城市軌道交通敞開式TBM過站方案及關鍵技術

王 飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋梁隧道處，陜西西安710043)

隨著國內城市軌道交通建設速度的加快及修建水平的不斷提高，地鐵工程正逐步加大機械化施工程度，越來越多的城市地鐵采用盾構法施工［1－2］。相比而言，敞開式TBM與盾構在機型特點、設備組成、施工原理、出碴方式及適用條件等方面均有明顯的差異，因此，在城市軌道交通工程中，采用敞開式TBM施工過站與傳統的盾構過站不同，具有其自身顯著的特點［3］。

1 技術現狀及存在問題

1.1 國內外現狀

重慶軌道交通6號線1期工程采用敞開式TBM施工，屬國內首創。敞開式TBM在國外城市地鐵工程中應用的實例也很少，目前只有美國紐約地鐵有此先例。紐約屬巖石地層，以花崗巖為主，完整性較好，地質較穩定，是世界聞名的國際化大都市，城市人口眾多，用地十分緊張，地面建筑物非常密集，商業發達，為減小地鐵施工對周邊環境的影響，不干擾市民正常生活，地鐵工程盡量避免采用傳統的鉆爆法，而廣泛采用更為快速、環保、先進、安全的機械化方法施工。例如紐約地鐵East Side Access(ESA)隧道，該工程將連接長島鐵路和皇后區線到曼哈頓中央車站，區間設計為兩條單洞單線隧道，采用直徑為6.6 m敞開式TBM施工。

1.2 存在問題

在國內城市軌道交通中，盾構一般一次性施工1～2個區間，或者為1個區間的左、右線往返施工，途經車站較少或者不經過車站。由于設備相對小型輕便，其起吊、下放、組裝、拆卸等操作也較容易，可采用車站端頭吊出等方式避免過站，即使過站，其洞內拆卸、平移、拖動等操作也相對成熟方便［4－5］。敞開式TBM根據其機型特點，一次性施工距離較長，如重慶軌道交通6號線1期工程，線路全長23.684 km，TBM試驗段(五里店站—山羊溝水庫敞開段)全長近12 km，途經8座車站，所采用的TBM為美國羅賓斯公司生產，設備全長195 m(圖1)。試驗段內TBM的過站方式、過站難度、過站要求及對車站持續影響等均較盾構過站要高。

圖1 重慶軌道交通敞開式TBMFig.1 Open TBM of Chongqing track transportation

1.3 研究內容及意義

為確保敞開式TBM在重慶軌道交通中的國內首次應用成功實施，需對TBM施工段所經過的區間及車站進行統籌考慮，制定TBM過站原則、過站方案及預案，一旦區間及車站不能按照既定工程籌劃施工，提前啟動過站預案，以保證TBM能夠順利過站，做到洞內不停機、不等待、安全快速施工，過站后TBM施工運輸能夠正常進行，同時不影響車站及區間的總工期。如此便解決了敞開式TBM應用于城市軌道交通的主要技術難題，為TBM日后逐漸大規模應用于城市地鐵工程創造有利條件并提供技術支持。

2 TBM過站總體方案

2.1 TBM 途經車站概況

根據6號線1期工程TBM試驗段工程籌劃，兩臺敞開式TBM在五里店車站明挖基坑內完成組裝、調試后始發掘進，途經紅土地、黃泥滂、紅旗河溝、花卉園4座暗挖車站，大龍山、冉家壩兩座明挖車站，再經光電園暗挖車站，最終在山羊溝水庫敞開段掘進出洞，完成試驗段全部掘進任務。沿途所經各車站詳細概況見表1。

表1 TBM試驗段車站概況Table 1 Stations overview of TBM test section

紅土地、黃泥滂、花卉園及光電園站的結構型式如圖2。大龍山及冉家壩站的結構型式如圖3。紅旗河溝站6號線范圍車站結構型式如圖4。3、6號線共建段車站結構型式如圖5。

圖2 暗挖單拱島式車站Fig.2 Single arch island style station of blasting excavation

圖3 明挖矩形框架車站Fig.3 Rectangle frame station of open excavation

圖4 暗挖單拱側式車站Fig.4 Single arch side style station of blasting excavation

圖5 紅旗河溝共建段車站結構Fig.5 Together construction range station of Hongqihegou

2.2 TBM總體施工方案

6號線1期工程TBM試驗段，包括車站施工段、TBM施工段及鉆爆法施工段。車站施工段即上述8座車站范圍;鉆爆法施工段主要包括:進出車站兩端所設置的TBM接收洞及始發洞，存車配線段、水平喇叭口過渡段、上下近接段、下穿建(構)筑物段及特殊地質地段等。TBM試驗段全長12 123 m，除去車站及鉆爆法施工段后，右線TBM施工長度7 973 m，左線 TBM施工長度8 116 m。

隨著TBM始發后不斷向前掘進，后續出碴進料的運輸距離逐漸加長。因TBM施工段采用有軌礦車運輸，長距離有軌出碴進料的效率逐漸降低，能耗加大，影響到TBM的施工進度。并且為了保證TBM的后續運輸，沿途所經過的各座車站其主體工程均不能再施工，這將嚴重影響車站自身的工期［6］。為避免上述問題，應在 TBM施工段途中選擇合適地點進行出碴進料轉場，可大大縮短TBM施工運輸距離，提高施工效率，并將轉場之前所經過的車站徹底脫開，保證了區間及車站各自的工期要求。

根據TBM試驗段沿途所經過車站及區間的具體情況，大龍山站為明挖站，位于龍山大道下方，其站位基本位于TBM試驗段的中部，車站周邊場地較為開闊，水、電等設施及道路接入也較為方便(圖6)。因此確定在大龍山站進行一次TBM施工轉場，可將之前所經過的4座暗挖車站徹底脫開，保證了試驗段內車站及區間總工期要求。

圖6 大龍山明挖車站周邊條件Fig.6 Open excavation station around condition of Dalongshan

3 TBM過站方法

3.1 TBM過站原則

敞開式TBM應用于城市軌道交通工程，具有快速、安全、高效、優質、環保等優點。相比于TBM在山嶺及水工隧道的長距離連續掘進，中間較為頻繁的經過車站，導致TBM受車站間隔性影響而不能連續掘進，這是TBM在城市軌道交通中應用的一大特點和難點。如何保證TBM順利的通過車站對于發揮其快速、長距離連續掘進施工具有重要的意義［7］。TBM過站應遵循“快速、安全、投資省”的大原則，綜合考慮車站及TBM掘進施工，既要保證TBM的順利通過，又要確保車站工期，所確定的基本過站原則如下:

1)車站施工前，TBM可選擇掘進過站方式，避免車站加寬，同時保證TBM的連續掘進。

2)車站施工中，TBM可選擇掘進、步進、半掘進的過站方式，與車站開挖統籌協調，車站施工盡量為TBM通過創造條件，TBM過站應減少對車站施工的影響。

3)車站施工后，TBM可選擇沿線路中線步進、站端拆卸側移等通過方式。

4)應提前考慮過站預案，以應對車站及TBM施工的不確定因素。

3.2 敞開式TBM過站方式

敞開式TBM過站方式基本上可分為兩類:①TBM依靠外部條件，借助過站小車等通過;②TBM依靠自身條件，直接掘進或步進通過。

當采用小車輔助過站時，與盾構過站方式類似，需要車站端頭接收TBM主機部分加寬，通長加深，可最大限度的減少車站土建工程。但TBM在車站端頭側移時，需要將主機與后配套斷開，到達車站另一端又需重新連接。因敞開式TBM設備較復雜，存在主大梁、水平撐靴、連接橋、皮帶機等，主機也較長，與后配套連接處各種管路較多，過站時于洞內反復拆卸、安裝TBM主機與后配套會相當麻煩，耗時費力，且需不斷調試，特別是當沿途經過車站較多時，將嚴重影響正常掘進，喪失使用TBM施工的優勢，對設備自身也不利［8－9］。

為保證TBM過站簡單、實用、可靠，充分發揮其快速掘進的優勢，盡量縮短過站時間，應始終讓TBM沿線路中線走行，保持同一標高，如此便保證TBM施工的完整性和連續性。在此前提下，TBM過站又可分為步進過站和掘進過站兩種形式。

3.2.1 TBM 步進過站(圖7、圖8))

當TBM到達車站時，車站全部開挖完畢或僅完成部分開挖(如雙側壁導坑［10］)，預留出TBM步進通道，則TBM直接步進過站。

圖7 車站襯砌完畢TBM步進Fig.7 TBM walking in the station lining finished

圖8 車站完成雙側壁導坑TBM步進Fig.8 TBM walking in the station side wall pilot holes finished

根據敞開式TBM的機型特點，步進過站又可分為“平底鋼板”和“弧底導軌”兩種方式，此時TBM的步進限界在外輪廓基礎上做了適當放大，既滿足設備順利通行要求，又不會造成多余開挖的浪費。兩種步進方式對空間限界及底部預留條件的要求如圖9、圖10。

圖9 TBM“平底鋼板”步進限界Fig.9 TBM walking delimitation of flat base steel plate

圖10 TBM“弧底導軌”步進限界Fig.10 TBM walking delimitation of arc base guide rail

3.2.2 TBM 掘進過站

TBM掘進過站與區間正常掘進的方式一致，為保證快速掘進，TBM盡量不要在洞內停機等待，因此若車站不具備步進過站條件，則TBM采取直接掘進過站，車站后期擴挖。掘進過站分以下幾種型式:

1)車站部分開挖，TBM掘進過站

當TBM到達時車站未完成全部開挖，需提前對車站的施工組織進行調整，達到車站剩余部分適合TBM掘進通過的條件，并在站端施做TBM臨時接收洞及始發洞，以便TBM安全進出車站(圖11)。

圖11 車站部分開挖，TBM掘進過站示意Fig.11 TBM driving through of station excavation partly

2)車站未開挖，TBM掘進過站

由于暗挖車站存在地表征地協調等問題，因重慶高低起伏地形條件，暗挖車站的施工通道一般均較長，當TBM到達車站時，車站因外界條件影響若尚未進行主體開挖，則TBM直接掘進過站，該方案一般適用于TBM始發后的前1～2座車站(圖12)。

圖12 車站未開挖，TBM掘進過站Fig.12 TBM driving through of station excavation not yet

3)車站調整工序，TBM掘進過站

若TBM到達車站前，車站具備一定的施工時間，為保證TBM過站后區間及車站均能繼續施工，車站需調整工法。根據地質及周邊條件，暗挖單拱大跨車站可采用“先拱后墻”法，即先期進行拱部開挖，與區間預留一定的安全距離，TBM于車站下部掘進通過。后期車站可進行拱部襯砌，也保證了TBM正常的運輸通道，有利于總工期(圖13)。

圖13 車站“先拱后墻”開挖，TBM掘進過站Fig.13 TBM driving through of station early arch late wall excavation

4 TBM過站施工

重慶軌道交通6號線1期工程于2009年初全面開工，2012年底建成通車試運營。TBM于2009年9月到場，2009年12月完成組裝、調試并開始正式掘進，2011年7月底完成1期土建工程。由于TBM前期論證、設備選型、機器制造、運輸、組裝、調試等原因將花費12～14個月左右的時間，且TBM始發后，陸續到達每座車站尚需經過區間掘進的過程，因此，對于紅旗河溝、花卉園、光電園3座暗挖車站及大龍山、冉家壩2座明挖車站，車站施工可為TBM步進過站創造條件;紅土地站為TBM始發后所經過的第1座暗挖車站，自身施工時間較短，TBM過站后又要持續占用車站空間，故紅土地站工期壓力很大，因此采用“先拱后墻”法，TBM掘進過站。黃泥滂站為TBM經過的第2座暗挖車站，工期相對充足，車站自身體量也較小，TBM到達時可完成雙側壁導坑開挖，TBM步進通過，后續車站工期也滿足要求。根據工程籌劃及現場施工情況，TBM具體過站方案如下。

4.1 掘進過站

紅土地站于2009年7月開工，TBM于2010年2月到達，2010年11月TBM于大龍山站轉場。為保證區間正常施工，車站主體部分在2010年2月—2010年11月的9個月期間將無法施工。

為滿足車站剩余土建施工的要求，紅土地站采用“先拱后墻”工法，即TBM到站前先進行車站拱部土體的開挖，與區間預留不小于3.0 m安全土柱，TBM到達后直接掘進過站，車站可繼續拱部開挖，最終與區間預留1.0m土柱，施做臨時底板，之后車站可進行拱部襯砌，待TBM于大龍山站轉場后，再進行下部土體的開挖及襯砌，如圖14～圖17。

圖14 車站拱部開挖，TBM掘進通過Fig.14 TBM driving through of station arch excavation

圖15 車站拱部襯砌Fig.15 Station arch lining

圖16 車站襯砌完畢Fig.16 Station lining finished

圖17 現場“先拱后墻”法施工Fig.17 Early arch late wall construction in site

4.2 步進過站

黃泥滂站于2009年7月開工，TBM于2010年4月到達，車站完成主體雙側壁導坑開挖，具備步進通過條件。花卉園站于2009年3月開工，TBM于2010年8月下旬到達，車站可完成主體襯砌，為滿足TBM步進通行的要求，暫不能澆筑站臺板，如圖18～圖21。

圖18 車站完成雙側壁導坑TBM步進Fig.18 TBM walking through station with side wall pilot holes finished

圖19 TBM步進過黃泥滂站Fig.19 TBM walking through Huangnipang station

圖20 車站完成主體襯砌TBM步進Fig.20 TBM walking through station with main body lining finished

圖21 TBM步進過花卉園站Fig.21 TBM walking through Huahuiyuan station

4.3 步進過明挖車站中板

大龍山、冉家壩站為5、6號線的同站臺換乘站，5、6號線分別位于車站一側，上下兩層布置。兩個明挖站分別于2009年4月、6月開工，TBM分別于2010年11月、2011年2月到達，此時車站主體工程已完工。右線TBM在車站中板上通過，因TBM設備龐大、主機較重，步進作用于中板的荷載遠遠大于后期運營的荷載，因此需選擇適合的TBM步進方式，并對車站結構進行加強設計。結合TBM步進過站的受力特點，過中板采用“弧底導軌”方式，過底板采用“平底鋼板”方式，見圖22。

圖22 TBM步進過大龍山、冉家壩站示意Fig.22 TBM walking through Dalongshan and Ranjiaba station

TBM中板步進采用弧形底面設上翻梁預埋導軌、梁下設鋼管支撐的方式，可有效的對板上荷載進行均布并通過鋼管支撐向下傳遞，此步進方式的荷載分布如下。

4.3.1 縱向荷載分布

根據TBM設備參數，主機步進時荷載主要集中于3部分:①機頭作用合力350 t，縱向作用長度為2 m;②水平支撐靴作用合力250 t，縱向作用長度2.5 m;③TBM后下支撐作用合力150 t，縱向作用長度1.5 m。TBM機頭架與水平撐靴作用點縱向間距約10 m，水平撐靴與后支撐作用點縱向間距約7 m，見圖23。

圖23 TBM主機荷載分布Fig.23 TBM main machine load distribution

TBM機頭荷載通過預埋在弧型底面上的兩根43 kg鋼軌向下傳遞，鋼軌橫向間距2.59 m，圓心角48°。TBM步進時，機頭在鋼軌上滑移，即①荷載始終作用，撐靴處的步進架和后支撐即②和③荷載交替作用。

4.3.2 中板結構支撐方案

沿TBM步進方向中板縱向設兩道暗梁，梁下預埋鋼板及螺栓與鋼管支撐連接，鋼管支撐間距4 m，設縱、橫向鋼撐，間隔設縱、橫向剪刀撐，底板對應部位預埋鋼板及螺栓與鋼管支撐柱腳底板連接，保證中板、鋼支撐體系完全接觸，形成對TBM荷載的有效傳遞。TBM步進過車站中板時，需對中板自身的強度、下部支撐的受力及明挖車站的整體穩定性進行結構計算(圖24)。

圖24 TBM步進過明挖車站中板計算模型Fig.24 TBM walking through middle slab of open excavation station

采用以上TBM步進及中板加固方案后，順利實現了TBM的中板步進，整個步進過程安全可控，保證了中板結構的安全無損。相比車站主體加寬及TBM于站端起吊等過站方式，本次選擇TBM直接在中板上步進，從工期、效率上均具有巨大的優勢，并節省了車站大量的土建投資(圖25、圖26)。

圖25 TBM步進過大龍山站中板Fig.25 TBM walking through middle slab of Dalongshan station

圖26 中板下方設鋼管支撐Fig.26 Steel pipe bracing under the middle slab

4.4 車站調整開挖滿足TBM步進

紅旗河溝車站為3、6號線的十字島側換乘站，3號線在上，6號線在下，兩線十字交叉處共用一個站廳層，6號線為側式站臺，線間距4.75 m。

原工程籌劃當TBM到達紅旗河溝站時，車站能夠完成共建段襯砌、6號線車站范圍的雙側壁導坑開挖以及車站兩端的鉆爆法區間開挖，TBM可步進過站。隨著施工進展，車站工期有所滯后，為此，車站及時調整工法，將共建段及車站大里程端完成開挖及初期支護，為確保安全先增設臨時支撐，車站小里程端無法完成開挖，只能先期完成兩個“眼鏡”式導洞，以滿足TBM步進通過要求。待TBM過站并在大龍山站轉場后，再將車站及區間剩余土建工程施工完畢，如圖27、圖28。

圖27 TBM步進過車站范圍“眼鏡”導洞Fig.27 TBM walking through glasses pilot hole in station

圖28 TBM步進過車站共建段Fig.28 TBM walking through station together construction area

5 結論

通過對重慶軌道交通6號線1期工程敞開式TBM過站技術進行研究，結合現場施工過程，可得出如下結論:

1)根據地鐵工程特點，當敞開式TBM應用于城市地鐵工程時，不可避免的要遇到過車站問題，如何解決好過站問題是決定TBM能否在城市軌道交通中成功應用的關鍵所在。

2)應根據全線工程籌劃確定TBM具體到達每個站的過站方式。一般情況下TBM過站后為保證后續出碴進料運輸通道的暢通，車站主體部分均不能繼續開挖，待TBM施工轉場或完成掘進后，車站再進行剩余土建工程的施工。

3)TBM過站方式可分為掘進過站、步進過站及掘進、步進相結合過站3大類，根據全線工程籌劃選取合適的過站方式，要確保區間及車站總工期均滿足要求。

4)提前做好TBM過站預案，對既定工程籌劃定期比對，指導現場動態施工，保證TBM在洞內不停機、不等待、安全快速過站。

5)TBM步進過站時，車站兩端一般均要做接收洞及始發洞，以確保TBM安全進、出站。對車站底板，TBM采取“平底鋼板”方式步進，對明挖車站中板或上下重疊的上洞區間，TBM采取“弧底導軌”方式步進，以保證結構受力安全。

6)因敞開式TBM一次性施工距離較長，應在區段選擇適當位置進行TBM轉場，可徹底將TBM與轉場前的車站脫開，實現區間與車站無干擾施工，有利于保證總工期。

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