城市核心區TBM組裝及始發掘進關鍵技術

李小軍

(中鐵二十三局集團第六工程有限公司 重慶 401121)

1 引言

近年來，隨著我國經濟快速發展，城市軌道交通在各個城市交通中起的作用越發重要。目前在隧道施工技術發展的良好形勢下，人們對于工程的工期長短、工人作業時間以及施工環境等問題有了更加嚴格的要求，既要盡量縮短總體施工工期，又要逐漸減少人工成本，并提高安全環保等級，使得鉆爆法施工這一傳統隧道施工方法越來越難以滿足要求，進而提出了一種機械化的施工法——掘進機施工法(TBM法)[1]。文獻[2]對復合式TBM井下整體始發、過站轉場、洞內調頭、平移吊出及相應臨時工程改造等關鍵技術進行了詳細闡述，并得出了可靠的結論；文獻[3]對人員、材料設備、控制重點和詳細的施工工藝進行總結研究，以期為其他類似工程提供參考；文獻[4]介紹敞開式TBM在重慶軌道交通6號線一期工程的應用，解決了TBM施工選線、施工支護、下穿建筑物掘進、小凈距掘進及TBM過站等一系列關鍵技術問題。以往的一些文獻已經對TBM的方案設計問題、在各種地質條件下的適應性、相應施工技術、相關計算分析等有了一定的研究[5-7]；本文針對單護盾型TBM在重慶城市軌道交通九號線二期中央公園東至從巖寺區間段的吊裝及始發過程中的關鍵技術、遇到的一系列問題及解決方案進行討論，為以后TBM在城市軌道交通施工中提供一系列參考依據[8-10]。

2 工程背景

2.1 施工線路情況

該區間南接中央公園東站，北接從巖寺站，起訖里程為YCK36+166.863～YCK38+607.566，長2 440.703 m。其中TBM區間左線:ZDK38+137.5～ZDK36+185.463，全長1 952.037 m；TBM區間右線:YDK38+237.664～YDK36+185.463，全長為1 959.037 m。區間平面如圖1所示。

圖1 中從區間平面

2.2 TBM概況

本次施工采用2臺ZTT6830型單護盾TBM。TBM由刀盤、前盾、中盾、尾盾、皮帶機、拼裝機、后配套車架等組成，全長約92 m，總重約571.5 t。刀盤結構形式為面板式，最大開挖直徑為6.88 m，刀盤配備38把滾刀和12把刮渣鏟刀，開口率16%。刀盤配備7臺220 kW大功率驅動電機，最大脫困扭矩達6 060 kN·m。

3 TBM始發場地布置

由圖1可知，TBM施工方向為從巖寺站掘進至中央公園東站，根據前期設計決定將TBM吊裝及始發場地設在從巖寺站口的高架橋段與路基段交界處附近。

3.1 功能區劃分

TBM始發施工場地的合理布置需要考慮各個功能區合理的位置分配、相應區域的大小規劃等，采用系統論的思想對各功能區進行合理布置會對后續TBM的吊裝、始發、管片運輸、渣土堆放等一系列工藝流程有非常重要的作用。其中主干道采用C30鋼筋混凝土硬化鋼筋砼路面，路面厚度為30 cm，寬度為7.5 m，路面配φ20鋼筋進行鋪設。TBM吊裝及始發施工場地具體布置如圖2所示。

圖2 始發場地功能區劃分

3.2 地下管線保護及場地硬化

該線路位于城市核心區域，施工場地附近的道路兩側地下管網密布，在初期搭建場所時應考慮對這些地下管線的保護。根據具體管網分布情況，對施工區部分場地進行局部硬化加固處理，需要特別注意的是線路里程YCK38+215處存在一處機場航油運輸管線，剛好與線路正交，如圖2所示。

由于該管道埋深較淺，為不影響管線正常運輸，其保護措施為:挖出管道周圍覆土，在管道的底部采取臨時支撐點進行加固，防止管道沉降；分別在管道兩側采取漿砌毛石，在墻內填筑細土夯實，并在管道上方覆蓋鋼筋砼預制蓋板。

3.3 場地實時監測

在TBM吊裝及始發場地采用全站儀、水準儀對地基基礎及基坑進行監測[11]，于組裝場地擋土墻上設置1個基坑變形觀測點，靠近吊車前支腿地面上共設置4個地基基礎沉降觀測點，監測點布置如圖2所示。

4 TBM吊裝

4.1 始發底架的針對性設計

由于TBM自身的重心靠前，始發掘進時容易產生“低頭”現象，故始發底架軸線需比設計軸線適當抬高20～30 mm。

4.2 TBM試吊檢驗

在小型物件及分段翻身吊運前，應劃出警戒區，檢查各點受力情況及吊攀的焊接質量；而吊運大型重噸位物件時，應有專人負責，統一指揮。整個試吊過程物體距離地面不高于0.5 m，懸停時間不少于5 min，檢查確認并使用纜風繩保持其平穩狀態后，方可進行正式起吊作業。

4.3 TBM正式吊裝

TBM吊裝流程如圖3所示[12]。

圖3 吊裝流程

TBM吊裝從1月12日開始持續到2月20日截止，共計40 d，期間地基基礎沉降值Z1～Z4及基坑變形觀測DQ1的監測結果如圖4所示。

圖4 基坑變形及地面沉降監測

5 TBM始發

TBM的始發過程是整個施工中最為關鍵的一步，具體始發過程如下。

5.1 始發導軌安裝

始發導軌為鋼筋混凝土結構，為減小摩擦力，增設兩條鋼軌，鋼軌上部涂抹黃油。

5.2 TBM始發試掘進

將TBM掘進前100 m作為試掘進段，該段是摸索掘進規律、優化掘進參數的重要里程[13]。由于設備尚處于磨合期和校核期，為此要加強試掘進段的控制管理，必須設置各施工參數的警戒值，確保不出現較大偏差或導致不良后果，一旦施工參數接近或達到警戒值或系統顯示的相關施工參數不一致，必須查明原因后方可繼續推進。通過總結和優化出相應的TBM掘進參數為后續恢復正常掘進打下基礎。以試掘進階段TBM左線掘進參數為例，對部分關鍵掘進參數進行分析調整。

以管片環號為橫坐標，試掘進段平均掘進速度為縱坐標，繪制曲線圖，如圖5所示。

圖5 平均掘進速度與環號關系曲線

TBM始發掘進時，掘進速度應當設置較慢。在始發階段的前20環中，將推進平均速度調整在20～30 mm/min之間，后根據每環掘進效果、出土量、刀具消耗及管片襯砌效果、地面沉降等結合本工程實際情況，逐步增加推進平均速度，在后續幾十環的試掘進階段，其推進平均速度峰值可達到66.4 mm/min，整體掘進效果良好。

以管片環號為橫坐標，試掘進段掘進總推力為縱坐標，繪制曲線圖，如圖6所示。

圖6 掘進總推力與環號關系曲線

在始發過程中需注意掘進總推力必須嚴格控制在反力架的承受能力以下，根據設計，反力架承受能力在5 000～8 000 kN之間，在試掘進段，掘進總推力基本保持在5 000 kN以下。

以管片環號為橫坐標，試掘進段刀盤扭矩為縱坐標，繪制曲線圖，如圖7所示。

圖7 刀盤扭矩與環號關系曲線

在始發過程中刀盤扭矩與掘進總推力相似，應該確保在此推力下刀具切入地層所產生的扭矩小于始發導軌所提供的扭矩，并防止TBM盾體發生滾動翻轉；在TBM成功始發后可逐步提升刀盤扭矩，為后續正式掘進尋求最佳扭矩范圍。

以管片環號為橫坐標，試掘進段刀盤轉速為縱坐標，繪制曲線圖，如圖8所示。

圖8 刀盤轉速與環號關系曲線

對刀盤轉速而言，原設計中要求始發掘進段盡量暫時調低，其轉速范圍在1.0～1.5 rpm，但TBM掘進至5環后，刀盤發生卡死現象，脫困后經過研究發現造成刀盤卡死的原因是因為刀盤轉速過低，后期通過一定程度上提升刀盤轉速來解決該問題。

5.3 始發試掘進段所遇問題及解決辦法

(1)TBM進洞前步進緩慢，始發底架所帶來的阻力較大，經嘗試認為可在始發底架上涂抹少量的油脂，以減少TBM推進阻力。

(2)隨著TBM的不斷掘進，反力架將會產生不同程度的變形，進而影響隧道的成環質量，當管片接縫發生問題時，及時用石棉橡膠楔形料對其進行糾正，可有效提高成環質量。

(3)TBM進洞過程中盡量不要進行糾偏，否則可能會卡住盾尾。

(4)在始發階段，除了將始發底架軸線抬高20～30 mm外，還可以通過調整TBM姿態，使用下側的千斤頂施加向上的力的來防止TBM“低頭”。

(5)始發階段由于管片自重及其他原因，盾尾管片一般都會出現失圓的情況，有些甚至達到10 cm之多。為解決該問題，將Ⅰ型鋼材加工成圓形鋼環，用管片螺栓將其與0環連接，必要時使用工字鋼或槽鋼將圓形鋼環與始發臺進行連接。

6 結論與探討

本文對重慶軌道九號線中從區間段TBM施工中的場地布置、盾體吊裝及始發試掘進這三個階段進行了詳細的分析說明，得出如下一系列經驗性結論:

(1)本次TBM吊裝及始發場地的布局經過嚴格的系統設計，提出了各功能區最佳布置位置，并根據需要、TBM的日掘進量等參數以及各類材料的存放數量等因素確定了各功能區的范圍大小。提出了在地下管線密集的城市核心地區能夠有效保護特殊管線的場地硬化措施，并布置適量監測點以有效監測地面沉降及基坑變形。根據后續的吊裝、始發、掘進等過程來看，場地的整體適用性良好。

(2)為防止由于TBM整體重心靠前而導致始發掘進容易產生“低頭”的現象，對始發底架提出了針對性的設計，建議將其軸線適當抬高20～30 mm。提出了進行試吊檢驗的具體要求，并闡述了整個吊裝流程，為今后TBM的吊裝提供經驗指導。

(3)本文簡述了TBM的整個始發過程，對幾項重要參數進行分析說明，以此強調了前100 m試掘進段的重要性，只有在試掘進段盡可能地摸索掘進規律，并對掘進效果進行實時監控，及時調整優化掘進參數，找到當下最佳掘進姿態，才能在恢復正常掘進時迅速達到最佳掘進效果。目前重慶軌道九號線TBM施工任務已圓滿完成，隧道整體效果良好。