近海復雜地層下城市軌道交通TBM選型優化與掘進參數控制*

時 健 劉衛景 張仕林, 李鎖在 孔德森

(1. 山東科技大學土木工程與建筑學院, 266590, 青島; 2. 青島地鐵集團有限公司, 266045, 青島;3. 中鐵三局集團第四工程有限公司, 102300, 北京)

隨著機械制造技術的進步和隧道行業的發展,TBM(隧道掘進機)被廣泛應用于深埋長大隧道的建設中[1]。與傳統的鉆爆法相比,TBM施工具有快速、高效、安全、環保、經濟、信息化程度高等諸多優勢,是國內外隧道工程施工的主要選擇[2]。

針對TBM選型,國內外學者展開了大量的研究討論。文獻[3]從地質影響因素等方面對大伙房輸水工程隧洞施工裝備進行了選型研究;文獻[4]綜合川藏鐵路隧道地質條件,兼顧施工、安全、質量和工期的要求給出了TBM選型建議。但若TBM選型設計不能適應工程的地質特征,則往往會導致嚴重的施工風險和施工進度滯后,甚至造成重大經濟損失。文獻[5]認為復雜的地質構造、水文地質條件和TBM的選型是造成工期長時間延誤的主要原因。文獻[6]提出TBM所具有的在復雜地質條件適應性較差的缺點會抵消其施工速度快的優勢,從而延誤工期。以上研究主要是針對山嶺隧道的TBM選型分析,對城市軌道交通隧道中近海復雜地層條件下的設備選型及優化的研究較少,且針對近海復雜地層中雙護盾TBM掘進參數設置范圍的研究也鮮有報道。

綜上所述,TBM選型與優化是TBM法隧道施工的關鍵環節,對不同圍巖條件下掘進參數控制的研究對TBM掘進性能的提升具有重要意義。本文依托青島地鐵2號線(以下簡稱“2號線”)西延段,從地層適應性、技術先進性及工期要求等方面對TBM展開綜合比選,在此基礎上開展TBM針對性優化設計和掘進參數控制研究,以期為硬巖地層下城市軌道交通隧道的建設提供參考。

1 工程概況

2號線西延段TBM區間標段包括TBM始發井,以及輪渡站—小港站、小港站—國際郵輪港站、國際郵輪港站—泰山路站等區間。區間隧道下穿諸多的交通干道,且下穿既有鐵路、橋梁、民房等諸多建(構)筑物,沿線分布有大量給水、雨水、污水、供暖、通信、燃氣、供電等地下管線。

根據勘察資料顯示,場區穿越地段地層較多,由上到下依次有人工填土層、粗礫砂、粉質黏土、強風化上亞帶、強風化下亞帶、中等風化帶及微風化帶,部分地段穿插有煌斑巖巖脈,是典型的“上軟下硬”地層。輪渡站—小港站區間的地層變化見圖1。隧道洞身除國際郵輪站—泰山路站區間主要穿越中-微風化巖層外,其他區間隧道洞身主要位于微風化巖層中,局部地段受構造作用影響,揭露有砂土狀碎裂巖及塊狀碎裂巖等構造巖;根據鉆探揭露,受巖脈侵入及次生構造影響,局部微風化帶巖體破碎,節理很發育,節理面礦物蝕變較明顯,形成節理發育帶。地下水整體較發育,除局部地段圍巖破碎,易發生涌水和滲水現象,其他地段圍巖含水率低,地層具有較好的自穩能力。

注:標高單位為m。

根據隧道巖體各項地質參數指標及周邊環境情況,結合青島地鐵1號線(以下簡稱“1號線”)、2號線、青島地鐵4號線(以下簡稱“4號線”)工程隧道施工的成功經驗,2號線西延段所有區間隧道均采用TBM破巖施工。

2 近海復雜地層下TBM選型分析

2.1 TBM地質適應性分析

地質適應性是TBM機型選擇最重要的依據[7]。表1從地質條件適應性、施工靈活度、掘進效率等方面對適宜硬巖地層掘進的3種TBM進行綜合比較。

表1 TBM類型比選

2號線西延段共有9條大小不等的斷裂破碎帶,節理裂隙發育密集,巖體呈碎塊化碎裂狀結構,強度低且自穩性差。根據敞開式TBM的工作原理,當洞壁圍巖強度低于TBM支撐靴作用在圍巖上的應力時,圍巖無法為TBM提供足夠支撐,掘進無法正常進行;隧道下穿工廠、學校、高架橋梁、膠濟鐵路等諸多建筑物及交通干線,地面條件復雜,施工場地有限,而敞開式TBM機型長,在場地范圍、施工組織方面均存在很大困難,故不適宜采用敞開式TBM。

單護盾TBM掘進與管片拼裝不能同時進行,施工速度較慢,不能滿足2號線西延段對工期的要求;掘進區間主要為巖性較好的微風化花崗巖層,局部夾雜有單軸抗壓強度極高的超硬巖層,鑒于單護盾TBM的工作原理,在超硬巖層中掘進,作用在管片上的支撐反力極大,對管片的強度要求極高,管片襯砌的成本將大幅提升,不利于其工業化生產,故不適宜采用單護盾TBM。

在中硬巖為主且局部有斷層破碎帶的地層,雙護盾TBM能充分發揮其優勢。在某些特殊地段如斷層破碎帶,雙護盾TBM能采用單護盾模式掘進,利用超前鉆機和注漿設備加固地層;在穩定性較好的硬巖地層中,雙護盾TBM強大的推力與扭矩儲備配合管片儲運拼裝設備,可以實現掘進與管片拼裝同步進行。雙護盾TBM機頭長約12 m,方便在車站始發、過站、調頭和吊出,對車站干擾較小,不影響工期。經綜合比選,2號線西延段采用適應性更強的雙護盾TBM施工,隧道采取管片襯砌支護。

2.2 TBM型號選擇

根據青島地鐵現有成功經驗,最終確定采用具有更強適應性的DSUC型雙護盾TBM[8]。該機型開挖直徑為6 300 mm,變頻驅動,最大扭矩為2 940 kNm,脫困扭矩為5 700 kNm,最大總推力為24 150 kN,最大推進速度為120 mm/min,配有超前鉆機設備,對不良地質、施工場地、地面環境等方面適應性強,完全能夠滿足本工程的施工要求。DSUC型雙護盾TBM的主機結構見圖2,其主要特點如下:

圖2 DSUC型雙護盾TBM主機結構

1) 具備雙護盾和單護盾兩種掘進模式,能夠適應堅硬地層和軟弱地層的掘進要求;

2) 刀盤正面采用整鋼加工成型,可有效避免傳統刀盤大量焊接造成的結構應力不均,具有結構強度高、耐久性良好的優點,提高了刀盤的整體穩定性;

3) 階梯式的護盾設計方案,能夠有效應對圍巖的收斂變形,減少卡機對隧道掘進的影響;

4) 具備靈活的隧道支護方式,可以適應不同地層的支護要求。

3 工程難點與TBM優化措施

3.1 工程難點分析

2號線西延段位于市區內建筑密集區,地層條件多變,施工難度大,存在諸多技術難點。

3.1.1 穿越斷裂破碎帶

2號線西延段區間穿越地段地層較多,局部地段巖體節理裂隙發育密集,呈砂土化散體狀結構或碎塊化碎裂狀結構,黏結強度低,自穩性差,易發生坍塌和掉塊。塊狀碎裂巖取樣結果見圖3。構造破碎帶及節理發育帶往往是地下水富集的地帶,洞身開挖過程中會有滲流乃至點、線狀滲出的情況發生。

圖3 塊狀碎裂巖取樣結果

3.1.2 TBM始發空間不足

TBM始發井位于青島市南區公交停車場以及臨時道路范圍內,圍護結構上部鉆孔灌注樁部分內凈空長31 m,寬28 m;下部鋼管樁部分內凈空尺寸長28 m,寬25 m;基坑深度為32.66 m,且深度方向采用4道混凝土支撐+混凝土腰梁。TBM始發兼軌排井長31 m,始發導洞小里程端長度為28 m,大里程端長度為77 m,擬采用的雙護盾TBM設計長度為165 m,始發空間無法滿足TBM整體始發的要求。

3.1.3 小曲率半徑施工

實際施工中,由于區間線路存在多處小半徑區段等原因,TBM推進方向可能會偏離設計軸線并超過管理警戒值。在穩定地層中掘進,地層提供的滾動阻力較小,可能會產生盾體滾動偏差;在線路變坡段掘進,也可能產生較大的偏差。TBM掘進方向偏離設計軸線,對TBM姿態控制、管片拼裝技術等均提出了更多挑戰,一旦出現偏差,容易發生欠挖、超挖,以及管片開裂、偏移、錯臺等情況。

3.1.4 不具備吊出條件

根據工程周邊環境及整體設計需求,小港站為暗挖車站,國際郵輪港站為放坡明挖車站,二者周邊環境均不具備TBM吊出條件。區間終點泰山路站為既有車站,其站后折返線區間拱部距離TBM外輪廓880 mm,周邊環境無設置起吊機的空間條件,也不具備吊出條件。

3.2 TBM優化措施

針對2號線西延段特殊的地質條件和施工環境,對TBM進行優化。

3.2.1 穿越斷裂破碎帶的TBM優化措施

采用前盾、伸縮盾、支撐盾、尾盾等直徑前大后小的階梯圓柱形護盾設計(見圖4),可以有效減輕因圍巖收斂變形引起的卡盾現象。大驅動功率、大扭矩、大推力、大擴挖,以及超前鉆探注漿加固的設計,在降低刀盤被困風險的同時,亦增強了其脫困能力。

圖4 階梯圓柱形護盾

通過斷層破碎帶時,TBM刀盤容易被破碎巖塊卡住。通過設備上配置的超前鉆機,對不良地質進行超前加固處理。結合地面注漿加固以及掘進參數的控制,可以保證TBM的順利通過,避免人工清理刀盤導致的長時間停機。

3.2.2 針對始發空間不足的TBM優化措施

針對始發空間不滿足TBM整體始發要求,根據目前始發導洞長度,經與生產廠家多次溝通后決定臨時改造TBM,對后配套臺車進行優化,將駕駛室、變壓變頻器、液壓潤滑系統等掘進所必需的動力、控制等系統布置在后配套系統前部,避免了分體始發帶來的不必要的管線延伸。待TBM掘進長度滿足整體始發要求后,將后配套系統拖出洞外改造,進行二次組裝調試與始發。

3.2.3 針對小曲率半徑施工的TBM優化措施

TBM的姿態控制主要依賴導向系統。為滿足TBM掘進區間多處小曲率半徑施工的要求,對原導向系統做如下優化:① 導向系統采用在支撐盾加設激光發生器,在前盾加設激光靶,使前盾測量不需要通過視線通道,避免了曲線線路施工中TBM 可能受到測量通道狹小的影響,大大降低了換站頻率;② 導向系統采取了有效的減振措施,盾體姿態跳變誤差應控制在±10 mm內,能夠滿足指導現場施工的要求;③ 導向系統采取了優化算法,加強了激光強度,因此導向系統能夠有效提取因粉塵干擾遮擋的數據,增加了姿態顯示響應頻次,大大降低了粉塵對前盾姿態測量的干擾。雙護盾TBM導向系統見圖5。

a) 前導向靶

b) 后導向靶

3.2.4 針對不具備吊出條件的TBM優化措施

TBM掘進終點為泰山路折返線區間,為既有線路,周邊建筑物密集,不具備設備拆解的空間和吊出的條件。為方便洞內拆解及運輸,TBM刀盤及盾體設計為分塊結構,后配套臺車為模塊化設計,最大臺車長度≤12.5 m。TBM從輪渡站始發井始發,掘進至區間終點時在洞內進行分解,分解后的組件由原線路返回至始發井吊出。

4 雙護盾TBM掘進參數控制

統計輪渡站—小港站區間隧道區段的雙護盾TBM現場掘進數據,繪制不同等級圍巖下推力、扭矩、刀盤轉速及凈掘進速率的頻次分布直方圖,見圖6。從圖6可以看出:在中等強度巖層中掘進,巖體強度較高時,需保證一定的掘進速率,所需的推力和扭矩也更大。

a) 刀盤扭矩

b) 刀盤推力

c) 刀盤轉速

d) 凈掘進速率

雙護盾TBM掘進參數隨掘進距離變化見圖7。由圖7可見: 掘進距離為0～170 m范圍內,雙護盾TBM在較低扭矩和推力下即可獲得較高的凈掘進速度,即巖體容易掘進,根據地勘報告,該段對應圍巖以Ⅳ級為主;掘進距離為170～420 m范圍內,雙護盾TBM需較大的扭矩配合較高的推力才能保持較高的凈掘進速度,巖體強度較前段有所提升,該段對應圍巖主要為Ⅲ級圍巖;掘進距離為420～450 m 范圍是斷層破碎帶,雙護盾TBM的扭矩、推力及刀盤轉速均維持在較低水平,以降低對前方圍巖的擾動,通過控制掘進參數維持掌子面穩定,可降低卡機的風險。

a) 刀盤扭矩

b) 刀盤推力

c) 刀盤轉速

d) 凈掘進速度

總體而言,雙護盾TBM在中硬巖層中掘進時,可以通過提高刀盤推力和扭矩加快凈掘進速度;而穿越斷層破碎帶時,應嚴格控制掘進參數,快速通過,盡量避免因停機造成機體被抱死的可能性。

經統計分析得到不同圍巖等級下,雙護盾TBM的扭矩、推力、掘進速度及刀盤轉速等關鍵掘進參數的設置范圍,見表2。

表2 雙護盾TBM掘進參數設置范圍

5 結語

1) 雙護盾TBM具有地層適應性強、掘進與管片拼裝同步等優點。針對本工程的地質條件特點,結合同類工程成功的施工經驗,選擇DSUC型雙護盾TBM。

2) DSUC型雙護盾TBM具有良好的地層適應性,支護方式靈活多樣,通過優化刀盤、盾體及后配套臺車設計,改進始發、拆解、小曲率半徑施工方案,完善超前加固及導向系統,使雙護盾TBM應用更加經濟合理。

3) 雙護盾TBM掘進過程中,應加強在不同圍巖條件下對刀盤轉速、推力、扭矩及凈掘進速度等掘進參數的控制,有效提高雙護盾TBM的利用率,發揮雙護盾TBM高效、快速及經濟的優勢。