雙護(hù)盾TBM空推過礦山法段地鐵隧道施工技術(shù)

劉航雨 陳壽根 丁華興 王青波

文章以深圳市軌道交通八號線為依托，對雙護(hù)盾TBM空推過礦山法段施工技術(shù)進(jìn)行了介紹。根據(jù)實際施工進(jìn)程，描述了始發(fā)空推前期準(zhǔn)備工作，驗算了TBM空推所需的推力值，總結(jié)了空推步進(jìn)的步驟以及TBM全環(huán)拼裝管片的合理順序，最后采用了VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)對TBM空推的方向進(jìn)行控制和調(diào)整。上述研究為今后雙護(hù)盾TBM隧道施工提供了有意義的工程資料。

雙護(hù)盾TBM; TBM空推; 始發(fā)推力; 拼裝管片; VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)

U455.43?? A

[定稿日期]2020-12-03

[作者簡介]劉航雨（1994～），男，在讀碩士，從事隧道及地下工程方面的研究。

隨著我國城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，越來越多的城市地鐵正在規(guī)劃和建設(shè)。城市地鐵隧道的施工效率是需要重點關(guān)注的問題，雙護(hù)盾TBM以其高效安全的施工優(yōu)勢，正在我國越來越多的城市地鐵隧道施工中被積極研究和探索[1-3]。不同隧道不同地段，地質(zhì)結(jié)構(gòu)也是不同的，所以應(yīng)用的方法也不一樣，如果地層結(jié)構(gòu)是由比較軟的巖層和比較堅硬的巖層混合形成的，這就需要把盾構(gòu)法和礦山法混合使用。兩種方法各取所長，是工程中遇到比較堅硬巖層的常用方法[4]。

目前，國內(nèi)外大多是盾構(gòu)空推過礦山法段隧道的研究較多。深圳地鐵5號線就是這樣的地質(zhì)條件下施工，在建設(shè)過程中，部分隧道采用礦山法進(jìn)行挖掘，還結(jié)合盾構(gòu)機(jī)安裝管片進(jìn)行作業(yè)[5]。梁宇[6]提出為了保證礦山法進(jìn)入圓形隧道后的路線偏差沒有超過規(guī)定值，不受隧道中空間小、活動受到限制的影響，需要嚴(yán)格地控制管片的路線和上浮。王春河[7]指出盾構(gòu)空推過礦山法可能會引起相鄰管片縫隙較大，從而容易引起滲漏水。毛紅梅[8]指出，在使用礦山施工法的時候為了保證盾構(gòu)機(jī)能穩(wěn)定的通過以及有一個安穩(wěn)的隧道端頭，應(yīng)該增強(qiáng)端頭墻的堅固程度。張常光、趙均海、張慶賀[9]利用彈性力學(xué)理論推導(dǎo)出了兩向不等地應(yīng)力條件下管片彎矩和軸力的彈性解析解。張學(xué)軍、戴潤軍[10]提出盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制措施，這樣能夠保證隧道的成形以及隧道的質(zhì)量。

上述文獻(xiàn)對空推過礦山法段隧道主要集中在盾構(gòu)機(jī)施工上，對雙護(hù)盾TBM施工研究幾乎空白。本文研究了雙護(hù)盾TBM空推過礦山法段隧道的施工技術(shù)。該技術(shù)在深圳地鐵8號線梧桐山南站至沙頭角站區(qū)間中成功運用，可為今后同類工程施工提供實踐經(jīng)驗。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通8號線一期梧桐山南站—沙頭角站區(qū)間線路大體呈西—東走向，起于梧桐山南站，止于沙頭角站。區(qū)間線路出梧桐山南站沿東南向側(cè)穿梧桐山管理區(qū)大樓，后下穿于羅沙路、長嶺天橋及羅沙高架橋樁基礎(chǔ)，區(qū)間沿羅沙路直行一段后以曲率半徑500 m下穿長嶺路進(jìn)入梧桐山段，隧道在梧桐山段時，北段為深鹽二通道山嶺隧道，南端為梧桐山隧道，分別經(jīng)過長嶺溝、夾門山及五畝地，下穿7處盤山公路，最后下穿于梧桐山隧道口出梧桐山段進(jìn)入深鹽路，區(qū)間沿直線側(cè)穿半山悅海小區(qū)，下穿盤山公路高架橋進(jìn)入沙頭角站。區(qū)間穿越地層主要為全～微風(fēng)化泥灰?guī)r，隧道圍巖綜合分級為Ⅲ～Ⅴ級。本區(qū)間采用礦山法初支+TBM空推及TBM法施工，其中左線起始空推段長度為538.5 m，右線起始空推段長度為544.5 m，工程示意圖如圖1所示。

2 TBM始發(fā)空推方案

2.1 前期準(zhǔn)備工作

2.1.1 配套設(shè)施準(zhǔn)備

配套設(shè)施包括兩臺50 t、一臺20 t龍門吊，豆礫石堆放場、水泥堆放場，通風(fēng)機(jī)，充電機(jī)，空壓機(jī)，10 t叉車、污水泵，渣車，管片車，運漿車，裝載機(jī)，輔助汽車吊，柴油發(fā)電機(jī)組，污水三級沉淀池等。

2.1.2 管片生產(chǎn)

根據(jù)現(xiàn)在管片生產(chǎn)情況，預(yù)計到TBM始發(fā)前管片廠管片庫存能夠達(dá)到600環(huán)，滿足TBM始發(fā)初期掘進(jìn)需求。

2.1.3 TBM步進(jìn)前的測量

TBM組裝前的測量包括TBM模擬定位測量，TBM空推段的導(dǎo)臺的測量、反力座測量，TBM模擬姿態(tài)初始測量等。

2.1.4 始發(fā)托架安裝

在始發(fā)托架安裝之前，要在車站端頭井后續(xù)施工的車站電纜夾層板的位置施工鋼筋混凝土板，為始發(fā)托架后半段提供基座。TBM始發(fā)之前對始發(fā)臺兩側(cè)進(jìn)行必要的加固，利用預(yù)埋在車站底板的鋼板與始發(fā)托架進(jìn)行焊接，并利用H型鋼進(jìn)行兩邊支撐，保證左右穩(wěn)定。始發(fā)臺的安裝高程根據(jù)端頭結(jié)構(gòu)條件進(jìn)行抬高2～3 cm。

TBM后配套臺車吊裝下井后，拆除始發(fā)井內(nèi)軌道及馬蹬，清除始發(fā)井底板雜物和積水，在底板上鋪設(shè)一層鋼軌，鋼軌鋪設(shè)方向垂直于隧道中心線，間距300 mm。鋼軌上方放置始發(fā)托架，按照測量放樣托架中心線必須與隧道中心線重合，托架底部處于同一標(biāo)高，局部不平整處用鋼板襯墊，托架尺寸12 000 mm×4 050 mm，端部距洞門間無間隙，直接與隧道導(dǎo)臺相接。托架兩側(cè)采用H型鋼進(jìn)行支持加固，始發(fā)托架如圖2所示。待空推距離達(dá)到150 m、完成TBM始發(fā)時拆除負(fù)環(huán)管片與始發(fā)基座，更換道岔。

2.1.5 洞內(nèi)步進(jìn)導(dǎo)臺安裝

礦山法空推段隧道多為IV、V級圍巖，這兩類圍巖開挖面暫未進(jìn)行混凝土襯砌，這樣TBM主機(jī)通過時的摩阻力較大。為了減少TBM盾殼底部與隧底的摩阻力，根據(jù)TBM通過空推段成功的施工經(jīng)驗，擬在隧洞底部施做C30素混凝土導(dǎo)臺，并在混凝土導(dǎo)臺上加裝兩條43 kg/m軌以滿足隧底圓順要求，如圖3、圖4所示。導(dǎo)臺工作完成后使用斷面儀對礦山法段凈空進(jìn)行測量，布置測點間距為5～10 m。若有圍巖侵限，立即提前處理，確保TBM快速順利通過。

2.2 空推進(jìn)洞推力計算

因TBM進(jìn)洞后進(jìn)入暗挖隧道進(jìn)行空推，TBM始發(fā)推力F0等于TBM始發(fā)時與托架的最大摩擦力F1、TBM后配套的牽引力F2以及TBM與負(fù)環(huán)管片的摩擦力F3之和。TBM組裝前應(yīng)在始發(fā)托架上涂抹黃油，以減小TBM始發(fā)步進(jìn)時摩擦力。此時摩擦系數(shù)μ1=0.12，臺車與軌道的滾動摩擦系數(shù)μ2為0.05，盾體與管片的摩擦系數(shù)μ3為0.3。盾體對始發(fā)托架的壓力G0、盾體重量G1為541 t、拼裝機(jī)重量G2為28 t、雙軌梁重量G3為15 t、負(fù)環(huán)管片（1.5環(huán)管片）的重量G4為7.8 t、后配套設(shè)備的重量G5為231.5 t。盾體對始發(fā)托架的壓力G0有：

G0=G1+G2+G32+G4=570.3t（1）

TBM始發(fā)推力F0有：

F0=F1+F2+F3=82.4t（2）

式中：F1=μ1·G0=68.44t;F2=μ2·G5=11.58t;F3=μ3·G4=2.34t

在拼裝模式下，TBM空推始發(fā)時有4根輔助推進(jìn)油缸完全作用在管片上，為推進(jìn)提供反力。TBM輔推油缸型號為200/180×2600，4根油缸正常負(fù)荷下的總推力為：

Ft=4×P·A=320.4t>82.4t（3）

根據(jù)式（3），總推力大于始發(fā)推力，滿足TBM的始發(fā)要求。

2.3 TBM空推步進(jìn)

（1）從始發(fā)臺至洞門段僅裝底部一塊A或B型管片，為TBM步進(jìn)提供支反力，底部管片采用通縫拼裝。然后采用拼裝模式用14#～17#輔助推進(jìn)油缸將管片緩慢、均勻的向后推動。在管片脫出尾盾后，用木楔子塞入管片和始發(fā)托架的導(dǎo)軌之間，以免管片下墜，待輔助推進(jìn)油缸行程達(dá)到1.8 m后，重復(fù)以上施工步驟依次安裝第二塊、第三塊管片。負(fù)環(huán)第一塊管片頂住車站電纜夾層板時，應(yīng)將鐵楔子塞入管片與始發(fā)架導(dǎo)軌間，并焊接固定，防止管片錯位后木楔子脫落（圖5）。

（2）TBM在礦山法段內(nèi)的步進(jìn)采用單護(hù)盾掘進(jìn)模式空推步進(jìn)，刀盤和前體依靠輔助推進(jìn)油缸前進(jìn)，利用安裝好的導(dǎo)向系統(tǒng)控制隧洞軸線偏差，保證TBM與礦山法隧洞間的間隙，使TBM沿隧洞方向前進(jìn)，每步進(jìn)一個行程后，進(jìn)行礦山法段襯砌管片的安裝、豆礫石回填及灌漿等工作。TBM主機(jī)步進(jìn)后，后配套跟緊主機(jī)同步前進(jìn)，依序鋪設(shè)鋼枕梁、三角支腿和鋼軌，鋼軌鋪設(shè)為運輸軌及后配套軌。同時進(jìn)行洞內(nèi)風(fēng)、水、電的延伸。

2.4 全環(huán)管片拼裝

拼裝時，管片拼裝一般從下向上次序安裝管片。待底部管片（A2）就位后，依次拼裝兩側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)管片（A1、A3）和鄰接管片（C、B），最后安裝封頂管片（K），封頂塊先以不超過管片寬度4/5的位置徑向推上，然后縱向插入成環(huán)。拼裝機(jī)盡量居中安裝，以減少接縫出現(xiàn)錯臺，保證拼裝質(zhì)量（圖6）。

管片就位后立即拼裝并擰緊管片彎曲螺栓，以固定管片位置，控制接縫張角。管片拼裝成環(huán)后再擰緊一次，待管片離開盾尾時再復(fù)緊一次（圖7）。

2.5 TBM空推方向的控制與調(diào)整

2.5.1 步進(jìn)方向控制

采用VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行TBM姿態(tài)監(jiān)測，VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)配置了導(dǎo)向、自動定位、掘進(jìn)程序軟件和顯示器等。該系統(tǒng)能夠全天候的動態(tài)顯示TBM當(dāng)前位置，與隧洞設(shè)計軸線的偏差以及趨勢。據(jù)此調(diào)整控制TBM掘進(jìn)方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內(nèi)（圖8）。

主司機(jī)可根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)通過分區(qū)操作TBM的推進(jìn)油缸來控制掘進(jìn)方向，使得掘進(jìn)機(jī)能夠沿著正確的方向掘進(jìn)，使其始終保持在允許的偏差范圍內(nèi)。包括切口里程、縱向坡度、橫向旋轉(zhuǎn)角、平面偏離值、高程偏離值。

2.5.2 TBM糾偏

通過分區(qū)操作推進(jìn)油缸來調(diào)整TBM姿態(tài)，糾正偏差，將TBM的方向控制調(diào)整到符合要求的范圍內(nèi)。即左偏時應(yīng)加大左側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力，右偏時則應(yīng)加大右側(cè)千斤頂?shù)耐七M(jìn)壓力。

2.6 TBM空推時的注意事項

（1）TBM步進(jìn)前的斷面檢測非常重要。隧道開挖時超挖過大會導(dǎo)致超過撐靴油缸行程，導(dǎo)致?lián)窝o法撐到初期支護(hù)面，如果隧道初期支護(hù)侵限則會導(dǎo)致TBM刀盤無法通過，后期再進(jìn)行處理會影響步進(jìn)速度。

（2）首環(huán)管片與反力支座接觸、受力后，TBM整體向前推進(jìn)，當(dāng)首環(huán)管片的吊裝孔脫出盾尾后應(yīng)及時對底部管片進(jìn)行豆礫石吹填，防止管片下沉。

3 結(jié)論

根據(jù)TBM空推過礦山法段現(xiàn)場實際施工步驟，主要結(jié)論如下。

（1）TBM空推以單護(hù)盾模式為主，TBM空推速度不宜超過100 mm/min，推進(jìn)參數(shù)變化有較大時應(yīng)立即停機(jī)檢查。

（2）在施工階段應(yīng)當(dāng)明確TBM推進(jìn)的反力來源以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保TBM的有效推進(jìn)。

（3）在推進(jìn)過程中注意控制施工不當(dāng)造成的管片位置偏移，保證始發(fā)托架導(dǎo)軌與管片間的牢固接觸，TBM管片全環(huán)拼裝時應(yīng)嚴(yán)格遵照正確的拼裝順序，適時地采取固定措施。

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