双护盾TBM空推过矿山法段地铁隧道施工技术

2021-03-19刘航雨陈寿根丁华兴王青波

四川建筑 2021年6期

刘航雨陈寿根丁华兴王青波

文章以深圳市轨道交通八号线为依托，对双护盾TBM空推过矿山法段施工技术进行了介绍。根据实际施工进程，描述了始发空推前期准备工作，验算了TBM空推所需的推力值，总结了空推步进的步骤以及TBM全环拼装管片的合理顺序，最后采用了VMT自动导向系统对TBM空推的方向进行控制和调整。上述研究为今后双护盾TBM隧道施工提供了有意义的工程资料。

双护盾TBM; TBM空推; 始发推力; 拼装管片; VMT自动导向系统

U455.43 A

[定稿日期]2020-12-03

[作者简介]刘航雨（1994～），男，在读硕士，从事隧道及地下工程方面的研究。

随着我国城市现代化进程的加快，越来越多的城市地铁正在规划和建设。城市地铁隧道的施工效率是需要重点关注的问题，双护盾TBM以其高效安全的施工优势，正在我国越来越多的城市地铁隧道施工中被积极研究和探索[1-3]。不同隧道不同地段，地质结构也是不同的，所以应用的方法也不一样，如果地层结构是由比较软的岩层和比较坚硬的岩层混合形成的，这就需要把盾构法和矿山法混合使用。两种方法各取所长，是工程中遇到比较坚硬岩层的常用方法[4]。

目前，国内外大多是盾构空推过矿山法段隧道的研究较多。深圳地鐵5号线就是这样的地质条件下施工，在建设过程中，部分隧道采用矿山法进行挖掘，还结合盾构机安装管片进行作业[5]。梁宇[6]提出为了保证矿山法进入圆形隧道后的路线偏差没有超过规定值，不受隧道中空间小、活动受到限制的影响，需要严格地控制管片的路线和上浮。王春河[7]指出盾构空推过矿山法可能会引起相邻管片缝隙较大，从而容易引起渗漏水。毛红梅[8]指出，在使用矿山施工法的时候为了保证盾构机能稳定的通过以及有一个安稳的隧道端头，应该增强端头墙的坚固程度。张常光、赵均海、张庆贺[9]利用弹性力学理论推导出了两向不等地应力条件下管片弯矩和轴力的弹性解析解。张学军、戴润军[10]提出盾构机姿态控制措施，这样能够保证隧道的成形以及隧道的质量。

上述文献对空推过矿山法段隧道主要集中在盾构机施工上，对双护盾TBM施工研究几乎空白。本文研究了双护盾TBM空推过矿山法段隧道的施工技术。该技术在深圳地铁8号线梧桐山南站至沙头角站区间中成功运用，可为今后同类工程施工提供实践经验。

1 工程概况

深圳市城市轨道交通8号线一期梧桐山南站—沙头角站区间线路大体呈西—东走向，起于梧桐山南站，止于沙头角站。区间线路出梧桐山南站沿东南向侧穿梧桐山管理区大楼，后下穿于罗沙路、长岭天桥及罗沙高架桥桩基础，区间沿罗沙路直行一段后以曲率半径500 m下穿长岭路进入梧桐山段，隧道在梧桐山段时，北段为深盐二通道山岭隧道，南端为梧桐山隧道，分别经过长岭沟、夹门山及五亩地，下穿7处盘山公路，最后下穿于梧桐山隧道口出梧桐山段进入深盐路，区间沿直线侧穿半山悦海小区，下穿盘山公路高架桥进入沙头角站。区间穿越地层主要为全～微风化泥灰岩，隧道围岩综合分级为Ⅲ～Ⅴ级。本区间采用矿山法初支+TBM空推及TBM法施工，其中左线起始空推段长度为538.5 m，右线起始空推段长度为544.5 m，工程示意图如图1所示。

2 TBM始发空推方案

2.1 前期准备工作

2.1.1 配套设施准备

配套设施包括两台50 t、一台20 t龙门吊，豆砾石堆放场、水泥堆放场，通风机，充电机，空压机，10 t叉车、污水泵，渣车，管片车，运浆车，装载机，辅助汽车吊，柴油发电机组，污水三级沉淀池等。

2.1.2 管片生产

根据现在管片生产情况，预计到TBM始发前管片厂管片库存能够达到600环，满足TBM始发初期掘进需求。

2.1.3 TBM步进前的测量

TBM组装前的测量包括TBM模拟定位测量，TBM空推段的导台的测量、反力座测量，TBM模拟姿态初始测量等。

2.1.4 始发托架安装

在始发托架安装之前，要在车站端头井后续施工的车站电缆夹层板的位置施工钢筋混凝土板，为始发托架后半段提供基座。TBM始发之前对始发台两侧进行必要的加固，利用预埋在车站底板的钢板与始发托架进行焊接，并利用H型钢进行两边支撑，保证左右稳定。始发台的安装高程根据端头结构条件进行抬高2～3 cm。

TBM后配套台车吊装下井后，拆除始发井内轨道及马蹬，清除始发井底板杂物和积水，在底板上铺设一层钢轨，钢轨铺设方向垂直于隧道中心线，间距300 mm。钢轨上方放置始发托架，按照测量放样托架中心线必须与隧道中心线重合，托架底部处于同一标高，局部不平整处用钢板衬垫，托架尺寸12 000 mm×4 050 mm，端部距洞门间无间隙，直接与隧道导台相接。托架两侧采用H型钢进行支持加固，始发托架如图2所示。待空推距离达到150 m、完成TBM始发时拆除负环管片与始发基座，更换道岔。

2.1.5 洞内步进导台安装

矿山法空推段隧道多为IV、V级围岩，这两类围岩开挖面暂未进行混凝土衬砌，这样TBM主机通过时的摩阻力较大。为了减少TBM盾壳底部与隧底的摩阻力，根据TBM通过空推段成功的施工经验，拟在隧洞底部施做C30素混凝土导台，并在混凝土导台上加装两条43 kg/m轨以满足隧底圆顺要求，如图3、图4所示。导台工作完成后使用断面仪对矿山法段净空进行测量，布置测点间距为5～10 m。若有围岩侵限，立即提前处理，确保TBM快速顺利通过。

2.2 空推进洞推力计算

因TBM进洞后进入暗挖隧道进行空推，TBM始发推力F0等于TBM始发时与托架的最大摩擦力F1、TBM后配套的牵引力F2以及TBM与负环管片的摩擦力F3之和。TBM组装前应在始发托架上涂抹黄油，以减小TBM始发步进时摩擦力。此时摩擦系数μ1=0.12，台车与轨道的滚动摩擦系数μ2为0.05，盾体与管片的摩擦系数μ3为0.3。盾体对始发托架的压力G0、盾体重量G1为541 t、拼装机重量G2为28 t、双轨梁重量G3为15 t、负环管片（1.5环管片）的重量G4为7.8 t、后配套设备的重量G5为231.5 t。盾体对始发托架的压力G0有：

G0=G1+G2+G32+G4=570.3t（1）

TBM始发推力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

在拼装模式下，TBM空推始发时有4根辅助推进油缸完全作用在管片上，为推进提供反力。TBM辅推油缸型号为200/180×2600，4根油缸正常负荷下的总推力为：

Ft=4×P·A=320.4t>82.4t（3）

根据式（3），总推力大于始发推力，满足TBM的始发要求。

2.3 TBM空推步进

（1）从始发台至洞门段仅装底部一块A或B型管片，为TBM步进提供支反力，底部管片采用通缝拼装。然后采用拼装模式用14#～17#辅助推进油缸将管片缓慢、均匀的向后推动。在管片脱出尾盾后，用木楔子塞入管片和始发托架的导轨之间，以免管片下坠，待辅助推进油缸行程达到1.8 m后，重复以上施工步骤依次安装第二块、第三块管片。负环第一块管片顶住车站电缆夹层板时，应将铁楔子塞入管片与始发架导轨间，并焊接固定，防止管片错位后木楔子脱落（图5）。

（2）TBM在矿山法段内的步进采用单护盾掘进模式空推步进，刀盘和前体依靠辅助推进油缸前进，利用安装好的导向系统控制隧洞轴线偏差，保证TBM与矿山法隧洞间的间隙，使TBM沿隧洞方向前进，每步进一个行程后，进行矿山法段衬砌管片的安装、豆砾石回填及灌浆等工作。TBM主机步进后，后配套跟紧主机同步前进，依序铺设钢枕梁、三角支腿和钢轨，钢轨铺设为运输轨及后配套轨。同时进行洞内风、水、电的延伸。

2.4 全环管片拼装

拼装时，管片拼装一般从下向上次序安装管片。待底部管片（A2）就位后，依次拼装两侧的标准管片（A1、A3）和邻接管片（C、B），最后安装封顶管片（K），封顶块先以不超过管片宽度4/5的位置径向推上，然后纵向插入成环。拼装机尽量居中安装，以减少接缝出现错台，保证拼装质量（图6）。

管片就位后立即拼装并拧紧管片弯曲螺栓，以固定管片位置，控制接縫张角。管片拼装成环后再拧紧一次，待管片离开盾尾时再复紧一次（图7）。

2.5 TBM空推方向的控制与调整

2.5.1 步进方向控制

采用VMT自动导向系统和人工测量辅助进行TBM姿态监测，VMT自动导向系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等。该系统能够全天候的动态显示TBM当前位置，与隧洞设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制TBM掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内（图8）。

主司机可根据显示的数据通过分区操作TBM的推进油缸来控制掘进方向，使得掘进机能够沿着正确的方向掘进，使其始终保持在允许的偏差范围内。包括切口里程、纵向坡度、横向旋转角、平面偏离值、高程偏离值。

2.5.2 TBM纠偏

通过分区操作推进油缸来调整TBM姿态，纠正偏差，将TBM的方向控制调整到符合要求的范围内。即左偏时应加大左侧千斤顶的推进压力，右偏时则应加大右侧千斤顶的推进压力。

2.6 TBM空推时的注意事项

（1）TBM步进前的断面检测非常重要。隧道开挖时超挖过大会导致超过撑靴油缸行程，导致撑靴无法撑到初期支护面，如果隧道初期支护侵限则会导致TBM刀盘无法通过，后期再进行处理会影响步进速度。

（2）首环管片与反力支座接触、受力后，TBM整体向前推进，当首环管片的吊装孔脱出盾尾后应及时对底部管片进行豆砾石吹填，防止管片下沉。