步進(jìn)

另一種步進(jìn)的方式是在弧形導(dǎo)向臺(tái)上預(yù)埋鋼軌，TBM沿預(yù)埋鋼軌滑行，TBM輔助推進(jìn)千斤頂提供推力，安裝在預(yù)埋軌道上的反力牛腿提供反力。牛腿與鋼軌之間通過螺栓連接，通過螺栓緊固力使牛腿夾緊預(yù)埋軌道，牛腿后方再采用兩塊240 mm×80 mm×30 mm的鋼板與鋼軌通過鑄鐵焊條焊接，從而提供足夠的反力來防止推脫，如圖5(a)所示。利用循環(huán)移動(dòng)牛腿實(shí)現(xiàn)TBM主機(jī)向前滑移，利用4塊底廢舊管片減少牛腿前移的頻率，如圖5(b)所示。

4.1.3首環(huán)管片反力環(huán)始發(fā)

TBM空推至掌子面后進(jìn)行始發(fā)，通常情況下盾構(gòu)機(jī)或單護(hù)盾TBM始發(fā)時(shí)均采用在洞口或車站安裝反力架+負(fù)環(huán)管片方式。根據(jù)緊湊型雙護(hù)盾TBM的特點(diǎn)，在始發(fā)洞口安裝首環(huán)管片反力環(huán)來代替龐大的反力架。TBM步進(jìn)至掌子面前，盾體通過首環(huán)管片位置后，進(jìn)行管片反力環(huán)的安裝，形成以型鋼、鋼板為主組合的反力結(jié)構(gòu)，用以支撐拼裝管片時(shí)油缸的推力，并控制管片端面為同一平面。管片反力環(huán)結(jié)構(gòu)由6塊拼裝而成，采用直徑為22 mm的錨桿與圍巖錨固。如圖6所示。

圖5 弧形導(dǎo)向臺(tái)配合反力牛腿的步進(jìn)方法Fig.5 Stepping method of arc guide platformwith counter-force corbel

4.2 TBM掘進(jìn)參數(shù)控制技術(shù)

4.2.1不同等級(jí)圍巖條件TBM掘進(jìn)參數(shù)控制

統(tǒng)計(jì)了46組不同圍巖等級(jí)下的TBM掘進(jìn)參數(shù)。圖7為不同圍巖等級(jí)下推力、扭矩的頻次直方圖。通過該方法得到了不同圍巖等級(jí)推力、扭矩、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)的控制(見表1)，可為其他TBM標(biāo)段掘進(jìn)參數(shù)的選擇提供參考。

4.2.2TBM掘進(jìn)參數(shù)與操作參數(shù)的匹配關(guān)系

采用貫入度來反映TBM的操作參數(shù)。貫入度的定義為：TBM刀盤旋轉(zhuǎn)一圈，刀盤上滾刀貫入掌子面的深度，即TBM掘進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)速的商，單位為mm/r。設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速為2.0 r/min，改變TBM推進(jìn)速度，統(tǒng)計(jì)Ⅲ級(jí)圍巖條件下，推力、扭矩與貫入度的關(guān)系如圖8所示。

圖6 利用首環(huán)管片反力環(huán)的始發(fā)方法Fig.6 Starting method of using the firstsegment counter-fore ring

從圖8可得：推力、扭矩與貫入度均正相關(guān)，且扭矩與貫入度近似線性相關(guān)。該關(guān)系可用于指導(dǎo)青島地鐵操作參數(shù)與掘進(jìn)參數(shù)的匹配，當(dāng)TBM在單軸抗壓強(qiáng)度較低的軟巖中掘進(jìn)時(shí)，貫入度不受限，TBM采用低轉(zhuǎn)速、大貫入度的控制方式，保持TBM具有較高掘進(jìn)速度；當(dāng)TBM在單軸抗壓強(qiáng)度較高的硬巖中掘進(jìn)時(shí)，貫入度受推力限制，TBM可采用小貫入度、高轉(zhuǎn)速的控制方式，同樣確保TBM具有較高掘進(jìn)速度。

4.3 雙護(hù)盾TBM到達(dá)技術(shù)

雙護(hù)盾TBM貫通后管片尚需繼續(xù)拼裝，但此時(shí)TBM前方阻力已經(jīng)消失，僅剩底部TBM與預(yù)埋鋼軌的摩擦力，管片拼裝時(shí)輔推千斤頂對(duì)管片的壓力不足，管片間隙止水條的擠壓效果下降，管片容易下沉或者漏水。為此提出了管片主動(dòng)鎖緊裝置，如圖9所示。最后15環(huán)管片間通過安裝鎖緊裝置進(jìn)行主動(dòng)拉緊。管片圓周方向6處相鄰環(huán)之間采用75 mm×5 mm扁鋼及75 mm角鋼制作的張拉座，隔環(huán)采用兩端車絲的Φ25 mm的螺紋鋼連接并擰緊，使最后15環(huán)管片連成整體，防止管片松懈而影響密封防水效果。

圖7 不同圍巖等級(jí)推力、扭矩頻次直方圖Fig.7 The histogram of thrust and torque frequency of different surrounding rock grades

表1 不同圍巖等級(jí)TBM掘進(jìn)參數(shù)控制方法Tab.1 Control method of TBM tunneling parameters for different surrounding rock grades

圖8 TBM掘進(jìn)參數(shù)與操作參數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between TBM tunneling parameters and operating parameters

圖9 管片主動(dòng)鎖緊裝置及效果Fig.9 Active segment locking device and its effect

另外，雙護(hù)盾TBM到達(dá)時(shí)，還需要采取以下措施：① 接收洞提前施工，圍巖初支后凈空大于開挖直徑且不小于15 cm；② 管片最后15環(huán)要及時(shí)安裝鎖緊裝置，管片連接螺栓緊固3遍，碎石吹填滿，機(jī)器完全出洞后及時(shí)封堵并注漿填充；③ 最后5環(huán)用雙液漿填充底部和兩側(cè)，防止管片幾環(huán)整體下沉或前傾；④ 提前測(cè)量接收導(dǎo)臺(tái)預(yù)埋鋼軌的實(shí)際標(biāo)高，掘進(jìn)貫通時(shí)控制軸線標(biāo)高比實(shí)際標(biāo)高要高出15～25 mm。

5 結(jié) 論

(1) 敞開式TBM設(shè)備體量較大；單護(hù)盾TBM全程拼裝管片，支護(hù)效率低、成本高；常規(guī)雙護(hù)盾TBM地層加固困難，且護(hù)盾過長易卡盾，對(duì)斷層破碎地層的適應(yīng)性差；而緊湊型雙護(hù)盾TBM護(hù)盾、后配套系統(tǒng)更緊湊，結(jié)構(gòu)更靈活，場(chǎng)地要求較低，有利于青島地鐵隧道的施工。

(2) 緊湊型雙護(hù)盾TBM始發(fā)時(shí)，提出了弧形導(dǎo)臺(tái)反力支架、預(yù)埋鋼軌反力牛腿步進(jìn)以及首環(huán)管片反力環(huán)始發(fā)技術(shù)。TBM到達(dá)時(shí)，提出了利用鎖緊裝置主動(dòng)拉緊管片技術(shù)。TBM掘進(jìn)時(shí)，建立了不同等級(jí)圍巖條件下推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度等參數(shù)的選取范圍，建立了推力、扭矩與貫入度的匹配關(guān)系。

(3) 緊湊型雙護(hù)盾TBM在青島地鐵的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了TBM技術(shù)在巖石地層城市地鐵修建的跨越式發(fā)展，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用到國內(nèi)外其他巖石地層城市地鐵隧道的建設(shè)中。