敞开式TBM与复合式TBM比较

2022-08-24徐太顺

建筑与装饰 2022年16期

关键词：掌子面掘进机管片

徐太顺

重庆市轨道交通（集团）有限公司重庆 401120

引言

随着我国国民经济的快速发展，国内城市化进程不断加快，城市地铁隧道、水工隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程已经大量使用隧道掘进机。

目前隧道掘进机主要有以下几种类型：

盾构：适用于软土地层，分为泥水平衡和土压平衡两种。

TBM：适用于岩石地层，分为敞开式、单护盾、双护盾三种。

复合式TBM：适用于软硬交替地层。

在重庆轨道交通建设中，6号线、5号线、10号线、环线等主要采用了敞开式TBM、复合式TBM两种掘进机。

1 敞开式TBM和复合式TBM的定义

敞开式TBM：主要适应于硬岩，能利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机。掘进机主机可根据岩性不同选择配置临时支护设备如钢架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装机、超前钻机、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等。敞开式TBM在掘进过程中一般二次衬砌不同步施工，只施作初期支护，待掘进完毕后再通过模板台车进行二次衬砌施工。

复合式TBM：主要适用于以岩石为主，土质、破碎带及软硬交替的地层，是以传统的硬岩掘进机为基础，吸取了土压平衡盾构和气压盾构的原理及优点后产生的一种掘进机，兼具适应土质、岩层及软硬交错地层的隧道施工。复合式TBM采用管片支护，区间可一次成洞[1]。

2 TBM的对比分析

本文针对TBM在重庆市轨道交通应用情况，同时根据重庆地质条件，考虑其他相关因素，并结合后续线网规划情况，对敞开式TBM和复合式TBM全方位对比分析：

2.1 地下区间TBM适应性分析

2.1.1 敞开式TBM地质适应性。采用敞开式TBM施工时，二次衬砌一般在区间开挖完毕后施做，滞后时间较长。隧道掘进后，初期支护条件下围岩的稳定性如何将是决定能否采用敞开式TBM施工的必要条件之一。

根据目前已施工的重庆轨道交通区间隧道施工情况及监控量测资料，在埋深较深、围岩较完整的情况下，区间隧道开挖后掌子面基本能自稳，敞开式TBM能够满足二次衬砌滞后情况下的区间稳定性要求。

2.1.2 复合式TBM地质适应性。复合式TBM主要适用于以岩石为主，土质、破碎带及软硬交替的地层，在软弱地层时对控制掌子面稳定、地表沉降和保证施工安全是十分有利的。重庆市区主要以砂岩、砂质泥岩地层为主，岩体完整性较好，大部分地段围岩具有较好的稳定性，洞室开挖后掌子面能够自稳，局部埋深较浅及地表覆土较厚段落的掌子面稳定性稍差。因此对于复合式TBM而言，当岩体情况较好时，可采用敞开式掘进模式，当岩体稍差时，可采用土压平衡掘进模式，以利于掌子面稳定，因此其适应的地质条件范围比敞开式TBM要广，区间可采用机械化施工的程度也更高。

复合式TBM采用螺旋输送机出碴，对于土质地层而言，螺旋输送机效果较好，而对于岩石地层，特别是砂岩地层，开挖岩碴破碎后将对螺旋输送机将产生一定程度的磨损，导致其容易发生损坏。

2.2 施工适应性分析

2.2.1 敞开式TBM施工适应性。重庆城区岩石单轴抗压强度虽然不是很高，但其完整性较好，为加快掘进破岩进度，6号线工程TBM在设备配置时，经过刀具规格的论证与比选，最终采用了19in的大直径滚刀，相应的TBM整机能力较强，六号线一期工程的施工实践也证明其掘进破岩的效果较好，完整岩层段掘进速度很快，刀具耐用，不仅减少了掘进途中的换刀次数，而且节约了刀具费用，增加了掘进的连续性。

2.2.2 复合式TBM施工适应性。复合式TBM若要适应重庆地质条件，需对既有设备做出针对性设计改造或根据地质情况量体裁衣，刀盘配置上仍以滚刀为主，局部地层条件下可辅以少许刮刀。根据已实施的施工经验，建议刀盘上滚刀尺寸为19in，如此配备能够满足在重庆城区岩石地层为主条件下的长距离破岩掘进要求。

2.2.3 围岩破碎带适应性。在线路局部穿过若干不良地质带时，可能存在节理密集带。在岩体受构造影响较严重地段，围岩破碎、节理发育，岩石层间结合力差，掘进时可能发生围岩松动、下沉、掉块、剥落等现象。

敞开式TBM依靠撑靴撑紧洞壁提供推力，但由于围岩破碎，强度较低，敞开式TBM掘进较为困难，且敞开式TBM护盾较短对破碎带的防护不利，有可能出现掉块等现象，在围岩稍差地段可通过设备自带的超前钻机提前进行围岩预加固处理[2]。

复合式TBM依靠盾尾推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌块上提供推力，推进刀盘破岩及换步，机器本身护盾较长，对围岩破碎带的防护是有利的。

2.3 掘进长度适应性分析

一般敞开式TBM主轴承的设计寿命为1.5～2万h，换算为正常情况下隧道掘进长度大约为10～20km，考虑到重庆轨道交通地层主要以软岩为主，岩石强度不大，在不更换主轴承进行大修的条件下，一台TBM掘进的长度大约为20km。

复合式TBM主轴承设计寿命最长10000h，换算为掘进长度最长10km。

2.4 掘进速度及工期适应性分析

根据已实施六号线工程筹划及施工实践，敞开式TBM经过磨合期后在Ⅳ级一般围岩段开挖掘进速度可达500～1100m/月（不考虑后期二衬施作时间），而复合式TBM其综合掘进速度平均下来一般为200～300m/月。

在埋深较深、围岩完整的情况下，敞开式TBM掘进较快，区间的快速施工也会减小对沿途所经过车站的影响；复合式TBM虽然掘进速度相对慢，但是能够一次成洞，减少了后续衬砌的二次扰动，总体看其施工速度稍慢，会对所经过的车站产生一定的影响。

2.5 区间支护措施分析

2.5.1 开挖过程中支护。在岩体受构造影响较为严重的局部地段，敞开式TBM可以利用自带辅助设备进行灵活处理，如打设超前支护等辅助措施通过、开挖后及时架立钢架、打锚杆、手动喷射混凝土等，可根据不同的围岩条件调整支护措施的强弱；复合式TBM盾体较长，可利用盾体防护围岩，后续管片紧跟支护，当前方所遇地质条件较差、地下水量较大、容易诱发掌子面失稳及地表沉陷时，复合式TBM可及时关闭螺旋输送器，利用密封土仓止水保压，确保掌子面的稳定，再利用自带的超前设备或结合地表等进行加固处理后通过。

2.5.2 后续区间支护。敞开式TBM掘进开挖后采用喷锚支护，二次衬砌一般不紧跟，存在一定的安全风险，后续二次衬砌的各种支护参数可根据具体地层情况通过结构计算确定，以达到因地制宜的目的。

复合式TBM开挖后采用管片支护，由于管片紧跟，对洞周的稳定性相对安全。预制管片的质量相比现浇模筑二次衬砌而言要好。

2.6 过站适应性分析

轨道交通区间一般每隔1～1.5km需设一座车站，掘进机应用于城市地下区间施工，不可避免地要遇到过站问题。

2.6.1 敞开式TBM过站。若车站超前敞开式TBM施工，当TBM掘进到站时，TBM可以利用自身设备结合外界步进装置完成步进过站，其步进速度大约为40～50m/d；若TBM掘进到站时，车站主体结构工程尚未施工，则预留TBM掘进通过条件，TBM可掘进过站，待其完成该区段全部掘进后再扩挖施工车站主体。

2.6.2 复合式TBM过站。若车站超前复合式TBM施工，当复合式TBM掘进到站时，可将复合式TBM机安放在钢结构基座上，利用卷扬机牵引过站；若复合式TBM到站时车站主体尚未施工，则按正常段落掘进通过，待其完成全部掘进后再分段拆除管片，并进行车站主体部分的扩挖。

2.6.3 过站方案比较。在已施作车站地段，敞开式TBM可以直接利用步进钢板或弧形导轨完成步进过站，过站速度快，投入的辅助设备少，造价低，但是考虑TBM设备的特点，TBM一般均沿线路中线前行，导致车站范围需通长加宽、加深，预留TBM步进通行的空间；而复合式TBM需要先安装滑行钢轨，利用卷扬机或千斤顶才能完成步进，此时车站只需两端一定范围内扩宽，通长加深，故从车站增加的费用考虑，敞开式TBM比复合式TBM要大[3]。

在车站主体尚未开挖时，复合式TBM需要安设管片掘进通过，后期车站施工时又要全部拆除，将造成很大的浪费。敞开式TBM可采用喷锚支护，措施相对灵活，后期拆除初期支护较容易，废弃工程量小，与复合式TBM过站后期要拆除管片相比较，可节省一定的费用。