全断面隧道掘进机在城轨项目中适用性及施工进度影响因素探讨

【摘    要】：为了研究全断面隧道掘进机在城轨项目的适用性，通过查阅相关资料、调研相关案例，分析了全断面隧道掘进机应用于城市轨道交通中的优势和劣势，并分析始发、掘进、过站3方面因素对施工进度的影响。

【关键词】：全断面隧道掘进机；城轨项目；适用性；施工进度

【中图分类号】：U455.3【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2024）01-19-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.006

收稿日期：2023-03-06

作者简介：杨守峰（1989 - ）， 男， 硕士， 工程师， 从事隧道与地下工程设计工作。

Applicability and Construction Schedule Impact Discussion of Tunnel Boring Machine for Urban Rail Projects

YANG Shoufeng

（China Railway Design Corpration，Tianjin 300308，China）

【Abstract】：In order to study the applicability and progress of tunnel boring machine in urban rail projects， the advantages and disadvantages of using tunnel boring machine in urban rail transit were analyzed by consulting relevant materials and researching relevant cases. The impact of three factors： departure， excavation， and station crossing on construction progress was also analyzed.

【Key words】：tunnel boring machine;urban rail projects; applicability; construction progress

相比于传统的钻爆法，全断面隧道掘进机（TBM）施工具有安全、高效的优势。随着技术不断发展，TBM工法逐步成熟，但是其在城轨项目中的适用性及施工进度影响因素的分析不多。本文调研国内TBM在城轨建设中的案例，根据实际情况分析TBM工法在城轨项目中的适用性及施工进度影响因素，为国内相关工程提供参考。

1 TBM应用于城轨项目中的优劣势分析

城轨交通项目不同于水利水电、煤矿、山岭隧道等工程，其隧道洞址往往位于城市繁华区域，埋深浅、地质差，隧道周边环境复杂，地表、市政管线、建筑物等对沉降非常敏感；线路站间距较短，一般不超过2 km；因此，TBM在城轨项目中的优势主要体现如下。

1）施工噪音小，更加环保。城轨项目多在居民区、商业区施工，传统钻爆法施工噪音大，对居民影响极大，如青岛等硬岩环境，爆破震动影响尤为显著，施工信访压力极大；青岛地铁8号线五四广场站采用拱盖法施工，与周边居民楼水平距离20 m，爆破振速控制极低，信访压力依然巨大。TBM工法避免爆破作业，掘进过程中的震动对周边环境影响几乎可忽略不计。

2）安全且质量有保证。目前城轨项目多采用非敞开式TBM，工程人员在护盾的保护下作业，现场安全有保证。城轨项目一般埋深浅、地质差，采用传统暗挖法，地表沉降往往难以控制；而TBM工法产生的地表沉降小，一般在6 mm以内[1]；TBM隧道衬砌采用预制管片拼装，二衬施作及时，避免了钻爆法初支结构长时间暴露，施工更安全；预制拼装避免混凝土现场浇筑时由于振捣不均匀、钢筋保护层厚度控制差、施工缝处防水作业不规范等问题，工程质量有保证。

3）施工效率高。相比于傳统钻爆法，TBM施工效率可提高4～7倍。城轨项目中，为控制地表沉降及加强风险应对措施，钻爆法施工每循环进尺1～2榀格栅，限于爆破时间、出渣效率等影响，一般每天1循环或2天3循环，进度约0.5～3 m/d；TBM施工效率为10 m/d，重庆轨道交通6号线采用TBM施工曾创造47 m/d、862 m/月的掘进记录[2]。

同时，采用TBM硬岩掘进机的局限性主要体现在以下方面。

1）对复杂地层适应差。TBM对于单一、均质地层能较好适应，对于破碎带、上软下硬等复杂地层的适应性较差。针对这一情况，可采取的措施有：采用多种勘探手段，局部区域可加密地质探孔，充分掌握地质资料，对于破碎带，可采取地面预加固、TBM洞内预加固措施，改良地层；对于上软下硬地层，在选线阶段调整线路，让隧道有合理覆岩厚度，局部无法实现的，采用有针对性的刀具并控制油缸压力、掘进参数等措施控制掘进姿态。

2）隧道过短，无法体现出造价优势。根据经验，长度＞3 km的隧道采用TBM施工才具有造价优势，较短隧道设备费摊销过大。针对此情况，可采用TBM过站方式应对，如青岛地铁8号线闫南、南嘉、嘉鞍区间，采用双护盾TBM，3个区间左右线总长度约9 km。此外，随着快线工程发展，站间距逐步加长，如青岛地铁8号线平均站间距为3.6 km，最大站间距约8.6 km，TBM工法在城轨工程中的应用越来越广。

2 TBM在城轨项目中的应用

国内TBM研发制造始于20世纪60年代中期，但前期主要用于水利水电、煤矿井巷、山岭隧道工程，如采用敞开式TBM的工程有辽宁大伙房引水工程、西康铁路秦岭Ⅰ线隧道、西安南京铁路桃花铺1号隧道、磨沟岭隧道、南疆铁路吐库二线的天山隧道、兰渝铁路中西秦岭隧道；采用双护盾TBM的有甘肃水磨沟输水隧道、引黄入晋输水隧道、青海引大济湟总干渠工程、新疆大阪输水工程等。

在城市轨道交通方面，国内首次采用敞开式TBM工法为重庆市地铁6号线一期工程，也是敞开式TBM唯一一次在城轨项目中应用。隧道开挖直径6.36 m，掘进长度（左右线）约13.5 km；围岩主要以IV、V级砂岩、砂纸泥岩、泥岩为主，岩石饱和抗压强度12.6～37 MPa，地下水主要为裂隙水，不甚发育，围岩自稳能力好；石英含量约22.8%～80.8%；为避免拱顶掉块，TBM加装了Mcnally系统，即在钢拱架和围岩的间隙密排钢筋；区间采用先初支、后永久衬砌的结构方案，掘进进度较快，曾创造47 m/d、862 m/月的记录，但后期拆轨清底、施作衬砌与车站主体同时施工，交叉作业相互严重，区间因施工通道受阻而减慢进度，综合进尺降为420 m/月，效率几乎降低一半 [2] 。重庆后续建设的线路中采用复合式TBM。

国内首次采用双护盾TBM工法为青岛地铁2号线一期工程[3]。该线路有8个区间采用TBM施工，线路双延米总长约8.5 km，穿越地层主要以中、微风化花岗岩为主，岩石平均强度60～80 MPa、最高为120 MPa，其中TBM二工区线路双延米总长约5.2 km，综合进尺平均260 m/月、最高384 m/月 [4] 。青岛后续1号线、4号线、8号线及其他地区也采用该方法；如深圳地铁10号线孖雅区间，区间双延米长度约2.96 km，穿越地层主要以微风化花岗岩为主，岩石强度约100 MPa、最高达120 MPa，地下水位较浅，埋深0.6～9.9 m，综合进尺最高24 m/d、468 m/月 [5] 。

重庆轨道交通6号线二期工程为国内首次采用复合式TBM施工，该工法还可称为双模式TBM（青岛）、双模式盾构（南京等）。重庆的环线、5号线、10号线等工程均采用了复合式TBM；青岛地铁8号线工程鞍山路站—山东路南站—五四广场站两个区间采用双模式TBM。一般而言，TBM切换模式需要15 d时间。

三模式TBM/盾构目前尚未有成功案例，但是由广州地铁集团、中铁装备集团、中铁华隧共同研发“中铁820号”三模TBM/盾构机已经组装完成，即将投入到广州地铁7号线二期工程萝岗—水西区间。该区间长为1 086 m，埋深约19～73 m，地质变化较大，全断面硬岩地层、软土层、上软下硬地层在施工区域内密集分布且孤石探明率高达66.7%，对机械要求非常高。三模TBM/盾构机集合泥水、土压、TBM三种模式于一体，与以往机械需要开仓改造、切换模式不同，技术人员只需在主控室内就能完成快速切换，提高了盾构机在复杂地质工况的适应性，也节省工期。

3 TBM施工进度分析

TBM施工工序主要有始发（吊装、进洞）、掘进、接收（出洞、吊出与拆解）、过站。

3.1 始发进度

根据目前调研，TBM始发工序基本相同，所用工期较为固定，一般为1个月左右，如青岛地铁8号线闫南区间吊装始发时间为25～28 d。见表1。

3.2 掘进进度

一般来讲，敞开式TBM由于不用拼装管片，掘进速度较快，如重庆6号线掘进速度达到了862 m/月；而护盾式TBM因拼装管片，掘进速度一般为300～350 m/月。影响TBM掘进速度的还有以下因素。

1）岩石强度。一般来讲，岩石强度越高，刀盘贯入度越低，掘进速度相应降低；尤其石英含量较多、粒径较大时，刀具磨耗增加，换刀次数增多，平均掘进指标下降。

2）软岩或破碎带等恶劣条件。在破碎带、风化带等围岩难以自稳条件下进行机械开挖，应采取辅助施工方法配合施工；特别是在有涌水的条件下，拱顶崩塌、机体下沉、支承反力降低、卡机等问题时有发生，因此掘进速度较低。

3）岩层裂隙。岩层节理、层理、片理对开挖效率影响极大，裂隙适度发育的岩层，即使抗压强度大也能进行较为有效的开挖。

4）TBM出渣效率。青岛地铁2号线、1号线部分区间掘进指标约220～250 m/月，主要是因为出渣效率不高、出渣车配置过少、龙门吊效率不高等原因。

3.3 过站进度

因城轨项目站间距一般较小，为满足TBM经济掘进长度、避免频繁拆机与吊出，通常采取过站施工，可分为掘进过站、空推过站。掘进过站有重庆轨道交通6号线一期工程的红土地站；空推过站有重庆轨道交通6号线一期工程的黄泥滂站、大龙山站、冉家壩站，青岛地铁2号线的泰山路站、利津路站、台东站等。一般而言，TBM吊出、转场时间为1～2月，而空推过站的时间一般为10～15 d [6] ，如青岛地铁2号线利津路站，采用TBM整机曲线过站，时间为10 d。青岛地铁8号线闫南区间采用新型平移设备，在TBM基座上增加液动移位装置，移动过程中仅需3～4名工人，移动速度约1.11 m/min [7] ，能更加节省工期。

4 结语

本文通过调研，分析了TBM应用于城市轨道交通中的优劣势与适用性，探究了TBM施工过程中进度影响因素，为后续城轨项目TBM选型与造价分析提供参考。

参考文献：

[1]罗勇，吴圣智，王明年，等.城市轨道交通隧道双护盾TBM施工适应性研究[J].地下空间与工程学报，2019，15（2）：525-532.

[2]张红耀，刘东亮.敞开式TBM在重庆轨道交通6号线的应用分析[J].隧道建设，2013，33（2）：160-164.

[3]郭志，王小强，王以栋，等.青岛地铁隧道双护盾TBM适应性设计及应用[J].隧道建设（中英文），2018，38（1）：135-141.

[4]胡卫星.青岛地铁2号线TBM设计特点和工程验证[J].国防交通工程与技术，2018，16（1）：36-38+27.

[5]王杜娟，宁向可.城市地铁双护盾TBM设计及应用[J].隧道建设（中英文），2018，38（6）：1052-1059.

[6]唐志强.青岛地铁采用TBM施工的可行性研究[C].中国土木工程学会隧道及地下工程分会.2014中国隧道与地下工程大会（CTUC）暨中国土木工程学会隧道及地下工程分会第十八届年会论文集.中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014.

[7]朱朋金，赵康林，肖利星.TBM侧向平移、空推新设备的研发及应用[J].隧道建设（中英文），2020，40（3）：417-425.