斜井在双护盾TBM快速施工中的应用

刘秋雨，李建宁

（中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 5180 52）

1 工程概况

深圳地铁10号线孖岭站—雅宝站区间TBM区间左线全长3872．236 m；右线全长3869．350 m。区间线路隧道埋深16．40～232．68 m。区间隧道最大埋深232．68 m，最小埋深16．40 m，区间隧道洞身范围穿越地层主要微风化混合岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，岩石强度主要为100～130 MPa。采用2台TBM施工，隧道开挖尺寸6．5 m。TBM始发井尺寸 19．0 m×29．0 m，深 45 m。

2 工程周边环境

2.1 狭小场地与TBM快速掘进不匹配

始发井位于皇岗立交桥匝道之间，四面被路与匝道桥包围，如图1所示。始发井及2台TBM施工场地面积不足2000 m2，且场地不规则利用率低，不能满足2台TBM快速掘进场地渣土临时堆放与管片存放等需求。

图1 TBM始发井平面位置

2.2 深而小的始发井与TBM快速掘进不匹配

TBM始发井尺寸 19．0 m×29．0 m，深 45 m，加上地面门吊高度达56 m高，是普通车站始发高度的2倍（见图2）。地面条件：三面没空间，只有向东侧有布置轨道条件，则整个场地只能布置1台龙门吊。

图2 TBM始发井剖面

2.3 快速掘进与垂直提升匹配计算

1）龙门吊出渣时间计算

根据基坑深度45 m，垂直提升高度为50 m（45 m＋5 m），5 m为门式起重机提升至地面满足翻转卸渣的高度。按照龙门吊提升高度50 m计算，主钩重载实际起升速度平均7 m／min。副钩实际升降机速度平均10 m／min。每掘进一环理论所需时间如表1所示。

表1 龙门吊每掘进一环理论所需时间

通过上表得知龙门吊每天在满负荷的情况下最大掘进8环，根据实际掘进龙门吊的最大有效利用率只能达到满负荷的75%，每天实际完成6环。

2）TBM掘进速度平均按20 mm／min计算

TBM最高设计速度120 mm／min，TBM掘进速度暂按20 mm／min计算，管片1．5 m，每环掘进时间为75 min，按照理论计算每天完成环数为19环，实际掘进取理论的75%，每天每台完成14环，2台每天需完成28环。

通过对比可知：则龙门吊出渣每天滞后约22环，后期2台实际掘进最高40环／d，平均22环／d。

3 出渣方案对比与选择

3.1 出渣方案对比与选择

地铁TBM配套出渣方式：龙门吊垂直提升为主，皮带多运用于长大山岭隧道。通过计算可知：门吊垂直提升已无法满足TBM快速掘进需求。如用皮带运输需水平转垂直，垂直提升困难且垂直提升噪声与粉尘大，受场地及环保等制约无法实施。

通过对现场周边环境调查，充分利用城市临时用地与地质本身特点施作斜井作为TBM的出渣通道。斜井与正线平面位置关系如图3所示。

图3 斜井与正线平面位置

3.2 斜井选线方案对比与选择

图3中黑色虚线是首选斜井线路，距离短且直接连接始发井后导洞，便于施工组织。但该方案距既有小区太近，且地勘揭示地质复杂多变，且多为软弱地层，施工周期长，安全风险大。红色实线远离小区，垂直山体进入正线，地质条件好，多为中、微风化岩，缺点是存渣扩大区在始发井前方200 m，此段需用始发井垂直出渣效率低。综合评估选红色实线方案。通过后期施工表明此方案较优。

4 关键技术研究与施工

4.1 斜井出渣能力计算

TBM斜井长度约515 m，斜井断面尺寸7．0 m×6．0 m，斜井与区间断面相交处尺寸加宽加高，断面尺寸12．0 m×6．0 m，加宽段长度为 37 m，左右线隧道净距9．7 m。现场配置1台柳工50装载机装渣，自卸渣车水平运输方式进行出渣。斜井加宽段断面尺寸如图4所示。

图4 斜井扩大段断面

1）翻渣台翻渣时间计算

TBM设计开挖直径为6500 mm，管片设计宽度为1500 mm，取松散系数 k＝1．8，TBM掘进每环管片的出渣量为：

TBM掘进按照20 mm／min的掘进速度计算，单环掘进时间平均90 min，电瓶车运输平均耗时14 min、每节渣箱翻渣时间为5 min，6节渣箱总共耗时30 min，考虑左右线同时翻渣的情况下，斜井翻渣满足要求。

2）装载机出渣、自卸渣车运输时间计算

斜井装渣采用柳工ZL 50C装载机，因为石渣中含水，需先卸至斜井渣坑中将水沥干再外运，故运输设备选用12 m3的自卸车。装载机侧卸时高度为4800 mm，斜井扩大段地板与拱顶距离为5500 mm，高度满足施工要求。扩大段净宽11．6 m，装载机和泥头车并排装渣满足要求。

自卸渣车容量12 m3，装载机的斗容量3 m3，掘进一环需出渣89．5×2（左右线同时翻渣）＝179 m3，自卸渣车需要运输15车。装车时间5 min／车，运完左右线同时倾倒的渣土需要75 min，满足施工需求。

4.2 电瓶车轨线设计

4.2.1 轨面标高控制

区间隧道在TBM始发段里程DK 7＋900—DK 8＋500段600 m沿掘进方向为27‰上坡，在实际施工中出于安全考虑，道岔、翻渣台安装坡度越小越有利，门吊对竖井底部吊装平台要求更高，同时考虑运输、卸渣功效及故障处理难易程度，在综合比选不同道岔位置安装方案后，最终确定方案如下。

将后导洞至斜井段323 m进行了6次调坡，其中最大纵坡32‰，最小纵坡0，道岔位置及翻渣台位置坡度分别为15‰和11．7‰。双轨运输斜井翻渣电瓶车轨面线设计如图5所示。

图5 双轨运输斜井翻渣电瓶车轨面线设计

4.2.2 洞内道岔安装

1）安装位置 根据现场实际情况，道岔安装在竖井至翻渣台之间较为适宜，结合现场实际情况及以往施工经验，道岔设置在矿山法隧道中空间位置相对充足，为尽量减少错车距离，道岔安装在矿山法隧道与成型管片相接位置（里程 YDK 290．658—320．658处）。

2）设备限界 本工程采用60 t电瓶车作为水平运输拖拽设备，电瓶车总长 9．058 m，轮距 3．2 m，机车前段距离前轮轴心水平距离3．049 m，故在道岔上运行转弯时车头会超出正常行驶范围，为避免机车结构与管片干涉，对电瓶车机头在道岔上行走实况进行模拟，得出设备限界，依次确定电瓶车轨面标高。洞受机车各种状态时的限界要求，轨面距离管片底部（管片内表面）结构尺寸如图6所示。

道岔长度16．09 m，安装里程为 YDK 8＋381～397，采用A形道岔，岔尖向掘进方向（见图7），道岔下方采用I 20 H型钢轨排支撑，轨排间距1 m，轨排之间纵向采用└50×50斜向连接，增加轨排的稳定性。

图6 电机车限界控制

图7 A形道岔安装

4.3 翻渣台安装

斜井下穿正线隧道，平面位置与正线隧道呈正交关系，在整个TBM整机通过斜井后，施作翻渣系统及调换侧卸是渣车，斜井与正线隧道位置关系如图8所示。

图8 斜井与正线位置关系

翻渣台安装在里程 YDK 8＋417．2～420．8处，翻渣台底部浇筑混凝土作为基础，并在翻渣台底座受力点预埋钢板并与其焊接牢固。翻渣台安装位置如图9所示。翻渣台与隧道位置关系如图10所示。图11部分区域为翻渣台基座侵入隧道开挖轮廓线范围，在安装前对权限部位进行松动爆破后凿除。

翻渣台投入使用后，施工效率大大提高，出渣效率提高4．33倍。

4.4 左线下方斜井结构施工

由于斜井先施工完成，右线TBM通过时底部为原始基岩，而左线下方斜井已经开挖通过，TBM通过时下部空缺，不能提供足够的承载力，故在左线下方斜井位置施作结构，TBM掘进过程中从结构梁上通过，左线下方斜井结构施作流程如图12所示。

5 结语

图9 翻渣台安装位置

图10 翻渣台与隧道位置关系

图11 翻渣台基础施工

针对本工程特殊的工程环境，利用斜井通过正线有轨运输与斜井无轨运输的结合，克服狭小场地与小深竖井制约，从而使TBM高效掘进得以实现，并取得良好的社会效益和经济效益。该隧道已双线贯通，满足关键工期要求。

目前，TBM已在沿海城市地铁施工中得到应用，并且应用前景广泛。深圳地铁又规划了8条TBM隧道，但在繁华地区，环境复杂，可用于临时施工用地紧缺，TBM快速掘进与出渣困难的矛盾日趋突出，应进一步研究水平皮带与垂直皮带的无缝对接，从而解决根本矛盾。