斜井在雙護盾TBM快速施工中的應用

劉秋雨，李建寧

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 5180 52）

1 工程概況

深圳地鐵10號線孖嶺站—雅寶站區間TBM區間左線全長3872．236 m；右線全長3869．350 m。區間線路隧道埋深16．40～232．68 m。區間隧道最大埋深232．68 m，最小埋深16．40 m，區間隧道洞身范圍穿越地層主要微風化混合巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖，巖石強度主要為100～130 MPa。采用2臺TBM施工，隧道開挖尺寸6．5 m。TBM始發井尺寸 19．0 m×29．0 m，深 45 m。

2 工程周邊環境

2.1 狹小場地與TBM快速掘進不匹配

始發井位于皇崗立交橋匝道之間，四面被路與匝道橋包圍，如圖1所示。始發井及2臺TBM施工場地面積不足2000 m2，且場地不規則利用率低，不能滿足2臺TBM快速掘進場地渣土臨時堆放與管片存放等需求。

圖1 TBM始發井平面位置

2.2 深而小的始發井與TBM快速掘進不匹配

TBM始發井尺寸 19．0 m×29．0 m，深 45 m，加上地面門吊高度達56 m高，是普通車站始發高度的2倍（見圖2）。地面條件：三面沒空間，只有向東側有布置軌道條件，則整個場地只能布置1臺龍門吊。

圖2 TBM始發井剖面

2.3 快速掘進與垂直提升匹配計算

1）龍門吊出渣時間計算

根據基坑深度45 m，垂直提升高度為50 m（45 m＋5 m），5 m為門式起重機提升至地面滿足翻轉卸渣的高度。按照龍門吊提升高度50 m計算，主鉤重載實際起升速度平均7 m／min。副鉤實際升降機速度平均10 m／min。每掘進一環理論所需時間如表1所示。

表1 龍門吊每掘進一環理論所需時間

通過上表得知龍門吊每天在滿負荷的情況下最大掘進8環，根據實際掘進龍門吊的最大有效利用率只能達到滿負荷的75%，每天實際完成6環。

2）TBM掘進速度平均按20 mm／min計算

TBM最高設計速度120 mm／min，TBM掘進速度暫按20 mm／min計算，管片1．5 m，每環掘進時間為75 min，按照理論計算每天完成環數為19環，實際掘進取理論的75%，每天每臺完成14環，2臺每天需完成28環。

通過對比可知：則龍門吊出渣每天滯后約22環，后期2臺實際掘進最高40環／d，平均22環／d。

3 出渣方案對比與選擇

3.1 出渣方案對比與選擇

地鐵TBM配套出渣方式：龍門吊垂直提升為主，皮帶多運用于長大山嶺隧道。通過計算可知：門吊垂直提升已無法滿足TBM快速掘進需求。如用皮帶運輸需水平轉垂直，垂直提升困難且垂直提升噪聲與粉塵大，受場地及環保等制約無法實施。

通過對現場周邊環境調查，充分利用城市臨時用地與地質本身特點施作斜井作為TBM的出渣通道。斜井與正線平面位置關系如圖3所示。

圖3 斜井與正線平面位置

3.2 斜井選線方案對比與選擇

圖3中黑色虛線是首選斜井線路，距離短且直接連接始發井后導洞，便于施工組織。但該方案距既有小區太近，且地勘揭示地質復雜多變，且多為軟弱地層，施工周期長，安全風險大。紅色實線遠離小區，垂直山體進入正線，地質條件好，多為中、微風化巖，缺點是存渣擴大區在始發井前方200 m，此段需用始發井垂直出渣效率低。綜合評估選紅色實線方案。通過后期施工表明此方案較優。

4 關鍵技術研究與施工

4.1 斜井出渣能力計算

TBM斜井長度約515 m，斜井斷面尺寸7．0 m×6．0 m，斜井與區間斷面相交處尺寸加寬加高，斷面尺寸12．0 m×6．0 m，加寬段長度為 37 m，左右線隧道凈距9．7 m。現場配置1臺柳工50裝載機裝渣，自卸渣車水平運輸方式進行出渣。斜井加寬段斷面尺寸如圖4所示。

圖4 斜井擴大段斷面

1）翻渣臺翻渣時間計算

TBM設計開挖直徑為6500 mm，管片設計寬度為1500 mm，取松散系數 k＝1．8，TBM掘進每環管片的出渣量為：

TBM掘進按照20 mm／min的掘進速度計算，單環掘進時間平均90 min，電瓶車運輸平均耗時14 min、每節渣箱翻渣時間為5 min，6節渣箱總共耗時30 min，考慮左右線同時翻渣的情況下，斜井翻渣滿足要求。

2）裝載機出渣、自卸渣車運輸時間計算

斜井裝渣采用柳工ZL 50C裝載機，因為石渣中含水，需先卸至斜井渣坑中將水瀝干再外運，故運輸設備選用12 m3的自卸車。裝載機側卸時高度為4800 mm，斜井擴大段地板與拱頂距離為5500 mm，高度滿足施工要求。擴大段凈寬11．6 m，裝載機和泥頭車并排裝渣滿足要求。

自卸渣車容量12 m3，裝載機的斗容量3 m3，掘進一環需出渣89．5×2（左右線同時翻渣）＝179 m3，自卸渣車需要運輸15車。裝車時間5 min／車，運完左右線同時傾倒的渣土需要75 min，滿足施工需求。

4.2 電瓶車軌線設計

4.2.1 軌面標高控制

區間隧道在TBM始發段里程DK 7＋900—DK 8＋500段600 m沿掘進方向為27‰上坡，在實際施工中出于安全考慮，道岔、翻渣臺安裝坡度越小越有利，門吊對豎井底部吊裝平臺要求更高，同時考慮運輸、卸渣功效及故障處理難易程度，在綜合比選不同道岔位置安裝方案后，最終確定方案如下。

將后導洞至斜井段323 m進行了6次調坡，其中最大縱坡32‰，最小縱坡0，道岔位置及翻渣臺位置坡度分別為15‰和11．7‰。雙軌運輸斜井翻渣電瓶車軌面線設計如圖5所示。

圖5 雙軌運輸斜井翻渣電瓶車軌面線設計

4.2.2 洞內道岔安裝

1）安裝位置 根據現場實際情況，道岔安裝在豎井至翻渣臺之間較為適宜，結合現場實際情況及以往施工經驗，道岔設置在礦山法隧道中空間位置相對充足，為盡量減少錯車距離，道岔安裝在礦山法隧道與成型管片相接位置（里程 YDK 290．658—320．658處）。

2）設備限界 本工程采用60 t電瓶車作為水平運輸拖拽設備，電瓶車總長 9．058 m，輪距 3．2 m，機車前段距離前輪軸心水平距離3．049 m，故在道岔上運行轉彎時車頭會超出正常行駛范圍，為避免機車結構與管片干涉，對電瓶車機頭在道岔上行走實況進行模擬，得出設備限界，依次確定電瓶車軌面標高。洞受機車各種狀態時的限界要求，軌面距離管片底部（管片內表面）結構尺寸如圖6所示。

道岔長度16．09 m，安裝里程為 YDK 8＋381～397，采用A形道岔，岔尖向掘進方向（見圖7），道岔下方采用I 20 H型鋼軌排支撐，軌排間距1 m，軌排之間縱向采用└50×50斜向連接，增加軌排的穩定性。

圖6 電機車限界控制

圖7 A形道岔安裝

4.3 翻渣臺安裝

斜井下穿正線隧道，平面位置與正線隧道呈正交關系，在整個TBM整機通過斜井后，施作翻渣系統及調換側卸是渣車，斜井與正線隧道位置關系如圖8所示。

圖8 斜井與正線位置關系

翻渣臺安裝在里程 YDK 8＋417．2～420．8處，翻渣臺底部澆筑混凝土作為基礎，并在翻渣臺底座受力點預埋鋼板并與其焊接牢固。翻渣臺安裝位置如圖9所示。翻渣臺與隧道位置關系如圖10所示。圖11部分區域為翻渣臺基座侵入隧道開挖輪廓線范圍，在安裝前對權限部位進行松動爆破后鑿除。

翻渣臺投入使用后，施工效率大大提高，出渣效率提高4．33倍。

4.4 左線下方斜井結構施工

由于斜井先施工完成，右線TBM通過時底部為原始基巖，而左線下方斜井已經開挖通過，TBM通過時下部空缺，不能提供足夠的承載力，故在左線下方斜井位置施作結構，TBM掘進過程中從結構梁上通過，左線下方斜井結構施作流程如圖12所示。

5 結語

圖9 翻渣臺安裝位置

圖10 翻渣臺與隧道位置關系

圖11 翻渣臺基礎施工

針對本工程特殊的工程環境，利用斜井通過正線有軌運輸與斜井無軌運輸的結合，克服狹小場地與小深豎井制約，從而使TBM高效掘進得以實現，并取得良好的社會效益和經濟效益。該隧道已雙線貫通，滿足關鍵工期要求。

目前，TBM已在沿海城市地鐵施工中得到應用，并且應用前景廣泛。深圳地鐵又規劃了8條TBM隧道，但在繁華地區，環境復雜，可用于臨時施工用地緊缺，TBM快速掘進與出渣困難的矛盾日趨突出，應進一步研究水平皮帶與垂直皮帶的無縫對接，從而解決根本矛盾。