近海复杂地层下城市轨道交通TBM选型优化与掘进参数控制*

2024-03-27刘卫景张仕林李锁在孔德森

城市轨道交通研究 2024年3期

时健刘卫景张仕林, 李锁在孔德森

(1. 山东科技大学土木工程与建筑学院, 266590, 青岛; 2. 青岛地铁集团有限公司, 266045, 青岛;3. 中铁三局集团第四工程有限公司, 102300, 北京)

随着机械制造技术的进步和隧道行业的发展,TBM(隧道掘进机)被广泛应用于深埋长大隧道的建设中[1]。与传统的钻爆法相比,TBM施工具有快速、高效、安全、环保、经济、信息化程度高等诸多优势,是国内外隧道工程施工的主要选择[2]。

针对TBM选型,国内外学者展开了大量的研究讨论。文献[3]从地质影响因素等方面对大伙房输水工程隧洞施工装备进行了选型研究;文献[4]综合川藏铁路隧道地质条件,兼顾施工、安全、质量和工期的要求给出了TBM选型建议。但若TBM选型设计不能适应工程的地质特征,则往往会导致严重的施工风险和施工进度滞后,甚至造成重大经济损失。文献[5]认为复杂的地质构造、水文地质条件和TBM的选型是造成工期长时间延误的主要原因。文献[6]提出TBM所具有的在复杂地质条件适应性较差的缺点会抵消其施工速度快的优势,从而延误工期。以上研究主要是针对山岭隧道的TBM选型分析,对城市轨道交通隧道中近海复杂地层条件下的设备选型及优化的研究较少,且针对近海复杂地层中双护盾TBM掘进参数设置范围的研究也鲜有报道。

综上所述,TBM选型与优化是TBM法隧道施工的关键环节,对不同围岩条件下掘进参数控制的研究对TBM掘进性能的提升具有重要意义。本文依托青岛地铁2号线(以下简称“2号线”)西延段,从地层适应性、技术先进性及工期要求等方面对TBM展开综合比选,在此基础上开展TBM针对性优化设计和掘进参数控制研究,以期为硬岩地层下城市轨道交通隧道的建设提供参考。

1 工程概况

2号线西延段TBM区间标段包括TBM始发井,以及轮渡站—小港站、小港站—国际邮轮港站、国际邮轮港站—泰山路站等区间。区间隧道下穿诸多的交通干道,且下穿既有铁路、桥梁、民房等诸多建(构)筑物,沿线分布有大量给水、雨水、污水、供暖、通信、燃气、供电等地下管线。

根据勘察资料显示,场区穿越地段地层较多,由上到下依次有人工填土层、粗砾砂、粉质黏土、强风化上亚带、强风化下亚带、中等风化带及微风化带,部分地段穿插有煌斑岩岩脉,是典型的“上软下硬”地层。轮渡站—小港站区间的地层变化见图1。隧道洞身除国际邮轮站—泰山路站区间主要穿越中-微风化岩层外,其他区间隧道洞身主要位于微风化岩层中,局部地段受构造作用影响,揭露有砂土状碎裂岩及块状碎裂岩等构造岩;根据钻探揭露,受岩脉侵入及次生构造影响,局部微风化带岩体破碎,节理很发育,节理面矿物蚀变较明显,形成节理发育带。地下水整体较发育,除局部地段围岩破碎,易发生涌水和渗水现象,其他地段围岩含水率低,地层具有较好的自稳能力。

注:标高单位为m。

根据隧道岩体各项地质参数指标及周边环境情况,结合青岛地铁1号线(以下简称“1号线”)、2号线、青岛地铁4号线(以下简称“4号线”)工程隧道施工的成功经验,2号线西延段所有区间隧道均采用TBM破岩施工。

2 近海复杂地层下TBM选型分析

2.1 TBM地质适应性分析

地质适应性是TBM机型选择最重要的依据[7]。表1从地质条件适应性、施工灵活度、掘进效率等方面对适宜硬岩地层掘进的3种TBM进行综合比较。

表1 TBM类型比选

2号线西延段共有9条大小不等的断裂破碎带,节理裂隙发育密集,岩体呈碎块化碎裂状结构,强度低且自稳性差。根据敞开式TBM的工作原理,当洞壁围岩强度低于TBM支撑靴作用在围岩上的应力时,围岩无法为TBM提供足够支撑,掘进无法正常进行;隧道下穿工厂、学校、高架桥梁、胶济铁路等诸多建筑物及交通干线,地面条件复杂,施工场地有限,而敞开式TBM机型长,在场地范围、施工组织方面均存在很大困难,故不适宜采用敞开式TBM。

单护盾TBM掘进与管片拼装不能同时进行,施工速度较慢,不能满足2号线西延段对工期的要求;掘进区间主要为岩性较好的微风化花岗岩层,局部夹杂有单轴抗压强度极高的超硬岩层,鉴于单护盾TBM的工作原理,在超硬岩层中掘进,作用在管片上的支撑反力极大,对管片的强度要求极高,管片衬砌的成本将大幅提升,不利于其工业化生产,故不适宜采用单护盾TBM。

在中硬岩为主且局部有断层破碎带的地层,双护盾TBM能充分发挥其优势。在某些特殊地段如断层破碎带,双护盾TBM能采用单护盾模式掘进,利用超前钻机和注浆设备加固地层;在稳定性较好的硬岩地层中,双护盾TBM强大的推力与扭矩储备配合管片储运拼装设备,可以实现掘进与管片拼装同步进行。双护盾TBM机头长约12 m,方便在车站始发、过站、调头和吊出,对车站干扰较小,不影响工期。经综合比选,2号线西延段采用适应性更强的双护盾TBM施工,隧道采取管片衬砌支护。

2.2 TBM型号选择

根据青岛地铁现有成功经验,最终确定采用具有更强适应性的DSUC型双护盾TBM[8]。该机型开挖直径为6 300 mm,变频驱动,最大扭矩为2 940 kNm,脱困扭矩为5 700 kNm,最大总推力为24 150 kN,最大推进速度为120 mm/min,配有超前钻机设备,对不良地质、施工场地、地面环境等方面适应性强,完全能够满足本工程的施工要求。DSUC型双护盾TBM的主机结构见图2,其主要特点如下:

图2 DSUC型双护盾TBM主机结构

1) 具备双护盾和单护盾两种掘进模式,能够适应坚硬地层和软弱地层的掘进要求;

2) 刀盘正面采用整钢加工成型,可有效避免传统刀盘大量焊接造成的结构应力不均,具有结构强度高、耐久性良好的优点,提高了刀盘的整体稳定性;

3) 阶梯式的护盾设计方案,能够有效应对围岩的收敛变形,减少卡机对隧道掘进的影响;

4) 具备灵活的隧道支护方式,可以适应不同地层的支护要求。

3 工程难点与TBM优化措施

3.1 工程难点分析

2号线西延段位于市区内建筑密集区,地层条件多变,施工难度大,存在诸多技术难点。

3.1.1 穿越断裂破碎带

2号线西延段区间穿越地段地层较多,局部地段岩体节理裂隙发育密集,呈砂土化散体状结构或碎块化碎裂状结构,黏结强度低,自稳性差,易发生坍塌和掉块。块状碎裂岩取样结果见图3。构造破碎带及节理发育带往往是地下水富集的地带,洞身开挖过程中会有渗流乃至点、线状渗出的情况发生。

图3 块状碎裂岩取样结果

3.1.2 TBM始发空间不足

TBM始发井位于青岛市南区公交停车场以及临时道路范围内,围护结构上部钻孔灌注桩部分内净空长31 m,宽28 m;下部钢管桩部分内净空尺寸长28 m,宽25 m;基坑深度为32.66 m,且深度方向采用4道混凝土支撑+混凝土腰梁。TBM始发兼轨排井长31 m,始发导洞小里程端长度为28 m,大里程端长度为77 m,拟采用的双护盾TBM设计长度为165 m,始发空间无法满足TBM整体始发的要求。

3.1.3 小曲率半径施工

实际施工中,由于区间线路存在多处小半径区段等原因,TBM推进方向可能会偏离设计轴线并超过管理警戒值。在稳定地层中掘进,地层提供的滚动阻力较小,可能会产生盾体滚动偏差;在线路变坡段掘进,也可能产生较大的偏差。TBM掘进方向偏离设计轴线,对TBM姿态控制、管片拼装技术等均提出了更多挑战,一旦出现偏差,容易发生欠挖、超挖,以及管片开裂、偏移、错台等情况。

3.1.4 不具备吊出条件

根据工程周边环境及整体设计需求,小港站为暗挖车站,国际邮轮港站为放坡明挖车站,二者周边环境均不具备TBM吊出条件。区间终点泰山路站为既有车站,其站后折返线区间拱部距离TBM外轮廓880 mm,周边环境无设置起吊机的空间条件,也不具备吊出条件。

3.2 TBM优化措施

针对2号线西延段特殊的地质条件和施工环境,对TBM进行优化。

3.2.1 穿越断裂破碎带的TBM优化措施

采用前盾、伸缩盾、支撑盾、尾盾等直径前大后小的阶梯圆柱形护盾设计(见图4),可以有效减轻因围岩收敛变形引起的卡盾现象。大驱动功率、大扭矩、大推力、大扩挖,以及超前钻探注浆加固的设计,在降低刀盘被困风险的同时,亦增强了其脱困能力。

图4 阶梯圆柱形护盾

通过断层破碎带时,TBM刀盘容易被破碎岩块卡住。通过设备上配置的超前钻机,对不良地质进行超前加固处理。结合地面注浆加固以及掘进参数的控制,可以保证TBM的顺利通过,避免人工清理刀盘导致的长时间停机。

3.2.2 针对始发空间不足的TBM优化措施

针对始发空间不满足TBM整体始发要求,根据目前始发导洞长度,经与生产厂家多次沟通后决定临时改造TBM,对后配套台车进行优化,将驾驶室、变压变频器、液压润滑系统等掘进所必需的动力、控制等系统布置在后配套系统前部,避免了分体始发带来的不必要的管线延伸。待TBM掘进长度满足整体始发要求后,将后配套系统拖出洞外改造,进行二次组装调试与始发。

3.2.3 针对小曲率半径施工的TBM优化措施

TBM的姿态控制主要依赖导向系统。为满足TBM掘进区间多处小曲率半径施工的要求,对原导向系统做如下优化:① 导向系统采用在支撑盾加设激光发生器,在前盾加设激光靶,使前盾测量不需要通过视线通道,避免了曲线线路施工中TBM 可能受到测量通道狭小的影响,大大降低了换站频率;② 导向系统采取了有效的减振措施,盾体姿态跳变误差应控制在±10 mm内,能够满足指导现场施工的要求;③ 导向系统采取了优化算法,加强了激光强度,因此导向系统能够有效提取因粉尘干扰遮挡的数据,增加了姿态显示响应频次,大大降低了粉尘对前盾姿态测量的干扰。双护盾TBM导向系统见图5。

a) 前导向靶

b) 后导向靶

3.2.4 针对不具备吊出条件的TBM优化措施

TBM掘进终点为泰山路折返线区间,为既有线路,周边建筑物密集,不具备设备拆解的空间和吊出的条件。为方便洞内拆解及运输,TBM刀盘及盾体设计为分块结构,后配套台车为模块化设计,最大台车长度≤12.5 m。TBM从轮渡站始发井始发,掘进至区间终点时在洞内进行分解,分解后的组件由原线路返回至始发井吊出。

4 双护盾TBM掘进参数控制

统计轮渡站—小港站区间隧道区段的双护盾TBM现场掘进数据,绘制不同等级围岩下推力、扭矩、刀盘转速及净掘进速率的频次分布直方图,见图6。从图6可以看出:在中等强度岩层中掘进,岩体强度较高时,需保证一定的掘进速率,所需的推力和扭矩也更大。

a) 刀盘扭矩

b) 刀盘推力

c) 刀盘转速

d) 净掘进速率

双护盾TBM掘进参数随掘进距离变化见图7。由图7可见: 掘进距离为0～170 m范围内,双护盾TBM在较低扭矩和推力下即可获得较高的净掘进速度,即岩体容易掘进,根据地勘报告,该段对应围岩以Ⅳ级为主;掘进距离为170～420 m范围内,双护盾TBM需较大的扭矩配合较高的推力才能保持较高的净掘进速度,岩体强度较前段有所提升,该段对应围岩主要为Ⅲ级围岩;掘进距离为420～450 m 范围是断层破碎带,双护盾TBM的扭矩、推力及刀盘转速均维持在较低水平,以降低对前方围岩的扰动,通过控制掘进参数维持掌子面稳定,可降低卡机的风险。