双护盾TBM工法及其管片防排水技术探讨

汪华东

四川二滩国际工程咨询有限责任公司

1 引言

双护盾TBM法又称全断面硬岩隧道掘进机械施工法，在当前建筑科学技术取得良好发展的背景下，该施工法已逐步深入地铁隧道工程建设，为施工作业提供了重要的技术支持。基于此，文章结合实际工程案例，围绕TBM工法及其操作中的管片防排水技术展开探讨，提出该工法的具体应用要点，给施工提供正确指导的同时，也可达到保证工程施工质量的双重效果。

2 工程概况

某地铁项目为下穿既有铁路硬岩隧道工程，其宽度设定为15.5m，高度为5m，左右里程桩号分别为DK8+202.568~DK11+342.900、DK8+219.068~DK11+342.900。据前期勘察资料可知，项目施工区间段内地下水位埋深在2.58m~52.40m之间，且大部分为基岩裂隙水，而整个隧道走向呈弧线状分布，施工中多处遇到硬岩地层，需采取特殊的工法对其展开相应的处理，以便后续掘进作业的顺利开展。

3 TBM施工特点介绍

使用双护盾TBM技术进行施工的原因是该工法在安全性能和效率方面都远超其他工法，特别是在隧道施工过程中遇到硬岩地层的时候，TBM工法会根据项目的实际情况对所需的机械设备、开挖支护体系以及初始掘进的参数，和周围岩土等级及适应性做出更加详细的判断，最终因地制宜地给出既科学又合理的施工方案，为技术人员解决隧道掘进施工中遇到的一系列难题。而相比普通的矿山技术，双护盾TBM技术目前在轨道交通工程中的实际应用虽然谈不上广泛，但从城市轨道交通工程自身具备的特点来说，如施工项目往往处于市区繁华地段、周边交通情况复杂，加之隧道施工的结构特性以及防排水时对周边既有邻近建筑物的影响等，技术人员选用双护盾TBM工法对硬岩隧道开展施工最为合适[1]。

（1）构成及功能。全断面硬岩隧道掘进机械施工法兼具一定的系统性，该工法的操作需要借助特定的机械设备来辅助施工，这其中包括所用机械的机头和后配套两大组成部分，其中机头需要配备刀盘、前伸缩护盾、后护盾和尾盾等部件，后配套则需要兼具承载和输送以及动力的功能，当然最重要的还是对操控平台的配置，因后期整套工法的实施需借以操控平台，通过联结桥段、单轨段及双轨段和斜坡段的方式来逐一展开。而在实际的操作中，上述各部具体工作原理为：

①刀盘：负责切削硬岩岩体及出渣作业。

②前护盾：给予刀盘在转动时的支撑力和稳定力。

③后护盾：该部件在掘进过程中起到支撑盾的重要作用，在控制掘进机的支撑和稳定性的同时，还可辅助油缸的推进作业。另外，对之前安装好的管片也会起到一定的支撑作用。

④尾护盾：可保障管片安装时的安全性，因管片安装器需在尾盾内完成，所以安装时具备一定的风险，需要施工人员格外注意。

⑤伸缩护盾：该部件是双护盾施工的关键组成部分，为油缸的推进、刀盘电机及反扭矩油缸提供存储空间。

（2）类型对比。受限于地质水文条件及周边环境等因素作用，TBM工法在具体的施工中在设备选型方面，通常会以单护盾、双护盾和敞开式这3种类型为选择对象，个中优缺点对比详见表1。

表1 TBM工法各类型优缺点对比

由表1不难看出，双护盾作为近年来一种新型的掘进机械设备，其在操作过程中可同时完成管片的拼接作业，兼具效率和安全的双重效果，是技术人员在硬岩隧道工程建设中的首选模式。而根据本工程的特殊性，技术人员在初始的TBM设计方案上也稍做优化，即将掘进机原有的刀片进行功能性的加强，并将整套设备的长度增加至105m，以便于后期对硬岩地段的顺利掘进，具体掘进操作按照隧道内始发→抵达→挑头的顺序依次循环展开。

（3）制约双护盾施工的主要因素。本隧道工程中，涉及的硬岩地层主要为穿越式的微风化花岗岩，地质偏硬且不易粉碎而抗压强度在125MPa左右。因此，施工人员决定采取TBM工法对此区间段展开掘进作业。但在具体的操作中，由于地质条件属于硬岩性质，所以要对岩石的单轴抗压强度做前期的勘测，并要熟练掌握硬岩地段的岩石结构的组成和耐磨性，以及周围土体围岩的完整程度，还有隧道初始地应力和地下水的情况，这对技术人员来说也是一个考验。所以，无论处于上述中的哪种基础条件，TBM的机械性能发挥都会受到不同程度的影响，因此，在不同抗压强度的岩体中掘进的要求和效果也大为不同，具体为以下几项。

①0MPa~150MPa的岩体中操作：单轴最大抗压强度值需控制在355MPa之内为最佳；如单轴抗压强度值＜30MPa，不仅会出现刀具贯入过深、无法碰触到挤压带以及降低破岩效果和掘进速度的现象，还有可能破坏周边围岩的稳定性，不利于后续作业的推进。

②150MPa~350MPa的岩体中操作：此时对TBM机械的整体推力以及刀具的轴承都有特定的要求，这需要根据项目自身情况去展开实际的判定，在保证不损坏零件的同时，还需注重工程的经济性，倘若单轴抗压强度＞355MPa，破岩效果会无法实现[2]。

4 TBM工法中管片防排水技术分析

项目施工区域虽为硬岩地段但地下水极为丰富，加之周围伴有山岭地带，因此施工中的重点也涵盖防排水作业。而与普通的隧道工程相比，本项目为城市地铁跨既有线路工程，施工环境复杂且周边泵房容量有限不适合地下水向外排出，所以技术人员决定采用“以防为主”的策略，来应对隧道掘进时发生的走水现象。此外为加快工期进度，在掘进的同时特展开管片拼装作业，将双护盾TBM工法的高效特点应用到极致。具体防排水施工要点如下。

4.1 防水体系的设计

作为防排水施工的重点工作之一，防排水整体系统的设计尤为关键。就本项目而言，双护盾工法中选用的管片参数如下所述：管片类型为P12/C50预制型；接缝部位利用复合型化学橡胶垫来密封，且接缝部位张开量参考值在6.5mm左右，纵缝和环缝的错台部位参考值是5mm和6mm；断面密封垫高度为25mm，顶宽35mm，净面积482.8㎡；防水压力设计2.5MPa。

除上述之外，由于本项目具备高水压的特性，这就需要防水密封垫的材料截面面积较之前的要稍微增大一些，并利用厚度为2.5mm的膨胀止水橡胶来提高接缝处密封材料的拉伸韧度，具体如图1所示。

图1 管片密封垫设计平面图（单位：mm）

4.2 特殊部位防水作业

管片拼装时，对于特殊部位的防水处理要按照现场的实际情况去一一解决。如注浆阶段，所用注浆材料非一般的材质，技术人员需选用凝结快、密度高的注浆材料，并在整个注浆作业中随时观察注浆压力的变化和注浆量的大小，另外为达到管片注浆结构具备一定的安全性，同时需对水压和水量展开实时监测，结合监测结果及实际的泵房排水功能的大小来控制排水量的速度与量升，尤其对高水压地段内的墙边和通道部位，必要时需设置泄压设备以达到分解水压的效果，用以降低排水量过大而出现的聚集性走水现象[3]。

4.3 管片防渗漏解决办法

在防排水的管片施工中，技术人员可根据项目的实际情况来提前采取一定的控制措施以应对后续施工中有可能出现的涌水现象，具体为以下几点。

（1）对于高水压地段可以利用双液浆的注入方式以缩短凝固的时间，并以纯水泥浆作为注浆的材料，这样可将管片背后的空隙处得到充分的填实。而在盾尾100环的部位注浆时，压力最好控制在0.4MPa~0.8MPa，并从底部沿掘进方向的顺序注5~7次后，立即对第7环的管片底部进行观测，如无漏浆液现象发生便可终孔，随后开展腰部和顶部的注浆作业，以此顺序循环推进。

（2）硬岩区间的TBM工法使用的管片，可选择具备双层止水功能的管片类型，可起到掘进作业中的盾尾底部管片良好固结的作用，并做到边注浆边填充，以便浆液及时凝结从而形成隔水层，最终达到稳固的效果。

4.4 防排效果分析

经验证，本项目在硬岩地段的隧道施工中，因科学合理的运用了TBM工法的管片拼装技术，固没有出现严重漏水等现象，且在整体竣工后只出现过几次喷涌式漏水，位置均在注浆孔处。对此，技术人员也及时地进行了处理和管控，使得工程的整体防水质量大有提升，方法值得借鉴和推广。

5 结束语

综上所示，在本项目硬岩地段隧道掘进作业的时候，双护盾TBM工法相较于普通的矿山法以及其他施工方法，操作环节既不复杂又兼具一定的高效性和安全性，经济性能也在可控范围之内，应用前景极为广阔。而在具体的开展作业当中，施工人员也要依照对项目的实时勘测结果及时地对施工方案进行调整和优化，保障双护盾TBM工法的优势发挥到最大程度，加快工程的顺利完成。