雙護盾TBM在深圳地鐵應用中存在的問題及對策

宋天田， 李宏波， 陳 崗

(1. 深圳市地鐵集團有限公司， 廣東 深圳 518000； 2. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450000； 3. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

自世界上第一臺TBM由比利時人毛瑟(Maus)發(fā)明以來，TBM的發(fā)展前后經(jīng)歷了170多年的時間。TBM早期多應用于山嶺隧道的建造，但隨著我國城市現(xiàn)代化進程的加快，越來越多的城市地鐵正在規(guī)劃和建設(shè)。城市地鐵隧道的施工效率是需要重點關(guān)注的問題，雙護盾TBM以其高效安全的施工優(yōu)勢，正在我國越來越多的城市地鐵隧道施工中被積極研究和探索[1-3]。

自深圳地鐵3期工程在地鐵10號線孖雅區(qū)間隧道首次引入雙護盾TBM施工以來，目前在建深圳地鐵6號線羊臺山隧道、6號線民樂停車場出入線隧道、6號線梅翰區(qū)間隧道、8號線梧沙區(qū)間隧道等都選用了雙護盾TBM進行建造，深圳在建工程使用的雙護盾TBM共計12臺。雙護盾TBM在深圳地區(qū)的應用出現(xiàn)了一些具有代表性的工程難題，如極限小轉(zhuǎn)彎半徑施工、場地限制始發(fā)、極硬巖施工及穿越斷層破碎帶等。針對類似問題，吳俊等[4]對大連地區(qū)極硬巖地層刀具磨損問題進行研究，研究了刀具磨損機制，并建立了偏最小二乘回歸刀具磨損預測模型。杜立杰[5]系統(tǒng)地研究了TBM在極硬巖地層施工過程中，刀盤面板不同刀位的磨損規(guī)律，為工程換刀提供了指導。劉港[6]采用有限元分析方法對小轉(zhuǎn)彎半徑隧道施工變形進行了分析，為小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的設(shè)計和施工提供依據(jù)。孫鵬[7]為了解決地鐵隧道施工中小轉(zhuǎn)彎半徑曲線始發(fā)的問題，結(jié)合實際工程提出了應對措施，尤其是對分體始發(fā)位置的確定等問題做了詳細的探討，為今后的地鐵施工中小轉(zhuǎn)彎半徑曲線始發(fā)提供技術(shù)支持。徐楊[8]結(jié)合青島地鐵穿越斷層破碎帶實例，研究了地鐵隧道施工時圍巖產(chǎn)生的應力場、位移場的變化，分析開挖卸荷的動態(tài)過程和差異性特征，總結(jié)了隧道圍巖變形特征及主要影響因素。陳劍等[9]結(jié)合青島地鐵區(qū)間隧道穿越斷層破碎帶時發(fā)生突水涌砂地質(zhì)災害實例，對富水斷層破碎帶突水涌砂原因及力學形成過程進行分析，保證了隧道順利通過突水涌砂段。

上述研究主要集中在數(shù)值分析及模型建立上，理論性研究居多，對工程問題缺乏指導性和針對性。本文首先概述了雙護盾TBM在深圳地區(qū)的應用特點和要求，然后結(jié)合雙護盾TBM在深圳地鐵不同工程區(qū)間的應用狀況，對雙護盾TBM在深圳地鐵施工中面臨的場地限制始發(fā)難題、R260 m極限小轉(zhuǎn)彎半徑施工難題、210 MPa極硬巖施工及穿越斷層破碎帶等典型工程難題展開研究，總結(jié)雙護盾TBM在城市地鐵施工中存在的問題及對策，以期為推廣雙護盾TBM在城市地鐵施工和提升裝備的地質(zhì)適應性設(shè)計提供參考。

1 雙護盾TBM原理及在深圳地區(qū)應用需求

1.1 雙護盾TBM工作原理

雙護盾TBM主要由裝有刀盤及刀盤驅(qū)動裝置的前盾、裝有支撐裝置的支撐盾、連接前盾和支撐盾的伸縮盾和安裝預制混凝土管片的尾盾組成，如圖1所示。雙護盾TBM具有雙護盾和單護盾2種掘進模式，在硬巖中采用雙護盾模式，掘進時通過撐靴緊撐在洞壁上，為刀盤和前盾提供反力，掘進與安裝管片能同時進行，施工速度快； 在軟弱圍巖中采用單護盾模式，此時撐靴收回，依靠輔助推進油缸支撐在管片上提供的反力向前推進，此時TBM掘進與管片安裝不能同步。

圖1 雙護盾TBM結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 深圳地區(qū)雙護盾TBM應用需求

雙護盾TBM在城市地鐵施工中始發(fā)場地狹小，且受地下管線密集、地面建(構(gòu))筑物影響，結(jié)合深圳地區(qū)已應用的雙護盾TBM工程進行分析，得出雙護盾TBM在深圳地區(qū)的應用需滿足以下條件。

1)深圳地區(qū)應用的雙護盾TBM始發(fā)場地狹小，空間受限，多采用豎井分體始發(fā)。要求雙護盾TBM整機各部件能夠方便拆解、運輸和吊裝。

2)深圳地鐵隧道穿越地層以中、微風化花崗巖為主，部分區(qū)間巖石石英含量高、抗壓強度普遍較高，單軸抗壓強度在70～220 MPa。要求雙護盾TBM刀盤刀具具有滿足極硬巖工況掘進的針對性設(shè)計。

3)深圳作為我國最發(fā)達城市之一，地上建(構(gòu))筑物密集，地下管線復雜，地鐵線路的規(guī)劃和設(shè)計普遍面臨小曲率半徑施工問題。要求雙護盾TBM具有能夠滿足極限小轉(zhuǎn)彎半徑的針對性設(shè)計。

4)深圳地區(qū)地質(zhì)復雜，從目前在建及規(guī)劃的地鐵線路看，多數(shù)隧道施工區(qū)段會遇到斷層破碎帶。要求雙護盾TBM在設(shè)計時，需要針對斷層破碎帶設(shè)計針對性的輔助配套處理設(shè)備，避免卡機風險。

5)依據(jù)GB 50490—2009《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》要求，地鐵主體結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為100年，隧道管片成型綜合質(zhì)量是一個重要關(guān)注點。要求雙護盾TBM設(shè)備需要配置安全便捷的輔助施工設(shè)施，如管片拼裝設(shè)備、豆粒石回填設(shè)備、注漿設(shè)備等，確保隧道管片成型質(zhì)量。

2 深圳地鐵雙護盾TBM的應用

在我國所有選用雙護盾TBM工法修建地鐵的城市中，深圳地區(qū)雙護盾TBM工法的應用最為廣泛。通過雙護盾TBM在深圳地鐵6號線、8號線及10號線的應用，解決了雙護盾TBM始發(fā)、極限小轉(zhuǎn)彎半徑施工、穿越極硬巖及斷層破碎帶等工程難題。

2.1 分體始發(fā)

深圳地鐵6號線梅翰區(qū)間始于翰林站，側(cè)穿新彩隧道，下穿廈深鐵路，上跨東江飲水干道，下穿南坪快速路后到達梅林關(guān)站。由于始發(fā)場地狹窄且受始發(fā)后導洞長度的限制，通過分體始發(fā)技術(shù)解決了雙護盾TBM始發(fā)難題。雙護盾TBM分體始發(fā)如圖2所示。

圖2 雙護盾TBM分體始發(fā)示意圖(單位： mm)

Fig. 2 Sketch of double-shield TBM separate launching (unit: mm)

雙護盾 TBM 分體始發(fā)需實現(xiàn)與正常始發(fā)相同的功能。以深圳地鐵6號線梅翰區(qū)間左線為例，雙護盾TBM分體始發(fā)步驟如下：

1)將4#—10#臺車下放至車站右線底板或地面上，并將設(shè)備橋及1#—3#拖車下放至左線底板上。

2)將主機吊裝下井組裝后，3#、4#拖車之間采用延長管線連接，整機開始調(diào)試。

3)主機及1#—3#拖車開始步進，直至刀盤與掌子面接觸。

4)拆除3#、4#拖車之間的延長管線，拆除4#—10#拖車之間的連接管線，將4#—10#拖車移至左線底板上，再次連接4#—10#拖車之間的管線，用延長管線連接3#—4#拖車，整機調(diào)試后利用始發(fā)井出渣進料再次始發(fā)。

5)雙護盾TBM向前掘進70 m后，拆除延長管線，將4#—10#拖車移至暗挖隧道內(nèi)，再次連接3#—10#拖車之間的管線，整機調(diào)試后再次始發(fā)掘進。

雙護盾TBM采用分體始發(fā)需要提前設(shè)計好方案，在掘進過程中需適時調(diào)整掘進參數(shù)，控制好掘進姿態(tài)，加強測量校準。

2.2 極限小半徑施工

深圳地鐵6號線民樂停車場出入線隧道起點為翰梅區(qū)間，出區(qū)間后以R1=300 m曲率半徑往西轉(zhuǎn)，沿塘朗山西行1 km后以R2=260 m曲率半徑往東轉(zhuǎn)接入民樂停車場線路。TBM始發(fā)端即為R260 m的小半徑曲線，且穿越地層為全斷面微風化花崗巖，巖石強度高。該工況下的小半徑施工難度極大。民樂停車場出入線隧道工程如圖3所示。

圖3 民樂停車場出入線隧道工程示意圖

Fig. 3 Sketch of entrance and exit line tunnel project of Minle parking lot

在R260 m極限小半徑施工中，分別針對小半徑施工步進、刀具磨損及測量頂臺振動做了以下研究。

2.2.1 小半徑施工步進

由于單洞雙線隧道二次襯砌施工已完成，雙護盾TBM刀盤與二次襯砌結(jié)構(gòu)面最小距離僅10 cm，且礦山法段斷面形式變換頻繁，雙護盾TBM在R260 m小半徑上空推極易出現(xiàn)空間受限及步進受阻問題。為保證雙護盾TBM順利通過該區(qū)域，應預先模擬分析干涉區(qū)域，過程中需重點對凈空斷面較小區(qū)域加強測量，找出相對位置關(guān)系，精準控制導臺軌面高程。雙護盾TBM在R260 m小半徑空推的工程現(xiàn)場如圖4所示，雙護盾TBM輪廓線與二次襯砌位置關(guān)系如圖5所示。

圖4 雙護盾TBM在R260 m小半徑上空推

Fig. 4 Double-shield TBM advancing without force with a small radius of 260 m

空推步進前需提前預埋反力孔套筒并保證反力架孔孔深，非標準截面導臺兩側(cè)植筋，混凝土澆筑平齊軌面以提高側(cè)向支撐力，確保導臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。步進裝置如圖6所示。在實際步進過程中，由于預埋的鋼盒子變形和埋深不夠，導致導臺混凝土破損、開裂使步進受阻，后續(xù)類似工程可以考慮雙排反力支撐、加深鋼盒子預埋深度。

2.2.2 刀具磨損消耗規(guī)律

左線和右線小半徑曲線段非正常磨損換刀分別占總體換刀比例的18%和21%，小半徑曲線段每延米刀具損耗量左線為2.04把，右線為2.70把，如圖7所示。左線和右線直線段非正常磨損換刀分別占總體換刀比例的10%和15%, 每延米刀具損耗量左線為2.38把，右線為2.04把，如圖8所示。

圖5 雙護盾TBM輪廓線與二次襯砌位置關(guān)系示意圖

Fig. 5 Sketch of positional relationship between double-shield TBM contour and secondary lining

圖6 步進過程及步進裝置

(a) 左線

(b) 右線

Fig. 7 Cutting tool consumption ratio of curved section with small radius on left and right lines

(a) 左線

(b) 右線

Fig. 8 Cutting tool consumption ratio of straight section with small radius on left and right lines

由于曲線段推進刀具偏磨的原因，小半徑曲線段刀具磨損消耗更多，左、右線異常損耗換刀量占比小半徑曲線段明顯高于直線段，小半徑曲線段施工刀具損耗更頻繁。小半徑曲線段平均每17.54 m需停機換刀，直線段平均每26.9 m需停機換刀。因此，可合理組織換刀及刀具檢修時間，提高施工效率。

2.2.3 測量頂臺振動問題

小半徑曲線施工換站空間狹小，每次人工導線點引至全站儀處要多次轉(zhuǎn)站，始發(fā)段為R260 m的小曲線半徑洞內(nèi)導線布設(shè)困難； 且雙護盾TBM在全斷面微風化花崗巖中掘進振動大，導致測量導向系統(tǒng)頂臺不穩(wěn)定，頂臺隨著管片振動，傳統(tǒng)的全站儀固定方式不滿足測量需要。

通過對測量頂臺的改進，成功解決了因振動大而無法測量的問題，改進后的測量頂臺如圖9所示。要求測量頂臺高度方向上盡可能低，頂臺架圓盤中心距管片豎向高度在46 cm左右，當1根錨桿無法滿足頂臺固定要求時，可以采用多根錨桿加強固定。針對振動測量問題，在深圳地鐵其他項目上也有設(shè)置封閉環(huán)解決振動的成功案例，施工過程中可依據(jù)現(xiàn)場實際情況靈活采用。

2.3 極硬巖施工

深圳地鐵6號線羊臺山隧道巖性為致密微風化花崗巖，補勘巖芯檢測報告顯示平均單軸抗壓強度為180 MPa，最大為210 MPa，石英含量高達70%，取芯測試如圖10所示。城市地鐵在該級別強度巖石中施工難度極大。

(a) 傳統(tǒng)頂臺 (b) 錨桿頂臺

圖10 取芯測試

2.3.1 硬巖段施工問題

通常采用巖石單軸抗壓強度Rc來判斷TBM開挖圍巖的難易程度，國內(nèi)外針對巖石單軸抗壓強度與掘進速度的擬合關(guān)系曲線如圖11所示[10-16]。

圖11 單軸抗壓強度和掘進速度關(guān)系曲線

Fig. 11 Fitting relationship curve between uniaxial compressive strength and tunneling speed

1)當Rc>150 MPa時，巖石可掘進性差，刀具磨損嚴重，掘進效率低。

2)當30 MPa

3)當Rc<30 MPa時，巖石強度低且大多位于不良地質(zhì)帶，圍巖穩(wěn)定性差，容易發(fā)生坍塌。

羊臺山隧道硬巖區(qū)域巖石單軸抗壓強度高達210 MPa，屬于極硬巖。該區(qū)段施工刀具磨損消耗劇烈，換刀頻繁，破巖難度極大。

2.3.2 刀盤針對性設(shè)計

刀盤面板設(shè)計上采用270 mm鍛造鋼板，保障刀盤正面強度； 連接法蘭采用340 mm鍛造鋼板，保證刀盤抗傾覆能力； 刀盤面板覆蓋耐磨鋼板，增強刀盤耐磨性能； 正面及邊緣滾刀選用48.26 cm大尺寸滾刀，增強破巖能力。此外，考慮到小刀間距有利于破巖，能夠有效降低刀盤振動，中心刀刀間距設(shè)置為89 mm，正滾刀刀間距設(shè)置為86、82 mm，如圖12和圖13所示。

圖12 羊臺山隧道刀盤設(shè)計

圖13 刀間距設(shè)置示意圖(單位： mm)

盡管刀盤已針對工程硬巖段進行了針對性設(shè)計，但由于隧道圍巖的完整性好、巖石強度高，導致TBM掘進貫入度小，調(diào)整推力無明顯改善。在此區(qū)域刀盤轉(zhuǎn)速為6.3 r/min，主推力為13 500 kN，貫入度為1.0～3.0 mm/r，掘進速度為7～18 mm/min。通過提高轉(zhuǎn)速，依靠高轉(zhuǎn)速來沖擊破巖的效果較差，貫入度較小。極硬巖施工是整個隧道區(qū)間的施工難題。

右線TBM掘進1 359 m時換刀338次，更換滾刀1 335把，報廢48.26 cm刀圈1 167個、擋圈1 221個、軸承246個、密封圈147套，共計使用139把48.26 cm單刃滾刀，預計隧道掘進完成刀具費用約為1 836萬，每延米消耗約4 500元，刀具成本巨大。因此，刀具優(yōu)化改造十分重要。

2.3.3 刀具優(yōu)化設(shè)計

從材料、熱處理工藝及刀具刃形方面對刀具做了如下改進。

1)刀具材料改進。材料的改進與熱處理工藝的改進是為了提高刀圈的硬度和沖擊韌性，其中硬度是耐磨性的指標，沖擊韌性是抗沖擊的指標，一味地提高硬度會降低刀圈沖擊韌性，兩者需要相互平衡以提升刀圈綜合性能。經(jīng)過刀具原材料和熱處理工藝優(yōu)化后，刀圈中硫S含量≤0.003%，磷P含量≤0.015%，達到超級特種鋼標準，保證了刀圈材料質(zhì)量。在熱處理中，保證抗拉強度Rm在1 550 MPa時,材料含硫量由0.005%降低到0.003%,此時沖擊韌度提高至約13 J。

2)刀具刃形優(yōu)化。隨著刀具磨損，滾刀尖刃楔形截面因鈍化導致破巖效率低，因此，應對刀具刃形進行適度鈍化，增加刀刃的寬度，優(yōu)化刀具雙側(cè)曲面的過渡線。優(yōu)化前和優(yōu)化后的刀具刃形如圖14所示。

(a) 優(yōu)化前 (b) 優(yōu)化后

2.3.4 實施效果分析

刀具優(yōu)化后，在設(shè)備整體負荷總推力降低的情況下，提高了貫入度和設(shè)備的掘進速度，降低了刀具的更換頻率。44#邊刀從掘進10環(huán)更換優(yōu)化為掘進16環(huán)更換，28#面刀從掘進40環(huán)更換優(yōu)化為掘進58環(huán)更換。刀具優(yōu)化前后的參數(shù)如表1所示。

表1 刀具優(yōu)化前后參數(shù)

2.4 穿越斷層破碎帶

現(xiàn)有設(shè)計及地勘資料表明，深圳地鐵在建和規(guī)劃的線路基本上都會遇到斷層破碎帶問題。深圳地鐵8號線梧沙區(qū)間存在4條斷層破碎帶，6號線羊臺山隧道存在2條斷層破碎帶，10號線孖雅區(qū)間存在2條斷層破碎帶。雙護盾TBM穿越斷層破碎帶過程中，由于圍巖不穩(wěn)定極易遇到掌子面失穩(wěn)、卡機等風險。一旦出現(xiàn)卡機事故，不僅會導致施工成本增加，而且會延誤工期。

合理的預處理措施和掘進參數(shù)是保證雙護盾TBM順利通過斷層破碎帶的前提，以深圳地鐵8號線梧沙區(qū)間為例，通過超前地質(zhì)處理和掘進參數(shù)控制，TBM順利通過斷層破碎帶。在雙護盾TBM通過F6地質(zhì)斷層，進入地質(zhì)勘查斷層前50 m時，應停機進行TBM設(shè)備檢修，確保通過地質(zhì)斷層時設(shè)備運行良好； 同時，采用超前鉆孔探測前方圍巖情況，根據(jù)圍巖情況進行超前注漿，注漿范圍控制在1倍洞徑范圍以上，如圖15所示。TBM通過地質(zhì)斷層時，每掘進完成1環(huán)，需要檢查掌子面圍巖以確定實際圍巖情況。雙護盾TBM穿越斷層過程中推力控制在5 500～8 000 kN，推進速度控制在46～52 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為6.2～6.6 r/min。

圖15 超前注漿示意圖

在實際施工中，合適的預處理措施及設(shè)備參數(shù)設(shè)置能夠起到避免卡機的目的，通常針對不同的斷層破碎帶可以采取以下策略[17-19]。

1)通過超前地質(zhì)預報及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預告掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇掘進參數(shù)、支護設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)。

2)斷層破碎帶規(guī)模較小時，可以不進行預處理，采用快速掘進方法直接通過，盡可能不停機或減少停機時間，以防TBM刀盤被卡。

3)斷層破碎帶規(guī)模較大，采用直接掘進的方法無法通過時，可對刀盤前方破碎巖體進行預處理加固后通過。斷層破碎帶規(guī)模特別大時，可采用超前導洞、繞洞等輔助施工措施提前處理，然后空推通過。

3 結(jié)論與討論

1)針對雙護盾TBM因始發(fā)場地狹窄且受始發(fā)后導洞長度限制的問題，提出了一種分體始發(fā)方案，解決了雙護盾TBM始發(fā)難題。

2)針對雙護盾TBM極限小轉(zhuǎn)彎半徑工程難題，提出了步進控制措施及測量頂臺振動解決方案，保證了雙護盾TBM順利通過小轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)段。

3)針對雙護盾TBM極硬巖掘進工程難題，提出了設(shè)備針對性設(shè)計和刀具優(yōu)化改造方案，保證了雙護盾在極硬巖工況下的高效掘進。

4)針對雙護盾TBM在城市地鐵施工穿越斷層破碎帶難題，提出了通過不同大小斷層破碎帶的應對策略，保證了雙護盾TBM順利通過斷層破碎帶。

通過上述工程難題研究，證明了雙護盾TBM在深圳地鐵應用的可行性。建議后續(xù)地鐵雙護盾TBM選型時，預先對工程地質(zhì)難題做好詳細勘探，并考慮從裝備的針對性設(shè)計方面來解決工程難題。