重慶軌道交通開敞式TBM施工問題及對策

張志勇，關志鵬，陳小平，劉永升

(1．重慶市軌道交通(集團)有限公司，重慶 4 00042;2．重慶市城鄉建設委員會，重慶 4 00014)

0 引言

開敞式TBM具有高效、高速、安全、環保、優質等優點，在國外已被廣泛地應用于地鐵、城市給排水、鐵路、公路等重大工程建設中，國內開敞式TBM也已應用于引水、鐵路隧道的建設中，特別是在長大隧道建設中，開敞式TBM已成為首選施工方法［1］。

在國內城市軌道交通建設中，對于長距離巖層區間隧道，前期大多采用鉆爆法施工［2-3］，如已經開通運營的重慶軌道交通二號線、軌道交通一號線朝天門—沙坪壩段和沙坪壩—大學城段、軌道交通三號線魚洞—江北機場段，地下區間隧道全部采用鉆爆法施工。但鉆爆法施工存在諸多不足，如擾民、對既有建筑物的影響及對環境的影響等。

對于國內普遍采用的可行工法——盾構法［4-6］，在長距離的硬巖地層條件下，存在刀具磨損嚴重、管片錯臺等問題［7-9］，即使采取了改進盾構掘進施工參數和加強刀具等處理措施，但仍然存在掘進速度慢、成洞時間長等缺點。

比較盾構法和開敞式TBM，開敞式TBM不僅具有高效、安全、環保、優質等諸多優點，而且還具有掘進速度快、成洞時間短等優勢。鑒于開敞式TBM的優點和優勢，重慶軌道交通進行了專題研究［10-14］，并在重慶軌道交通六號線一期五里店—山羊溝水庫敞開段TBM試驗段工程中進行了工程實踐。該試驗段工程為開敞式TBM在國內城市軌道交通工程中的首次應用，為城市軌道交通地下區間隧道開創了新的施工工法，也積累了寶貴的經驗和資料。

1 開敞式TBM實踐

1．1 試驗段工程概況

重慶軌道交通六號線一期五里店—山羊溝水庫敞開段TBM試驗段工程位于長江、嘉陵江兩大地表水系匯合的狹長地帶，呈深切割地貌景觀。穿越地層為侏羅系中統沙溪苗組泥巖、砂巖，巖層受構造作用較輕微，構造節理裂隙為較發育至不發育、局部發育，基巖完整性較好;隧道圍巖級別為 ⅠⅠⅠ～ ⅠV 級，ⅠⅠⅠ級圍巖主要為砂巖，飽和抗壓強度為29．9～36．7 MPa，ⅠV級圍巖主要為泥質砂巖，飽和抗壓強度為12．6～17．2 MPa;地表未發現不良地質現象，場地總體穩定;水文地質條件簡單，主要為基巖裂隙水和大氣降水補給。

試驗段工程線路全長約11．69 km，采用2臺美國羅賓斯生產的φ6．36 m開敞式TBM施工，每臺開敞式TBM計劃施工長度為8 261 m(不含步進長度)，出碴采用軌道運輸。試驗段起點位于五里店站始端，終點為山羊溝水庫敞開段。線路位于江北區、渝北區和北部新區3大主城區境內，主要沿主干道五紅路、紅石路和龍山大道地下敷設，途經紅土地站、黃泥磅站、紅旗河溝站、花卉園站、光電園5個暗挖車站和五里店站、大龍山站、冉家壩站3個明挖車站，全部為地下站。

試驗段工程TBM區間開挖斷面設計為圓形，洞室開挖直徑為6．36 m(新刀6．39 m)，采用“錨-網-拱架-噴射混凝土”初期支護+30 cm厚強度為C40、防水等級為P10的鋼筋混凝土二次襯砌。

1．2 試驗段工程實踐

試驗段工程于2008年12月進場施工，2011年12月主體工程全部完工。工程實施過程中，由于未完全達到預定目標，故啟動了既定的鉆爆接應預案，即將光電園—山羊溝水庫敞開段調整為鉆爆法施工，基本完成了項目總體建設目標。2臺開敞式TBM從五里店明挖車站始發，到達大龍山車站進行一次轉場，最后在光電站站前吊出井拆機吊出，沿途共6次過站。試驗段實施過程中，打破了全國城市軌道交通盾構施工月掘進783．6 m的紀錄，而且還創造了全國城市軌道交通TBM日掘進46．807 m、月掘進861．984 m、月平均日掘進27．8 m的3項全國新紀錄。試驗段預期月掘進目標為600 m，但經過綜合計算，左、右線掘進平均月進尺分別為406．76 m和518 m，未達到預期目標。文獻［15］和文獻［16］總結了施工過程中存在的問題及處理措施。表1為開敞式TBM通過試驗段沿線各車站的方式。

表1 開敞式TBM過站方式統計Table 1 Summary of modes of TBM transferring stations

2 試驗段工程中存在的問題及對策

2．1 初期支護較強

2．1．1 存在的問題

試驗段工程為開敞式TBM在國內城市軌道交通項目中的首次應用，沒有類似的項目建設經驗。開敞式TBM區間初期支護設計主要根據既有鐵道設計規范。ⅠV級圍巖初期支護統一采用全環15 cm厚噴射混凝土+仰拱以上3 m長錨桿(間距為1．2 m×0．75 m(環×縱))+間距為75 cm的Ⅰ14工字鋼。本試驗段工程TBM隧道ⅠV級圍巖段達掘進長度的99%以上，致使初期支護的工作量過大，不但增加了工程投資，也導致拱架安裝作業工作量大、作業勞動強度大，噴射混凝土不平、拱架背后易形成空腔、外觀質量差、需要進行二次補噴、噴射混凝土作業環境差等，從而對開敞式TBM的掘進速度有很大影響，也使施工難以達到預期效果。

TB 10003—2005 J 449—2005《鐵路隧道設計規范》和GB 50157—2003《地鐵設計規范》主要統計長期鉆爆法鐵路隧道的項目建設經驗，但開敞式TBM區間隧道施工在圍巖擾動、圍巖損傷等方面較鉆爆法小很多，且隧道為圓形隧道，受力條件好。依據既有鐵道設計規范進行市政工程開敞式TBM區間隧道的初期支護設計偏于保守。

2．1．2 試驗段監控量測成果分析

試驗段施工過程中進行了監控量測，監控量測段長300 m。根據監控量測成果［16］，總結出開敞式TBM區間隧道施工有以下特點:

1)錨桿軸力在徑向深度為0．8 m處最大;在2．0 m處就已經較小，且隨著時間的推移逐漸趨于穩定;3．5 m處的錨桿軸力從初測開始就非常小。

2)圍巖變形一般在5 mm以內，開挖前3 d變形達到最大，7 d后變形基本趨于穩定，鉆爆法施工圍巖變形為開敞式TBM施工的1．5～2．0倍。

3)通過對泥巖、沙巖和泥質砂巖這3種不同地質條件下各斷面的拱頂沉降、水平收斂、錨桿軸力、圍巖位移、圍巖土壓力、混凝土應力、初期支護拱架內力等監測數據進行分析，發現其變化差異很小。

4)初期支護拱架拱頂處的內力最大值為56．7 MPa，比鋼筋應力規范的警戒值和標準值小很多，有較大的安全儲備。

2．1．3 對策

根據調查了解，在鐵路、水工項目采用開敞式TBM施工的隧道完整巖層段基本僅施作錨桿和噴射混凝土，且采用“動態設計、動態施工”。

鑒于上述情況，建議對城市軌道交通開敞式TBM區間隧道初期支護設計進行優化，必要時成立課題組，依托設計單位和試驗監測單位，針對開敞式TBM施工的特點，通過調查國內外開敞式TBM施工經驗，同時在后續開敞式TBM項目中開展相關試驗研究，并結合理論分析，研究城市軌道交通開敞式TBM區間隧道初期支護設計，甚至編制并發布專項設計規范。設計優化主要考慮以下幾方面:

1)適當加大拱架間距，在圍巖完整性好、巖石強度較高的砂巖地段甚至可以取消拱架;

2)噴射混凝土厚度可以適當減小;

3)系統錨桿布置范圍和長度可以適當減小;4)初期支護可以采用“動態設計、動態施工”。

優化初期支護后，可以大大減少作業工作量和縮短作業時間，提高施工質量和TBM掘進速度，縮短施工工期，降低項目建設投資，但會增加施工過程控制的難度。

2．2 單工序作業二次襯砌施工難度大

2．2．1 存在的問題

TBM試驗段工程采用單工序作業(即初期支護和二次襯砌不同步)，在大龍山站進行一次轉場。工程實施過程中，由于未完全達到預定目標，啟動了既定的鉆爆接應預案，基本完成了項目總體建設目標，但也暴露出二次襯砌施工難度極大的突出問題。

TBM在大龍山站轉場后，第1區段掘進施工完成的五里店站—紅土地站—黃泥磅站—紅旗河溝站—花卉園站—大龍山站共10個單洞單線區間隧道需同一時間段集中進行二次襯砌施工，設備、機具、勞動力和混凝土供應等集中組織進場，較短時間內完成后集中退場，各種資源配置不連續，從而導致施工組織難度非常大，工期也很難保證;特別是第2區間大龍山站—冉家壩站—光電園站4個單洞單線區間，由于總體節點工期需要，組織了10臺模板臺車的施工能力(含相適應的設備、機具、勞動力和混凝土供應)，在短短的2個月內集中組織并完成了二次襯砌施工。

2．2．2 對策

研究城市軌道交通開敞式TBM區間隧道采用雙工序作業的可行性(即采用仰拱預制塊，二次襯砌滯后初期支護約300 m進行同步襯砌)，如新疆中天山隧道、西秦嶺隧道均采用2臺開敞式TBM雙工序作業。雙工序作業既能解決TBM轉場后或完成掘進后，多個單洞單線區間需要同一時間段集中組織二次襯砌施工的難題;也能大大縮短初期支護暴露時間，有利于初期支護更進一步優化。但研究時需要重點考慮以下問題:

1)由于軌道交通隧道斷面相對于鐵路隧道斷面較小，如采用雙工序作業，運輸風險會增大，運輸組織難度加大;

2)安裝仰拱塊占用掘進工序時間和二次襯砌同步施工對掘進速度有一定影響，掘進速度會適當降低，綜合掘進速度預計為450～500 m/月;

3)需要設置仰拱預制塊廠，并在TBM掘進前4～5個月開始仰拱預制塊預制工作;

4)需要解決隧道防水和設備前方安裝仰拱預制塊所需的空間問題。

2．3 總體工期控制難度大

2．3．1 存在的問題

TBM試驗段工程由于TBM區間與沿線車站開工時間相差不多，TBM區間施工與車站施工相互干擾，TBM掘進軌道運輸與車站開挖、主體結構施工交叉，無法實現區間與車站平行作業，致使沿線各車站長時間停工或調整工法，總體工期控制難度大。如紅土地車站采用掘進過站，TBM掘進期間無法進行車站下部和二次襯砌施工，致使紅土地車站主體開挖停工13個月;同時，由于TBM試驗段項目全長約12 km，沿線8站8區間，施工過程中的各種變化因素較多，整條線路的工期控制難度大。

2．3．2 對策

1)城市軌道交通開敞式TBM項目較沿線車站提前1～1．5年開工，可大大降低TBM區間施工與車站施工間的干擾，利于項目投資控制和工期控制。

2)城市軌道交通開敞式TBM項目線路長度不宜過長，在4站4區間或3站4區間(線路長6～7 km、掘進長5～6 km)為宜，過程中不組織轉場，施工工期控制在1．5年內;始發應盡量選擇在敞開段，以便開敞式TBM快速始發掘進，在工作量較小的明挖段或者敞開段吊出，以減少受影響車站的數量。

3)做好區域內軌道交通線網開敞式TBM項目總體工程籌劃工作，充分利用既有開敞式TBM設備。

3 結論與討論

通過重慶軌道交通六號線一期五里店—山羊溝水庫敞開段TBM試驗段工程實踐，證明了重慶軌道交通地下區間隧道采用開敞式TBM施工的可行性。開敞式TBM在城市軌道交通工程中的成功應用，對類似工程有很好的借鑒意義，但在TBM試驗段工程實踐中也出現了一些問題。針對這些問題，提出了基于“動態設計、動態施工”優化初期支護設計，采用“同步襯砌”方案組織二次襯砌施工，優化開敞式TBM項目工程籌劃等措施，確保開敞式TBM在試驗段及后期工程中的順利掘進。該試驗段工程的順利掘進，可更好地推進開敞式TBM在城市軌道交通工程中的應用，從而進一步推進我國的軌道交通建設事業。

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