青岛地铁隧道双护盾TBM适应性设计及应用

郭 志， 王小强， 王以栋， 刘丽欢， 曲秋芬

0 引言

目前，地铁隧道施工以盾构法开挖为主，且技术越来越成熟。随着地铁修建范围越来越广，隧道施工的地质类型也从以泥土为主的软岩地层扩展到复合地层，又发展到岩石地层。地铁隧道施工设备也从土压平衡式盾构、泥水平衡式盾构发展到复合式盾构、复合式TBM，近年来又开始应用敞开式、单护盾及双护盾TBM[1-3]。

双护盾TBM应用于长大隧道尤其是水利隧道的施工技术已经相当成熟，国内从早期的引大入秦工程、万家寨引黄入晋工程[4]开始，到后来的八十一大阪隧洞项目、引大济湟达阪隧洞项目等，直至近期的山西中部引黄工程、兰州水源地建设工程[5]等均采用了双护盾TBM施工并取得了不错业绩；国外最近采用双护盾 TBM施工的CCS水电站项目在厄瓜多尔也获得了成功。但是，目前将双护盾TBM应用于岩石地质城市隧道施工的案例较少。

青岛地铁隧道具有埋深浅、以花岗岩为主、多复合地层的特征，且沿线地表既有建筑物分布密集，施工安全性要求高。为解决传统的矿山法施工爆破扰民问题严重并实现快速、安全的隧道施工，青岛地铁2号线采用双护盾TBM工法。这是国内首次将双护盾TBM应用于城市地铁隧道施工，其工况不同于以往长大隧道施工，存在始发场地较小、区间短、频繁过站、下穿建筑等客观条件的限制。本文结合青岛地铁隧道地质条件，对双护盾TBM进行适应性设计，通过对双护盾TBM掘进参数、衬砌变形、地表沉降等应用效果的分析，验证双护盾TBM选型的正确性和对青岛地质的适应性。

1 工程概况

青岛地铁2号线1期工程起自泰山路站、止于李村公园站，线路全长25.2 km，共设车站22座，均为地下站。2号线是青岛市建设的第2条地铁线路，也是连接青岛东部、西部及北部的一条骨干线路。

该工程地铁线路埋深浅，约80%线路埋深小于20 m；小半径曲线多，最小曲线半径为320 m；站间距短，区间长度为1 km左右。岩性以花岗岩为主，约占90%以上；围岩以较完整、较破碎为主，约占65%；断面下伏基岩为微风化花岗岩，单轴抗压强度均值为85 MPa；上覆围岩为中—强风化花岗岩，单轴抗压强度为25～60 MPa。地下水以裂隙水为主，不发育，干燥或偶有渗水比例约占97%。断层破碎带规模小，分布随机。沿线地表既有建筑物分布密集，施工安全性要求高[6]。

结合青岛地铁2号线线路、地质及环境特征，通过对矿山法、敞开式TBM、护盾式TBM等多种工法在地质适应性、施工安全性、施工灵活性以及对环境友好性等方面进行系统比较分析，最终选用双护盾TBM施工工法。

2 设备综述

应用于青岛地铁的双护盾TBM开挖直径为6.3 m，主机长度为12 m，整机长度为135 m，总质量约850 t。该双护盾TBM由主机、连接桥和后配套3大部分组成。主机主要由刀盘、前盾、主驱动、伸缩盾、支撑盾、尾盾和推进系统等组成，后配套由10节轨行式门架结构的台车组成，在后配套台车上布置有电气系统、液压系统、润滑系统、供排水系统、压缩空气系统、豆砾石回填系统、注浆系统和除尘通风设备等。本工程双护盾TBM具有双护盾掘进模式、单护盾掘进模式以及通过适当改造可实现双护盾掘进模式+新奥法支护模式，以满足青岛地铁隧道施工特殊地段的锚喷支护要求。锚喷支护设备后因施工设计变更未能安装实施，但同类型设备(无管片)在埃塞俄比亚GD-3项目已成功应用，见图1。

(a)

(b)

本工程双护盾TBM主要技术参数见表1。

表1 双护盾TBM主要技术参数

3 双护盾TBM的适应性设计

双护盾TBM应用于城市地铁隧道施工相较于传统的长大隧道施工存在诸多特殊性。应用于地铁隧道施工的双护盾TBM需进行适应性设计，以满足特殊施工工况的需求。

3.1 主机适应性设计

本工程双护盾TBM的刀盘采用面板式结构设计，为确保刀盘具有足够的强度和刚度，其前面板采用300 mm厚的钢板制作而成，且直接在钢板上镂空并焊接刀座，避免采用过多焊接引起的热变形。护盾直径整体呈前大后小的阶梯型圆柱设计，加之适当的功率、转矩、推力及扩挖等设计，以应对断层破碎带、塌方掉块等不良地质工况，充分发挥设备的性能。主推油缸采用V型布置，既可以为设备掘进提供推力，又可以实现防滚动功能，防止盾体滚动并能在滚动发生后通过调节奇数缸和偶数缸的伸缩长度实现调滚动。采用V型布置的主推缸还能够节约主机内部空间，为主机内部维护保养及清碴工作提供便利。拼装机预留锚杆钻机及超前钻机安装接口，连接桥预留喷混机械手安装接口，采用“撑靴+锚喷”的支护模式时可安装相应锚喷设备实现锚喷支护。

双护盾TBM主机结构如图2所示。

1—刀盘； 2—前盾； 3—稳定器； 4—刀盘驱动； 5—伸缩盾； 6—支撑盾； 7—撑靴； 8—撑靴油缸； 9—尾盾； 10—管片拼装机； 11—主机皮带机； 12—主/辅助推进系统； 13—辅助支撑。

图2双护盾TBM主机结构

Fig. 2 Main structure of double-shield TBM

3.2 模块化设计

为满足地铁隧道施工竖井组装始发及洞内拆机工况需求，针对青岛地铁隧道施工设计的双护盾TBM采用了模块化设计理念。针对刀盘、盾体等大型结构件采用了分块设计理念，刀盘采用4边块加1中心块设计，盾体分3块设计，同时外伸缩盾与前盾之间、尾盾与支撑盾之间通过环形法兰由螺栓连接、再通过环形焊缝加固，各分块现场组装后焊接纵向焊缝为一体。通过模块化设计，既可以满足在场地及起吊能力受限的情况下进行大件组装，又可以在场地及起吊能力具备条件的情况下模块化下井组装。TBM模块化下井组装及分块下井组装如图3所示。一般情况下，组装竖井只需预留15 m×8 m的竖向净空即可满足后配套台车的模块化下井以及主机在井口净空内的模块化组装。

采用模块化理念设计的双护盾TBM还为洞内拆机提供了便利性和可实施性。地铁隧道一般埋深较浅，青岛地铁2号线隧道拱顶覆土厚3.5～48 m，平均厚约13 m[7]。在埋深较浅的隧道内实现洞内拆机，拆机扩大洞室开挖以及大件起吊拆卸是一大难题。采用模块化设计的双护盾TBM可实现台车沿原道返回始发井吊出，主机洞内拆解后分块起吊并沿原道返回始发井吊出，充分满足特殊拆机工况的需求。双护盾TBM洞内拆机将在青岛地铁1号线海泊桥—青岛站标段实施,为城市地铁隧道施工洞内拆机积累经验。

(a) 模块化组装

(b) 分块组装

3.3 稳定器+辅助支撑设计

双护盾TBM隧道掘进和管片拼装同步进行，掘进完成后支撑盾和后配套设备需通过换步动作实现掘进状态初始化，进而开始下一循环掘进作业。通常双护盾TBM的换步动作是通过辅推油缸顶推管片伸出、主推油缸回缩来实现，但是青岛地铁隧道因地质和隧道设计的特殊性存在只开挖隧道、不拼装管片的区段。如2号线泰山路—利津路区间左线ZSK24+875.733～+950.5里程段和右线YSK24+846.783～+912.5里程段，为后续继续施工做渡线，需进行大断面扩挖，因而该区段只掘进，不拼装管片，见图4。这就使得换步动作无法借助辅推缸顶推管片来实现，双护盾TBM需要进行适应性设计以满足该工况下设备换步作业的需求。

针对上述特殊工况，青岛地铁隧道施工的TBM在前盾设计安装了稳定器和辅助支撑，如图5所示。稳定器作为双护盾TBM的常规设计,具有掘进过程中减振和换步过程中稳固前盾的作用。但在不拼装管片的工况下，换步动作只能通过主推油缸拉动来实现，因稳定器不足以提供足够的防止前盾被拉回的力，所以TBM换步时很容易出现前盾及刀盘被拉回的情况。为避免这种情况发生，在换步动作前稳定器和辅助支撑同时撑出配合作业，可实现将前盾类似“锚固”在隧道壁上，进而通过主推油缸拉动实现支撑盾及后配套的换步动作。该设计理念最早由意大利塞利公司提出,最近应用于埃塞俄比亚GD-3项目的DSU-C多功能全断面岩石掘进机上[8-9]，完成了10 km以上的隧道掘进。

(a)

(b)

1—稳定器； 2—辅助支撑。

图5稳定器及辅助支撑

Fig. 5 Stabilizers and auxiliary grippers

辅助支撑结构如图6所示，其不同于类似稳定器的油缸直接顶推方式，而是采用连杆结构设计。辅助支撑撑靴类似于一个凸轮，在油缸的作用下围绕固定轴旋转可使撑靴面探出伸缩盾体外，配合稳定器撑紧隧道壁，同时辅助支撑撑靴本身也起到阻挡限位作用，配合稳定器可有效避免不拼装管片换步时前盾被拉回现象。辅助支撑在结构原理和功能上不同于双护盾TBM前盾下部液压支撑装置[10]，在青岛地铁2号线泰山路—利津路约70 m区间段也得到了有效验证，应用效果十分理想。

(a) 非工作状态 (b) 工作状态

图6辅助支撑结构

Fig. 6 Structure of auxiliary gripper

3.4 管片吊运系统设计

城市地铁隧道施工相较于以往双护盾TBM隧道施工的特点是区间短，过站频繁。青岛地铁隧道施工过站方式为整机空推过站。TBM空推时采用TBM底部2根辅助推进缸，通过设备自带的液压泵站提供动力，并利用安装在弧形导台预埋P43钢轨上的专用反力装置和4块标准块B1循环来实现快速过站,如图7所示。

(a) 管片吊运系统

(b) 整机空推过站示意

Fig. 7 Segment hanging system and double-shield TBM crossing metro station without thrusting force

为满足整机空推过站的需求，管片吊运系统在设计上采用了管片吊机+管片拼装机的吊运方案，取消喂片机等中间环节，管片吊机可直接将管片喂送到拼装机抓取区域，既节约了管片吊运时间又节约了空间，为牛腿及B1管片的安装提供了便利，同时有利于空推步进过站的快速实施。整机空推过站方式综合考虑了TBM自身优势和导台反力机构便捷优势，循环工艺简单、易懂、易操作，适合大面积推广。

3.5 梭式皮带机设计

经调研，地铁隧道施工不论采用盾构还是TBM施工，弃碴多数采用有轨运输方式运抵井口，再利用门式起重机垂直提升至地面[11]。对于有轨运输作为出碴方式的隧道施工，通常后配套皮带机的卸碴点固定，列车在装满1节矿车后移动相应距离(可以采用机车拉动，也可以采用拨车机拨动)，连续缓慢移动列车编组，每次移动1节矿车长度，为第2节矿车卸碴[12]。这种型式的特点是： 卸碴点固定，管片车需摘钩与矿车断开连接，列车编组移动布碴，卸碴完毕后列车编组反向移动并重新连接管片车，最终列车编组运输出洞。在城市地铁隧道施工中，这种型式工序繁琐、人员投入多且机车不停机会造成废气对隧道的污染。

青岛地铁隧道施工的双护盾TBM后配套出碴配置了梭式皮带机，又称移动式布料皮带机。列车编组在管片运输到位后既不用摘钩将管片运输车和矿车断开，也不用移动矿车，碴料卸至矿车通过梭式皮带机的来回移动和正反向旋转实现，简化了工序步骤，提高了工作效率。梭式皮带机卸料方案如图8所示。

图8梭式皮带机卸料方案

Fig. 8 Discharge scheme of shuttle conveyor

3.6 导向系统

青岛地铁隧道施工的双护盾TBM配置了VMT最新的TUnIS激光导向系统。该导向系统的基本构造及原理是： 应用2个激光靶，一个安装在前盾上，一个安装在支撑盾上；首先测量得到支撑盾的姿态，然后通过支撑盾的姿态、支撑盾和前盾的位置关系及其他辅助传感器得到的数据，实时计算出前盾的姿态，进而得到整个双护盾TBM的整体实时姿态，实现不需要前盾与支撑盾通视，即可实时测量姿态的要求。同时，该导向系统配备全站仪抗振支架，优化了导向系统算法，可有效消除管片强烈振动对全站仪测站影响，进而保证软件数据的稳定性，使导向系统显示的前盾和支撑盾姿态及时、精确、持续、稳定。

该导向系统在青岛地铁2号线应用以来，有效避免了前期出现的数据缺失、跳变等现象。同时，由于其特殊的TBM姿态数据计算方法不受前盾与支撑盾通视影响，因此小曲线半径掘进时有效降低了全站仪的移站频率。

4 实践效果

应用于青岛地铁的4台双护盾TBM自2015年3月底至7月初陆续始发以来，累计完成了约12 km的隧道掘进，分别于2016年8月和12月实现贯通，最高日进尺22.5延米，最高月进尺381延米。TBM掘进经历了穿越断层破碎带、下穿城区建筑物、超近距离下穿人防洞室、转场始发、320 m小转弯半径掘进、曲线空推过站等特殊工况，正常掘进期间设备完好率达到90%，为双护盾TBM应用于城市地铁隧道施工积累了经验。

青岛地铁双护盾TBM施工隧道范围内地层岩性主要为不同风化等级的花岗岩，并存在断层破碎带等不良地质，掘进过程中遇到的岩石最高单轴抗压强度为202 MPa，石英含量较高，可掘性较差。不同围岩下双护盾TBM掘进参数统计见表2。

表2 不同围岩下双护盾TBM掘进参数

青岛地铁2号线4台双护盾TBM施工月进度统计见图9，其中有些月份进尺偏低主要是经历始发、过站或转场等工况。依据设计文件，青岛地铁TBM施工月进尺需达到320延米，实际正常月进尺为300延米，达到设计目标的94%，单月最高掘进381延米，达到设计目标的119%，作为双护盾TBM在国内城市地铁的首次应用，其适用性得到了肯定。而青岛地铁3号线采用传统钻爆法施工，受城市夜间施工禁止爆破扰民等因素限制，暗挖花岗岩区间隧道月开挖进尺最高为60 m左右，双护盾TBM开挖速度约为传统钻爆法的5倍。此外，作为对比，青岛地铁2号线浮燕区间(浮山所至燕儿岛路区间)采用复合式土压平衡盾构(EPB)进行试验段施工，单月最高掘进235延米，单日最高掘进15延米，掘进效率也不及双护盾TBM[13]。

(a) TBM1和TBM2

(b) TBM3和TBM4

双护盾TBM施工对围岩扰动较矿山法施工小，有利于控制结构变形。通过对施工区间衬砌变形和地表沉降的测量统计(见图10)，可知双护盾TBM施工时，隧道结构变形和地表沉降均处于较低的水平，多在10 mm以内，围岩稳定性好，对周边环境影响小。

(a) 拱顶下沉

(b) 地表沉降

Fig. 10 Distribution of lining deformation and ground surface settlement[14]

由掘进速度、衬砌变形和地表沉降可以看出，青岛地铁采用双护盾TBM施工取得了较好的效果，其施工速度快，对环境影响小，且对软弱破碎围岩具有一定的适应性，比较适合于城市轨道交通岩质隧道施工。

5 结论与讨论

双护盾TBM在青岛地铁隧道施工的成功应用，不仅验证了双护盾TBM选型的正确性以及应用于城市地铁隧道施工的适应性，而且丰富了城市地铁隧道施工的方式，为其他类似地质及工况的隧道施工提供了经验和借鉴依据。如深圳地铁在对青岛地铁深入考察的基础上，借鉴青岛地铁施工经验，目前已采用6台双护盾TBM分别应用于6、8、10号线进行地铁隧道施工。此外，青岛地铁1号线仍将采用8台双护盾TBM完成约30 km隧道的施工，目前部分设备已陆续进场开始掘进，青岛地铁4、6、8号线部分区间也将继续采用双护盾TBM进行隧道施工。

双护盾TBM无需初期支护且掘进和管片拼装作业同步进行，因而在适宜的地质条件下，是所有TBM 机型中综合成洞速度最快的。但是应用于青岛地铁隧道施工的双护盾TBM并未能发挥出其应有的效率，这主要受城市出碴条件的限制。据统计，应用于青岛地铁2号线的双护盾TBM的施工效率最高只有50%[15]，因此探索高效的出碴方式可以更好地发挥双护盾TBM的优势从而为城市地铁隧道施工服务。此外，由于城市建筑密集，有些地铁线路区段无法实施地质勘探，使得TBM掘进过程中存在地质不明段，施工过程中可能遇到不可预知的风险。因此，开发有效的、适用于城市地铁隧道施工的超前地质预报及超前地质处理系统，也是双护盾TBM应用于城市地铁隧道施工迫切需要解决的问题。

随着双护盾TBM在青岛地铁隧道施工的进一步应用，各种新的工况及问题会不断涌现，需进一步优化双护盾TBM的设计，以应对各种新工况的出现。如： 受始发场地空间限制，双护盾TBM无法完整始发掘进，需进一步优化设备的后配套布置，研究在有限场地内双护盾TBM最经济的分体始发技术；双护盾TBM掘进过程中发热量较大，城市地铁隧道施工供水条件有时无法满足设备要求，需进一步优化双护盾TBM的水系统设计，避免在供水条件不满足设备要求的情况下影响施工。

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