地鐵隧道施工TBM 工法應用策略研究

闞京秋，楊智明

（中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

0 引言

城市化發展推動了交通工程的優化，與此同時，當前社會人口激增，交通需求也相對增加，地鐵隧道工程已經成為城市化工程領域的重要組成部分。地鐵隧道施工面臨的主要問題是周邊基礎設施較多，對社會影響較大，因此，優化地鐵施工方式已經成為地鐵工程的研究重點。而TBM 工法憑借適應性強的應用優勢，針對部分復雜的地鐵隧道工程有著較好的應用效果。另外，通過分析該工法與其他種類施工方法的差異性，并解析不同類型TBM 設備的應用效率，是當前優化地鐵隧道施工的首要任務。

1 地鐵隧道施工工法比較分析

當前，我國針對地鐵隧道的施工主要選取明挖法和暗挖法，其中，明挖法適用于埋藏較淺的地鐵結構，且施工環境較為簡單，沒有復雜的基礎設施和建筑物的影響，因此明挖法的施工效率較高且成本較低，其主要針對整體結構為混凝土矩形框架的地鐵隧道。暗挖法則適用于地鐵結構埋層較深的工程，其地面的基礎設施和交通設施較多，大規模的施工會對周邊環境造成影響，同時工程所面臨的地形結構以及施工難度較大，暗挖法對于地面建筑的影響小，能夠靈活應對不同的施工情況。本文著重討論的TBM 工法便是暗挖法中的一種形式，因此，著重分析暗挖法系列下的不同工法，可進一步凸顯TBM 施工法的應用優勢和實際應用情況。

1.1 礦山施工法

礦山施工法的應用領域為：隧道結構埋層比較深，整個巖體具有自穩能力，同時隧道巖體性質較為堅硬。該施工方法已形成較為成熟的技術體系，能夠靈活應對堅固巖層中的不同問題，且投資較少，可以在實際施工中隨時改變施工方案。但是從該種工法的實際應用情況來看，工法本身有較高的風險，而且在市中心等建筑物較為密集的區域進行施工，對周圍居民的干擾較大，同時也會影響基礎設施的穩定性和工期。

1.2 盾構施工法

盾構施工法是當前地鐵隧道暗挖技術中較為先進的施工方法之一。其具備較快的施工速度，施工產生的噪聲污染較小，對于地面的振動幅度也不強，因此能夠較大程度地減少地鐵隧道施工對周邊環境和居民生活的影響。該種施工方法具有較強的隱蔽性，大部分依靠機械化施工，勞動強度要求較低，適合在軟弱地層進行隧道施工，對于巖石層則缺乏較好的施工效果。

1.3 TBM 施工法

TBM 施工方式主要依靠全斷面隧道掘進機進行施工，能夠有效應對巖層隧道施工環境中出現的相關問題。這種方式最早應用在我國的水利水電以及公路工程中，應用于地鐵隧道施工還不常見。我國首次應用TBM 工法進行地鐵隧道施工且取得較好成效的案例在重慶，工程的地下結構巖層符合TBM 工法的施工需求。

1）掘進速度較快 全斷面隧道掘進機在工作過程中能夠實現連續不間斷的作業，在進行破巖作業的同時，能夠形成出渣初期支護一體化的施工模式，因此，能夠極大程度地提高施工效率。該種方式較上述常見的礦山施工方法速度快3倍左右。

2）施工質量有保障 利用該種方式掘進的隧道壁較為光滑，能夠有效減少對巖層結構的損害，從而降低支護工程量，能夠進一步控制施工成本。

3）安全性高 該施工技術對于整體巖層結構的干擾較小，能夠保持巖層的穩定性，從而確保施工安全。利用該種方式施工不需要爆破，因此減少了對周圍環境和居民的干擾。同時，該施工方式在更換刀具時是在刀盤內更換，操控室具有密閉性，這確保了作業的安全。

4）抗污染性強 其振動幅度較小，粉塵少，噪聲小，可在居民休息期間進行施工。

但是，TBM 工法也有缺陷，全斷面隧道掘進機難以應對復雜多變的巖層結構，如隧道施工中涵蓋破碎帶、涌水層、擠壓帶或者斷層時，TBM 設備的適應性較低。而且，由于設備自身結構較為復雜，使用的相關零件和原材料需要極高的耐久性，因此，采購設備以及設備維護成本較高，投資少、工期短、工程量小的短隧道不宜采用該種方式。

2 TBM 施工法在地鐵隧道施工中的適用性分析

為進一步解析TBM 施工法在地鐵隧道施工過程中的主要成效以及適用性，本文選取青島某地鐵隧道工程作為實際案例進行對比分析。該工程隧道穿越的巖層結構為中等以及輕微風化的花崗巖層，部分工程地段的巖層為強風化巖，且整體工程中的巖層結構由煌斑巖、脈巖、碎裂巖、花崗巖等組成，工程隧道地下水的分布現狀主要呈現為孔隙水和裂隙水2 種類型。

針對整體工程的地質環境和水文特征分析認為：工程主要穿越了花崗巖地層，因此盾構法以及常見的淺埋暗挖施工方法不具備應用價值。另外，由于工程周邊的人口居住密集程度高，交通繁雜，且地面建筑物以及地下管線較多，因此礦山施工法也不運用。根據地鐵施工工程的地質環境需求以及施工標準要求，綜合施工技術、施工安全、施工環保性等多方面因素，認為該工程的地質結構和施工環境與原有的重慶某工程施工情況具有交互性，因此初步決定采用TBM 工法進行施工。

3 TBM 設備使用優勢對比分析

TBM 工法是從宏觀角度來定義的，從細節上還可分為多種類型。全斷面隧道掘進機的主要類型分為敞開式、單護盾、雙護盾3 種模式。這3 種類型的設備能夠針對不同的施工環境進行針對性施工。

3.1 敞開式類型

敞開式類型是最原始的TBM 設備，其主要利用設備自帶的支撐結構與洞壁之間形成的力點進行掘進作業。該種類型的設備適用于巖層質地較為堅固的工程。如果在工程中遇到破碎巖層時，可以利用自身攜帶的鉆頭以及灌注設備進行自主注漿，從而起到初期支護的作用。

3.2 單護盾類型

目前常見的單護盾全斷面掘進機是在傳統當護盾模式上進行改良的新型設備，主要依靠土壓平衡盾構實現高效率的巖石挖掘，對軟質巖層以及硬質巖層均有較好的掘進效率。在掘進過程中可以利用管片進行初期襯砌。

3.3 雙護盾類型

當前使用的雙護盾全斷面掘進機已經增加了出砟系統，在螺旋器以及噴錨支護系統的合作下，可以在掘進過程中將廢料運送出來，并且能夠通過管片或者復合結構進行襯砌。經過改良后的雙護盾類型TBM 掘進機具備了其他2 種形式的優點，對軟硬地層均可進行高效率的施工。

3.4 TBM 工法施工效果對比

我國曾經利用雙護盾類型的TBM 設備建設新疆、青海等地區的引水工程和鐵路工程，并且取得了較好的施工成效。因此，利用該種設備進行青島某地鐵隧道工程施工具有可行性。

綜合青島某地鐵隧道工程的實際施工情況以及施工難度進行了參數分析，結合上述3 種類型的TBM 掘進機進行數據對比，最終發現，敞開式的TBM 設備在先洞后站的施工作業中能夠取得較大的優勢，但是青島某地鐵隧道工程的前期規劃為車站與隧道工程同時作業，因此敞開式的掘進機在組裝和拆卸過程中對外界影響較大，且造價較高。因此，該類型設備的使用價值具有一定的局限性。

而經過改良后的單護盾類型的TBM 設備，雖然能夠在施工過程中進行同步的管片襯砌，但是由于該種施工模式較為單一，一旦遇到微風化類型的花崗巖結構時，該種設備利用管片襯砌的效果較差，且會花費較多的施工費用。

而利用雙護盾的改良型TBM 設備進行施工時，由于其具備敞開式施工模式以及土壓平衡施工模式，可以針對不同風化類型的巖層進行掘進，也能夠檢測巖層自身的承重能力，利用模筑襯砌方式進行支護施工，而土壓平衡模式則可以實現管片襯砌。因此，利用雙護盾TBM 全斷面隧道掘進機對于青島某工程地鐵隧道施工具有較大的應用價值。

4 結語

地鐵隧道工程是我國城市化建設和交通工程建設的重點，而TBM 施工工法已經成為當前地鐵隧道施工中最受歡迎的施工技術。本文通過對幾種施工工法以及TBM 設備類型和應用成效進行分析后得出，3 種類型的TBM 掘進機適用于不同類型的地鐵隧道工程，相關工程單位需要結合實際工程的巖層性質和水文條件選擇適合的TBM 技術，才能充分發揮該項技術的價值，進一步提升地鐵隧道工程的建設效率。