青岛地铁1号线双护盾TBM施工技术创新

郭 志，曲秋芬，樊治国，刘桂涛，路效峰，宫迎雷

(1. 中船重工(青岛)轨道交通装备有限公司，山东 青岛 266111；2. 隆美新型复合材料(青岛)制造有限公司，山东 青岛 266108)

0 引言

双护盾TBM在青岛地铁2号线一期工程成功应用以来，后续在青岛地铁1、4、6、8号线及深圳地铁6、8、10号线等城轨交通区间隧道得到进一步推广。随着双护盾TBM在岩质地层城市轨道交通隧道工程的进一步应用，各种新的问题及工况也不断涌现，需结合具体工况及双护盾TBM的结构和功能深入研究特殊工况下的设备始发、掘进、过站等技术，充分发挥双护盾TBM施工技术的优势。

目前，关于双护盾TBM应用于岩质地层城轨交通领域的施工技术探讨较多，文献[1-3]介绍了双护盾TBM应用于城轨交通区间隧道工况下的针对性设计及应用效果；文献[4]系统论述了城轨交通区间隧道双护盾TBM 始发、到达、过站、转场、快速施工等土建技术方案；文献[5]针对城轨交通区间隧道小半径曲线和破碎围岩条件下的双护盾TBM掘进作业提出了施工对策和建议；文献[6-7]对城轨交通区间隧道双护盾TBM过站时的快速空推技术进行研究，并结合具体的工程实例对空推方案进行了详细探讨；文献[8-9]通过研究正洞有轨运输与斜井无轨运输结合，利用轨线及翻车台特殊设计实现城市地铁双护盾TBM在环境复杂、场地受限情况下的快速出碴技术；文献[10]结合双护盾TBM在深圳地区的应用需求,研究双护盾TBM 在深圳地铁施工中存在的问题及对策；文献[11-12]对城轨交通复杂周边地质环境下的双护盾TBM分体始发技术进行了研究并成功实施。

以上文献对目前双护盾TBM在岩质地层城轨交通工程中遇到的工况进行了应用研究和总结，但未涉及在始发场地不具备施作始发洞条件、双线小净距隧道掘进等特殊工况下的双护盾TBM施工技术。本文以青岛地铁1号线为背景，结合隧道施工过程中遇到的新工况和新问题，研究双护盾TBM特殊工况下的负环始发技术、双线小净距隧道掘进技术和“踩高跷”过站技术，以期为后续工程提供新的实践经验。

1 工程概况

青岛地铁1号线是跨海连接青岛主城区和西海岸新区的重要通道，线路全长约60 km，南起西海岸新区峨眉山路站，北至城阳区东郭庄站，共设40座车站，均为地下站，其中换乘车站12座。青岛地铁1号线线路见图1。

图1 青岛地铁1号线线路示意图

青岛地铁1号线全线区间隧道总长约50.9 km，采用机械化掘进的区间总长约35.8 km，占1号线区间全长约70%，其中TBM区间约17.0 km，包括人民广场站—薛家岛站、(团岛)贵州路站—青岛站、青岛站—海泊桥站、海泊桥站—水清沟站、胜利桥站—青岛北站等15个区间，如图1黑色线条部分所示。区间平面曲线半径最小为350 m,隧道拱顶埋深8～55 m，基岩主要为燕山晚期侵入花岗岩、花岗斑岩、煌斑岩岩脉及少量闪长岩、石英二长岩、辉绿岩等。微风化岩石单轴抗压强度为18.60～150.74 MPa,中风化岩石单轴抗压强度为14.40～40.69 MPa；强、中风化岩石裂隙较发育；岩石石英体积分数为20%～40%，耐磨性多为强—极强；地下水为第四孔隙水和基岩裂隙水，富水性较差，但局部构造发育处地下水较丰富。

2 TBM设备综述

青岛地铁1号线15个TBM区间掘进采用8台双护盾TBM，其中,4台为青岛地铁2号线既有设备，4台为新造设备。既有的4台设备为满足青岛地铁1号线连续皮带机出碴需求，对后配套进行了适应性改造，主要包括为满足连续皮带出碴条件下整体掘进效率的提升，增强了双护盾TBM后配套区域物料供给及存储能力，壁后回填能力，增加与连续皮带机接口等。新造设备主要针对施工单位的使用习惯，盾体的纠滚方式在既有的V型布置主推缸基础上丰富了平行布置主推缸+转矩臂的设计方案。2种盾体纠滚方式(见图2)均能实现防止盾体滚动及在滚动发生后纠滚至允许范围的功能，区别在于采用V型布置的主推油缸既可以为设备掘进提供推力，又可以通过调节奇数偶数缸的行程差实现盾体纠滚功能，可节约主机内部空间，进而为主机内部维护保养及清碴工作提供便利，但对操作手技能水平要求较高；采用平行布置主推缸+转矩臂的盾体纠滚方案比较便于操作，但是增加的转矩臂侵占了部分主机内部空间。

(a) V型布置主推缸

(b) 平行布置主推缸+转矩臂

本工程双护盾TBM刀盘开挖直径6 300 mm，配置41把48.26 cm(19英寸)滚刀，具备半径扩挖50 mm的能力；整机装机功率4 700 kV·A，刀盘驱动功率2 205 kW，额定/脱困转矩2 850 kN·m/5 700 kN·m；主推最大推力24 000 kN，辅推最大推力45 000 kN；主机长度约为12 m，可实现最小曲线半径250 m掘进。隧道支护方式为管片衬砌；既有TBM改造为连续皮带机出碴，新制TBM为有轨运输出碴。

3 双护盾TBM施工技术创新

3.1 负环始发技术

城轨交通隧道双护盾TBM有明挖车站端头井始发和区间中间井始发2种工况。因双护盾TBM掘进过程中主推油缸的反推力和刀盘旋转的反转矩均由撑靴撑紧洞壁提供，故设备始发时需从始发井端墙处采用矿山法提前施作始发洞，始发洞长度一般不小于主机长度；区间中间井始发工况需同时考虑TBM始发洞及始发导洞，总长度一般不小于整机长度。

青岛地铁1号线广饶路站—台东站区间双护盾TBM从大里程台东站始发向小里程广饶路站掘进。台东站为1号线与2号线的换乘站，双护盾TBM完成上一区间掘进抵达该站时，2号线台东站施工尚未完成，无法提供广台区间矿山法施作始发洞的场地条件，且受地质及周边环境影响，交叉作业施作矿山法始发洞存在较大的安全风险，停机等待场地条件具备耗时较长，无法满足1号线洞通的工期要求。因此，探索采用负环管片始发的方案并从以下3个方面研究其可行性。

3.1.1 掘进模式

双护盾TBM具有双护盾和单护盾2种掘进模式。双护盾模式时由撑靴撑紧洞壁提供TBM掘进反力，隧道掘进和管片拼装同步进行，作业循环为： 掘进与拼装管片—撑靴收回换步—再支撑—再掘进与拼装管片。单护盾模式时由辅推油缸顶紧管片端面提供TBM掘进反力，掘进完成后拼装管片，作业循环为： 掘进—拼装管片—再掘进[13]。双护盾TBM负环始发时，由于撑靴失去约束，支撑面无法提供TBM掘进反力，双护盾模式无法实施；若采用单护盾模式，由于本工程双护盾TBM未配备盾体纠滚机构，且掘进过程中无法通过刀盘正反转实现盾体滚动的调整，存在主机滚动超限导致始发失败的风险。根据双护盾TBM的结构特点，拟采用单+双护盾混合模式掘进，即在程序中将撑靴部分的检测条件进行短接，撑靴不伸出、不工作，隧道掘进所需推力由主推油缸提供，掘进反力经支撑盾由辅推缸传递至管片及反力架抵消；设备换步所需克服设备前进的摩擦力由辅推油缸提供，传递至管片及反力架抵消，换步完成后拼装管片，作业循环为： 掘进—换步—拼装管片—再掘进。

3.1.2 掘进参数

双护盾TBM采用单+双护盾混合模式负环始发时，掘进参数的选择既需满足破岩能力又不至于产生太大的掘进反力，以免造成反力架变形损坏和整机滚转；掘进速度及刀盘转速不宜太快，尽量减少对始发地层的扰动，避免坍塌事故发生。经计算[14]，反力架可承受的推力为5 000 kN，前盾发生滚转的临界转矩值为945 kN·m，以此作为边界条件同时结合始发段地质情况及既有施工经验，双护盾TBM负环始发时参数选择见表1。

表1 双护盾TBM负环始发掘进参数

3.1.3 姿态控制及整机防滚动措施

双护盾TBM负环始发前应控制好反力架和始发基座的安装精度，以保证TBM的初始空间姿态正确。始发过程中通过导向系统反馈的TBM姿态数据实时调整各分区主推缸的压力，进而调整TBM相对隧道设计轴线的上、下、左、右及俯仰趋势。因TBM掘进时刀盘只能单向旋转，故机器的滚动调节无法通过正反转刀盘实现，需通过控制刀盘转矩和在盾体左右两侧施加临时斜撑的方式来防止整机滚动。综上所述，双护盾TBM负环始发方案可行，始发流程见图3。

图3 双护盾TBM负环始发流程图

双护盾TBM负环始发过程缓慢掘进，推力控制在4 000 kN左右，转矩控制在300 kN·m左右，刀盘转速2 r/min。初始2环负环管片拼装用时较长，平均1环用时0.5 d，通过在管片外侧与尾盾内壁间垫板条的方式保证盾尾间隙，并采用临时固定措施保证不下垂；拼装成环后通过环向螺栓固定，所有辅推缸缓慢伸出，将整环管片后推至反力架并由纵向螺栓联接；首环负环管片脱离盾壳时，始发基座导轨与负环管片外表面之间的空隙内打入木楔子以支撑负环，同时用钢丝绳或手拉环链葫芦箍紧负环管片外表面以提高其刚度。拼装2环负环后刀盘抵达掌子面，后续过程重复掘进—换步—拼装管片—再掘进作业，每1.5 m行程掘进平均用时2 h左右，负环始发掘进前期需频繁停机，人工进入掌子面切割端头加固锚索；换步用时10 min以内，后续负环管片拼装用时2 h以内。为安全起见，该模式掘进距离至少大于主机长度后方可转换为双护盾模式，实现掘进和管片拼装同步进行，且结合具体地质和端头加固情况，适当延长单+双护盾混合模式掘进距离。

双护盾TBM负环始发现场见图4。掘进过程根据导向系统反馈的数据实时调整TBM姿态，成洞轴线与隧道设计轴线偏差控制在±40 mm，掘进10 m后盾壳滚转角2°左右。管片拼装完成脱出尾盾后人工复测管片数据可知： 负环管片拼装质量较差，错台接近10 mm；进入TBM掘进段后，随着豆砾石回填及时跟进，管片拼装质量趋于稳定，环内、环间错台不超过5 mm，管片椭圆度小于±5‰，拼装质量满足规范[15]要求。本项目双护盾TBM负环始发从首环负环拼装之日起至整机进洞用时10 d，累计掘进11.34 m，拼装负环9环，后续转换为双护盾模式掘进，负环始发技术实施成功。

(a)

(b)

3.2 双线隧道小净距掘进技术

青岛地铁1号线西镇站—青岛站区间采用TBM+钻爆法施工，其中，TBM掘进末端143 m区间隧道净距小于6 m，左线出洞处隧道净距最小为0.57 m，属小净距隧道，见图5。小净距段隧道埋深14.4～19.4 m，隧道洞身基本位于微风化花岗岩中，围岩等级为Ⅱ—Ⅳ2级。

图5 西青区间小净距段平面图(单位： m)

双护盾TBM掘进过程中撑靴撑紧力15 000 kN左右，小净距段隧道掘进存在洞壁失稳及造成先行隧道管片结构变形的风险，同时刀盘的扰动及姿态的调整也会对洞壁产生作用力，同样存在洞壁失稳风险。研究以下应对措施，保证TBM小净距段掘进安全通过。

3.2.1 选择合理的掘进参数，控制好掘进姿态

TBM在右线先行隧道小净距段掘进过程中，掘进参数未见异常，出碴量也在正常范围内，揭露的地质情况与勘察报告基本相符。据此，TBM在左线后行隧道小净距段掘进参数选择见表2。掘进过程中根据导向系统反馈的TBM姿态数据实时调整各分区主推缸的压力，进而调整TBM相对隧道设计轴线的上、下、左、右偏差及俯仰趋势；调整2根转矩臂油缸伸缩量，达到防滚及滚动调节的目的；通过调整稳定器的压力来减少主机部分的震动，进而减少对周边围岩的扰动。

表2 双护盾TBM小净距隧道掘进参数

3.2.2 先行隧道采取临时加固措施

小净距段掘进过程中，通过安装可移动式支撑台车和利用管片内已有注浆孔进行袖阀管注浆方式对先行隧道实施临时加固。工艺流程为： 1)当TBM后行隧道距先行隧道净距小于6 m时,安装可移动式支撑台车(见图6(a))。此支撑台车布置范围为后行隧道掌子面前后各1.5环及撑靴中线前后各2环，支撑台车纵向支撑间距为1环(1.5 m)，之间由型钢钢架相连，后行隧道掘进时先行隧道的支撑台车也须同步移动。2)当TBM后行隧道与先行隧道净距小于3 m时,在先行隧道内利用管片内已有注浆孔进行袖阀管注浆，注浆范围为侧向90°，开挖线外3 m，且随着隧道净距减小逐渐递减，保证袖阀管不打入后行隧道(见图6(b))。注浆浆液采用硫铝酸盐水泥单液浆，水灰质量比0.8～1，并根据现场试验调整； 注浆压力0.5～1.5 MPa，并根据监测数据及时调整。袖阀管注浆完毕后，注浆孔封堵采用与管片同等防水级别的混凝土填充捣实，注浆孔封堵表面光洁平整，同时做好养护工作。

(a) 支撑台车

(b) 袖阀管注浆范围

3.2.3 加强过程监测，做好应急预案

小净距隧道施工过程中，要对先行隧道内管片环向/纵向拼装缝张开量、管片径向收敛、管片裂缝等指标进行监测。当监测发现任一指标超限时应停止掘进并对上述情况进行分析，查明原因并采取了针对性措施后，方可继续掘进。在掘进过程中，如果发现碴样变化、掌子面顶部或前部发生若干坍塌或小范围的剥离、拱部或侧壁发生小坍塌等情况，需将管片背后碎石填充密实并灌浆完成后，把双护盾模式切换成单护盾模式掘进，利用辅推油缸分区压力调节控制掘进姿态，等撑靴过了松散区域，再恢复双护盾模式。

174 m小净距段隧道掘进用时28 d，平均日进尺约6.2延米。注浆加固用时8 d，先行隧道安装支撑台车用时7 d，全程双护盾模式掘进。通过对先行隧道监测数据统计可知，管片环向/纵向拼装缝张开量小于1 mm，管片径向收敛无明显数据变化，未出现管片裂纹及挤压破损现象，小净距段隧道掘进实施成功。

3.3 “踩高跷”过站技术

目前城轨交通隧道TBM多采用曲线空推过站方式，空推过站又分为弧形导台空推和基座空推2种方式，因TBM主机底面与后配套台车底面之间存在高差，不论哪种空推过站方式，后配套过站时均需铺设轨排架才能通过。过站过程中TBM主机每空推6 m停止步进，轨排架由管片吊机吊运至后配套前端铺轨区，等间距摆放并安装，再铺设台车行走轨道并与轨排架连成整体。该过程费时费力，且空推作业不连续导致过站效率降低；大量的轨排架铺设无法实现同一项目重复利用，造成资源浪费，经济性较差；轨排架的运输、铺设及后续人员、设备通过过程中还存在安全风险。

青岛地铁1号线衡山路站总长532.4 m(包括302.4 m折返线)，为实现快速过站并降低施工成本，施工单位与设备厂家联合研究并实施了后配套台车“踩高跷”过站技术，即过站时在台车轮组与台车结构本体之间增加预制钢支腿弥补TBM主机底面与后配套台车底面之间的高差，从而实现无需轨排架，后配套直接在站内底板铺轨通过； 过站结束再次始发时，拆除钢支腿并恢复台车轮组与台车结构本体的连接。“踩高跷”过站过程中，TBM主机通过基座空推方式前进，每空推前进6 m，在连接桥铺轨区为后配套台车铺设行走轨。“踩高跷”过站与铺设轨排架过站对比见图7。列车编组后期运行通过该站时，由于车站底板与区间管片底部内表面高差的存在，需在车站与区间衔接区域铺设缓坡轨排架及缓坡轨道以保证重载列车编组顺利通过，缓坡铺设坡度<30‰，铺设长度20 m左右。

(a) “踩高跷”过站

(b) 铺设轨排架过站

经统计，双护盾TBM“踩高跷”过站过程中边空推边加装预制钢支腿，过站速度可达31 m/d，钢支腿加装完成后可提升至46 m/d。以往双护盾TBM通过铺设轨排架过站，不考虑外围因素影响，过站速度35 m/d左右，采用“踩高跷”过站比铺设轨排架过站理论上节约工期近1/3。钢支腿单根质量约100 kg，10节台车配备40根临时钢支腿总质量约4 t；轨排架单榀质量约200 kg，间隔1 m铺设，通过一个200 m左右的标准车站需要钢材约40 t，考虑到制作、运输及重复利用等方面因素，“踩高跷”过站具有显著的经济优势。在站点较长时，“踩高跷”过站技术的工期和经济优势更为明显。

4 结论与讨论

本文总结了双护盾TBM在青岛地铁1号线的施工技术创新情况，包括负环始发技术、双线隧道小净距掘进技术和“踩高跷”过站技术，这些技术的实践成功应对了施工过程中遇到的特殊工况。主要结论如下：

1)基于掘进模式、掘进参数和姿态控制实现的双护盾TBM负环始发技术可行、适用，虽始发工效略低，但不影响该方案作为在始发场地不具备施作始发洞条件下的补充方案。

2)通过采取可移动式支撑台车和袖阀管注浆方式对先行隧道实施加固、合理控制TBM掘进参数等综合手段，可实现双护盾掘进模式下小净距双线隧道的顺利贯通。

3)“踩高跷”过站技术简单、实用，具有快速、经济、安全等方面优势，在站点较长时其经济性和效率优势更为明显。

针对本文的研究内容，后续项目需完善双护盾TBM单护盾模式掘进时的盾体滚动预防、调整功能，尝试单护盾掘进模式下双护盾TBM的负环始发技术和小净距隧道掘进技术；进一步搜集双护盾TBM小净距隧道掘进过程中撑靴受力、地层压力、先行洞管片受力、支撑台车受力等数据，分析受力和传力的相关性并研究其相关规律。