城市轨道交通敞开式TBM过站方案及关键技术

王 飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道处，陕西西安710043)

随着国内城市轨道交通建设速度的加快及修建水平的不断提高，地铁工程正逐步加大机械化施工程度，越来越多的城市地铁采用盾构法施工［1－2］。相比而言，敞开式TBM与盾构在机型特点、设备组成、施工原理、出碴方式及适用条件等方面均有明显的差异，因此，在城市轨道交通工程中，采用敞开式TBM施工过站与传统的盾构过站不同，具有其自身显著的特点［3］。

1 技术现状及存在问题

1.1 国内外现状

重庆轨道交通6号线1期工程采用敞开式TBM施工，属国内首创。敞开式TBM在国外城市地铁工程中应用的实例也很少，目前只有美国纽约地铁有此先例。纽约属岩石地层，以花岗岩为主，完整性较好，地质较稳定，是世界闻名的国际化大都市，城市人口众多，用地十分紧张，地面建筑物非常密集，商业发达，为减小地铁施工对周边环境的影响，不干扰市民正常生活，地铁工程尽量避免采用传统的钻爆法，而广泛采用更为快速、环保、先进、安全的机械化方法施工。例如纽约地铁East Side Access(ESA)隧道，该工程将连接长岛铁路和皇后区线到曼哈顿中央车站，区间设计为两条单洞单线隧道，采用直径为6.6 m敞开式TBM施工。

1.2 存在问题

在国内城市轨道交通中，盾构一般一次性施工1～2个区间，或者为1个区间的左、右线往返施工，途经车站较少或者不经过车站。由于设备相对小型轻便，其起吊、下放、组装、拆卸等操作也较容易，可采用车站端头吊出等方式避免过站，即使过站，其洞内拆卸、平移、拖动等操作也相对成熟方便［4－5］。敞开式TBM根据其机型特点，一次性施工距离较长，如重庆轨道交通6号线1期工程，线路全长23.684 km，TBM试验段(五里店站—山羊沟水库敞开段)全长近12 km，途经8座车站，所采用的TBM为美国罗宾斯公司生产，设备全长195 m(图1)。试验段内TBM的过站方式、过站难度、过站要求及对车站持续影响等均较盾构过站要高。

图1 重庆轨道交通敞开式TBMFig.1 Open TBM of Chongqing track transportation

1.3 研究内容及意义

为确保敞开式TBM在重庆轨道交通中的国内首次应用成功实施，需对TBM施工段所经过的区间及车站进行统筹考虑，制定TBM过站原则、过站方案及预案，一旦区间及车站不能按照既定工程筹划施工，提前启动过站预案，以保证TBM能够顺利过站，做到洞内不停机、不等待、安全快速施工，过站后TBM施工运输能够正常进行，同时不影响车站及区间的总工期。如此便解决了敞开式TBM应用于城市轨道交通的主要技术难题，为TBM日后逐渐大规模应用于城市地铁工程创造有利条件并提供技术支持。

2 TBM过站总体方案

2.1 TBM 途经车站概况

根据6号线1期工程TBM试验段工程筹划，两台敞开式TBM在五里店车站明挖基坑内完成组装、调试后始发掘进，途经红土地、黄泥滂、红旗河沟、花卉园4座暗挖车站，大龙山、冉家坝两座明挖车站，再经光电园暗挖车站，最终在山羊沟水库敞开段掘进出洞，完成试验段全部掘进任务。沿途所经各车站详细概况见表1。

表1 TBM试验段车站概况Table 1 Stations overview of TBM test section

红土地、黄泥滂、花卉园及光电园站的结构型式如图2。大龙山及冉家坝站的结构型式如图3。红旗河沟站6号线范围车站结构型式如图4。3、6号线共建段车站结构型式如图5。

图2 暗挖单拱岛式车站Fig.2 Single arch island style station of blasting excavation

图3 明挖矩形框架车站Fig.3 Rectangle frame station of open excavation

图4 暗挖单拱侧式车站Fig.4 Single arch side style station of blasting excavation

图5 红旗河沟共建段车站结构Fig.5 Together construction range station of Hongqihegou

2.2 TBM总体施工方案

6号线1期工程TBM试验段，包括车站施工段、TBM施工段及钻爆法施工段。车站施工段即上述8座车站范围;钻爆法施工段主要包括:进出车站两端所设置的TBM接收洞及始发洞，存车配线段、水平喇叭口过渡段、上下近接段、下穿建(构)筑物段及特殊地质地段等。TBM试验段全长12 123 m，除去车站及钻爆法施工段后，右线TBM施工长度7 973 m，左线 TBM施工长度8 116 m。

随着TBM始发后不断向前掘进，后续出碴进料的运输距离逐渐加长。因TBM施工段采用有轨矿车运输，长距离有轨出碴进料的效率逐渐降低，能耗加大，影响到TBM的施工进度。并且为了保证TBM的后续运输，沿途所经过的各座车站其主体工程均不能再施工，这将严重影响车站自身的工期［6］。为避免上述问题，应在 TBM施工段途中选择合适地点进行出碴进料转场，可大大缩短TBM施工运输距离，提高施工效率，并将转场之前所经过的车站彻底脱开，保证了区间及车站各自的工期要求。

根据TBM试验段沿途所经过车站及区间的具体情况，大龙山站为明挖站，位于龙山大道下方，其站位基本位于TBM试验段的中部，车站周边场地较为开阔，水、电等设施及道路接入也较为方便(图6)。因此确定在大龙山站进行一次TBM施工转场，可将之前所经过的4座暗挖车站彻底脱开，保证了试验段内车站及区间总工期要求。

图6 大龙山明挖车站周边条件Fig.6 Open excavation station around condition of Dalongshan

3 TBM过站方法

3.1 TBM过站原则

敞开式TBM应用于城市轨道交通工程，具有快速、安全、高效、优质、环保等优点。相比于TBM在山岭及水工隧道的长距离连续掘进，中间较为频繁的经过车站，导致TBM受车站间隔性影响而不能连续掘进，这是TBM在城市轨道交通中应用的一大特点和难点。如何保证TBM顺利的通过车站对于发挥其快速、长距离连续掘进施工具有重要的意义［7］。TBM过站应遵循“快速、安全、投资省”的大原则，综合考虑车站及TBM掘进施工，既要保证TBM的顺利通过，又要确保车站工期，所确定的基本过站原则如下:

1)车站施工前，TBM可选择掘进过站方式，避免车站加宽，同时保证TBM的连续掘进。

2)车站施工中，TBM可选择掘进、步进、半掘进的过站方式，与车站开挖统筹协调，车站施工尽量为TBM通过创造条件，TBM过站应减少对车站施工的影响。

3)车站施工后，TBM可选择沿线路中线步进、站端拆卸侧移等通过方式。

4)应提前考虑过站预案，以应对车站及TBM施工的不确定因素。

3.2 敞开式TBM过站方式

敞开式TBM过站方式基本上可分为两类:①TBM依靠外部条件，借助过站小车等通过;②TBM依靠自身条件，直接掘进或步进通过。

当采用小车辅助过站时，与盾构过站方式类似，需要车站端头接收TBM主机部分加宽，通长加深，可最大限度的减少车站土建工程。但TBM在车站端头侧移时，需要将主机与后配套断开，到达车站另一端又需重新连接。因敞开式TBM设备较复杂，存在主大梁、水平撑靴、连接桥、皮带机等，主机也较长，与后配套连接处各种管路较多，过站时于洞内反复拆卸、安装TBM主机与后配套会相当麻烦，耗时费力，且需不断调试，特别是当沿途经过车站较多时，将严重影响正常掘进，丧失使用TBM施工的优势，对设备自身也不利［8－9］。

为保证TBM过站简单、实用、可靠，充分发挥其快速掘进的优势，尽量缩短过站时间，应始终让TBM沿线路中线走行，保持同一标高，如此便保证TBM施工的完整性和连续性。在此前提下，TBM过站又可分为步进过站和掘进过站两种形式。

3.2.1 TBM 步进过站(图7、图8))

当TBM到达车站时，车站全部开挖完毕或仅完成部分开挖(如双侧壁导坑［10］)，预留出TBM步进通道，则TBM直接步进过站。

图7 车站衬砌完毕TBM步进Fig.7 TBM walking in the station lining finished

图8 车站完成双侧壁导坑TBM步进Fig.8 TBM walking in the station side wall pilot holes finished

根据敞开式TBM的机型特点，步进过站又可分为“平底钢板”和“弧底导轨”两种方式，此时TBM的步进限界在外轮廓基础上做了适当放大，既满足设备顺利通行要求，又不会造成多余开挖的浪费。两种步进方式对空间限界及底部预留条件的要求如图9、图10。

图9 TBM“平底钢板”步进限界Fig.9 TBM walking delimitation of flat base steel plate

图10 TBM“弧底导轨”步进限界Fig.10 TBM walking delimitation of arc base guide rail

3.2.2 TBM 掘进过站

TBM掘进过站与区间正常掘进的方式一致，为保证快速掘进，TBM尽量不要在洞内停机等待，因此若车站不具备步进过站条件，则TBM采取直接掘进过站，车站后期扩挖。掘进过站分以下几种型式:

1)车站部分开挖，TBM掘进过站

当TBM到达时车站未完成全部开挖，需提前对车站的施工组织进行调整，达到车站剩余部分适合TBM掘进通过的条件，并在站端施做TBM临时接收洞及始发洞，以便TBM安全进出车站(图11)。

图11 车站部分开挖，TBM掘进过站示意Fig.11 TBM driving through of station excavation partly

2)车站未开挖，TBM掘进过站

由于暗挖车站存在地表征地协调等问题，因重庆高低起伏地形条件，暗挖车站的施工通道一般均较长，当TBM到达车站时，车站因外界条件影响若尚未进行主体开挖，则TBM直接掘进过站，该方案一般适用于TBM始发后的前1～2座车站(图12)。

图12 车站未开挖，TBM掘进过站Fig.12 TBM driving through of station excavation not yet

3)车站调整工序，TBM掘进过站

若TBM到达车站前，车站具备一定的施工时间，为保证TBM过站后区间及车站均能继续施工，车站需调整工法。根据地质及周边条件，暗挖单拱大跨车站可采用“先拱后墙”法，即先期进行拱部开挖，与区间预留一定的安全距离，TBM于车站下部掘进通过。后期车站可进行拱部衬砌，也保证了TBM正常的运输通道，有利于总工期(图13)。

图13 车站“先拱后墙”开挖，TBM掘进过站Fig.13 TBM driving through of station early arch late wall excavation

4 TBM过站施工

重庆轨道交通6号线1期工程于2009年初全面开工，2012年底建成通车试运营。TBM于2009年9月到场，2009年12月完成组装、调试并开始正式掘进，2011年7月底完成1期土建工程。由于TBM前期论证、设备选型、机器制造、运输、组装、调试等原因将花费12～14个月左右的时间，且TBM始发后，陆续到达每座车站尚需经过区间掘进的过程，因此，对于红旗河沟、花卉园、光电园3座暗挖车站及大龙山、冉家坝2座明挖车站，车站施工可为TBM步进过站创造条件;红土地站为TBM始发后所经过的第1座暗挖车站，自身施工时间较短，TBM过站后又要持续占用车站空间，故红土地站工期压力很大，因此采用“先拱后墙”法，TBM掘进过站。黄泥滂站为TBM经过的第2座暗挖车站，工期相对充足，车站自身体量也较小，TBM到达时可完成双侧壁导坑开挖，TBM步进通过，后续车站工期也满足要求。根据工程筹划及现场施工情况，TBM具体过站方案如下。

4.1 掘进过站

红土地站于2009年7月开工，TBM于2010年2月到达，2010年11月TBM于大龙山站转场。为保证区间正常施工，车站主体部分在2010年2月—2010年11月的9个月期间将无法施工。

为满足车站剩余土建施工的要求，红土地站采用“先拱后墙”工法，即TBM到站前先进行车站拱部土体的开挖，与区间预留不小于3.0 m安全土柱，TBM到达后直接掘进过站，车站可继续拱部开挖，最终与区间预留1.0m土柱，施做临时底板，之后车站可进行拱部衬砌，待TBM于大龙山站转场后，再进行下部土体的开挖及衬砌，如图14～图17。

图14 车站拱部开挖，TBM掘进通过Fig.14 TBM driving through of station arch excavation

图15 车站拱部衬砌Fig.15 Station arch lining

图16 车站衬砌完毕Fig.16 Station lining finished

图17 现场“先拱后墙”法施工Fig.17 Early arch late wall construction in site

4.2 步进过站

黄泥滂站于2009年7月开工，TBM于2010年4月到达，车站完成主体双侧壁导坑开挖，具备步进通过条件。花卉园站于2009年3月开工，TBM于2010年8月下旬到达，车站可完成主体衬砌，为满足TBM步进通行的要求，暂不能浇筑站台板，如图18～图21。

图18 车站完成双侧壁导坑TBM步进Fig.18 TBM walking through station with side wall pilot holes finished

图19 TBM步进过黄泥滂站Fig.19 TBM walking through Huangnipang station

图20 车站完成主体衬砌TBM步进Fig.20 TBM walking through station with main body lining finished

图21 TBM步进过花卉园站Fig.21 TBM walking through Huahuiyuan station

4.3 步进过明挖车站中板

大龙山、冉家坝站为5、6号线的同站台换乘站，5、6号线分别位于车站一侧，上下两层布置。两个明挖站分别于2009年4月、6月开工，TBM分别于2010年11月、2011年2月到达，此时车站主体工程已完工。右线TBM在车站中板上通过，因TBM设备庞大、主机较重，步进作用于中板的荷载远远大于后期运营的荷载，因此需选择适合的TBM步进方式，并对车站结构进行加强设计。结合TBM步进过站的受力特点，过中板采用“弧底导轨”方式，过底板采用“平底钢板”方式，见图22。

图22 TBM步进过大龙山、冉家坝站示意Fig.22 TBM walking through Dalongshan and Ranjiaba station

TBM中板步进采用弧形底面设上翻梁预埋导轨、梁下设钢管支撑的方式，可有效的对板上荷载进行均布并通过钢管支撑向下传递，此步进方式的荷载分布如下。

4.3.1 纵向荷载分布

根据TBM设备参数，主机步进时荷载主要集中于3部分:①机头作用合力350 t，纵向作用长度为2 m;②水平支撑靴作用合力250 t，纵向作用长度2.5 m;③TBM后下支撑作用合力150 t，纵向作用长度1.5 m。TBM机头架与水平撑靴作用点纵向间距约10 m，水平撑靴与后支撑作用点纵向间距约7 m，见图23。

图23 TBM主机荷载分布Fig.23 TBM main machine load distribution

TBM机头荷载通过预埋在弧型底面上的两根43 kg钢轨向下传递，钢轨横向间距2.59 m，圆心角48°。TBM步进时，机头在钢轨上滑移，即①荷载始终作用，撑靴处的步进架和后支撑即②和③荷载交替作用。

4.3.2 中板结构支撑方案

沿TBM步进方向中板纵向设两道暗梁，梁下预埋钢板及螺栓与钢管支撑连接，钢管支撑间距4 m，设纵、横向钢撑，间隔设纵、横向剪刀撑，底板对应部位预埋钢板及螺栓与钢管支撑柱脚底板连接，保证中板、钢支撑体系完全接触，形成对TBM荷载的有效传递。TBM步进过车站中板时，需对中板自身的强度、下部支撑的受力及明挖车站的整体稳定性进行结构计算(图24)。

图24 TBM步进过明挖车站中板计算模型Fig.24 TBM walking through middle slab of open excavation station

采用以上TBM步进及中板加固方案后，顺利实现了TBM的中板步进，整个步进过程安全可控，保证了中板结构的安全无损。相比车站主体加宽及TBM于站端起吊等过站方式，本次选择TBM直接在中板上步进，从工期、效率上均具有巨大的优势，并节省了车站大量的土建投资(图25、图26)。

图25 TBM步进过大龙山站中板Fig.25 TBM walking through middle slab of Dalongshan station

图26 中板下方设钢管支撑Fig.26 Steel pipe bracing under the middle slab

4.4 车站调整开挖满足TBM步进

红旗河沟车站为3、6号线的十字岛侧换乘站，3号线在上，6号线在下，两线十字交叉处共用一个站厅层，6号线为侧式站台，线间距4.75 m。

原工程筹划当TBM到达红旗河沟站时，车站能够完成共建段衬砌、6号线车站范围的双侧壁导坑开挖以及车站两端的钻爆法区间开挖，TBM可步进过站。随着施工进展，车站工期有所滞后，为此，车站及时调整工法，将共建段及车站大里程端完成开挖及初期支护，为确保安全先增设临时支撑，车站小里程端无法完成开挖，只能先期完成两个“眼镜”式导洞，以满足TBM步进通过要求。待TBM过站并在大龙山站转场后，再将车站及区间剩余土建工程施工完毕，如图27、图28。

图27 TBM步进过车站范围“眼镜”导洞Fig.27 TBM walking through glasses pilot hole in station

图28 TBM步进过车站共建段Fig.28 TBM walking through station together construction area

5 结论

通过对重庆轨道交通6号线1期工程敞开式TBM过站技术进行研究，结合现场施工过程，可得出如下结论:

1)根据地铁工程特点，当敞开式TBM应用于城市地铁工程时，不可避免的要遇到过车站问题，如何解决好过站问题是决定TBM能否在城市轨道交通中成功应用的关键所在。

2)应根据全线工程筹划确定TBM具体到达每个站的过站方式。一般情况下TBM过站后为保证后续出碴进料运输通道的畅通，车站主体部分均不能继续开挖，待TBM施工转场或完成掘进后，车站再进行剩余土建工程的施工。

3)TBM过站方式可分为掘进过站、步进过站及掘进、步进相结合过站3大类，根据全线工程筹划选取合适的过站方式，要确保区间及车站总工期均满足要求。

4)提前做好TBM过站预案，对既定工程筹划定期比对，指导现场动态施工，保证TBM在洞内不停机、不等待、安全快速过站。

5)TBM步进过站时，车站两端一般均要做接收洞及始发洞，以确保TBM安全进、出站。对车站底板，TBM采取“平底钢板”方式步进，对明挖车站中板或上下重叠的上洞区间，TBM采取“弧底导轨”方式步进，以保证结构受力安全。

6)因敞开式TBM一次性施工距离较长，应在区段选择适当位置进行TBM转场，可彻底将TBM与转场前的车站脱开，实现区间与车站无干扰施工，有利于保证总工期。

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