雙護盾TBM分體始發(fā)技術研究與在青島地鐵1號線的實施

王小強，郭 志，王以棟，李長達，韓麗森，徐超群

(1.中船重工(青島)軌道交通裝備有限公司，山東 青島 266111；2.中船重工第704研究所，上海 200031)

0 引言

隨著雙護盾TBM在巖石地質(zhì)城市地鐵隧道施工中的不斷應用，各種新的工況及問題不斷涌現(xiàn)。城市地鐵隧道施工始發(fā)場地往往較小，但雙護盾TBM整機長度較長，面對城市周邊環(huán)境的復雜性或工期制約等客觀條件限制，在始發(fā)場地不足的情況下不得不進行分體始發(fā)。

目前關于盾構分體始發(fā)的案例較多，文獻[1]對短豎井盾構分體始發(fā)的經(jīng)濟性、設備安裝、設備改造等相關技術和始發(fā)中應該注意的事項進行了分析和探討；文獻[2]對三菱盾構分體始發(fā)的幾種方案進行了對比，并選出最佳分體始發(fā)方案；文獻[3]介紹了盾構分體始發(fā)施工平房群沉降控制技術；文獻[4-11]結合具體的工程實例，從設備選型、始發(fā)方案、實施方法、出碴方式、管片選型、始發(fā)基座、反力環(huán)和楔形環(huán)設計、列車編組及注漿控制等方面對土壓盾構分體始發(fā)技術進行了詳細探討；文獻[12-13]對泥水平衡盾構的分體始發(fā)難點與風險及技術要點進行了分析和探討；文獻[14-15]著重討論了小半徑隧道中盾構分體始發(fā)施工技術；文獻[16]對冬季盾構分體始發(fā)技術進行了研究。以上文獻對分體始發(fā)技術的研究大多集中在盾構設備上，關于TBM分體始發(fā)后配套系統(tǒng)的研究幾乎為空白。本文研究了雙護盾TBM分體始發(fā)技術，結合有限的始發(fā)場地條件，通過優(yōu)化后配套設備布置，利用雙護盾TBM自身配套設備實現(xiàn)最經(jīng)濟的分體始發(fā)。該技術在青島地鐵1號線青島火車站至海泊橋站雙護盾TBM區(qū)間工程中成功應用，可為今后同類工程提供實踐經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 始發(fā)井概況

青島地鐵1號線2標02工區(qū)始發(fā)站為海泊橋站。該車站位于青島老城區(qū)人民路與鞍山路十字交叉路口處，為明暗挖結合車站。其中，明挖段總長53.1 m(可以利用的長度為52.1 m)，暗挖段長125 m，為4臺雙護盾TBM的始發(fā)井。02工區(qū)的2臺TBM自海泊橋站向青島火車站始發(fā)，左線始發(fā)洞長38 m，右線始發(fā)洞長58 m。車站明挖段左右線分別設置3個吊裝孔，結構尺寸為14.2 m × 8.5 m。隧道洞身為中風化—微風化花崗巖，局部為中風化—微風化煌斑巖巖脈，洞身上方為老城區(qū)居民區(qū)。因車站暗挖段工期滯后，明挖段及始發(fā)洞的長度小于雙護盾TBM的整機長度，不具備整體始發(fā)的空間條件。若采用礦山法掘進延長始發(fā)洞，掘進段上方老城區(qū)建筑會受到影響，風險較大，所以綜合考慮需采用雙護盾TBM分體始發(fā)的方式進行隧道施工。分體始發(fā)場地平面及縱斷面如圖1所示。

(a) 平面圖 (b) 縱斷面圖

圖1分體始發(fā)場地平面圖及縱斷面圖
Fig.1 Plan and longitudinal profile of separate launching site

1.2 周邊環(huán)境情況

海泊橋站位于青島老城區(qū)，市政管線密集，車站范圍內(nèi)管線較多。該站點西南側為海慈醫(yī)院，東南側為住宅小區(qū)，西北側為既有住宅樓，車站中部上跨杭鞍高架快速路。海泊橋站周邊環(huán)境情況如圖2所示。

圖2 海泊橋站周邊環(huán)境Fig.2 Surrounding environment of station

2 分體始發(fā)綜述

TBM分體始發(fā)是指在無暗埋段或暗埋段不具備條件、豎井內(nèi)作業(yè)空間不足等不具備整體始發(fā)條件的情況下，將TBM主機或主機和部分后配套臺車放置在始發(fā)豎井內(nèi)，另一部分臨時放置在地面、豎井內(nèi)中板或搭建在兩側的臨時平臺上，當TBM掘進一定距離后，將所有的后續(xù)配套臺車按照原定順序在隧道內(nèi)安裝就位，實現(xiàn)正常掘進的一種全斷面掘進機始發(fā)方式。

2.1 雙護盾TBM分體始發(fā)所需的基本配套系統(tǒng)

雙護盾TBM具有隧道掘進、出碴、管片拼裝及回填灌漿固結4項施工功能，分體始發(fā)需要TBM在設備功能及性能不完善的情況下完成與正常設備一樣的施工功能。雙護盾TBM由多個系統(tǒng)組成，直接或間接服務于上述4項功能，有些系統(tǒng)是實現(xiàn)上述功能無可替代的必要條件，有些系統(tǒng)可采用臨時替代方案提供服務，有些系統(tǒng)對實現(xiàn)上述功能短期影響不大，可暫時不用，所以需研究為完成上述4項功能雙護盾TBM必須具備的配套系統(tǒng)，進而研究分體始發(fā)的分體方案及分體位置。

雙護盾TBM的掘進功能主要通過撐靴撐緊隧道壁、主推油缸推進、刀盤旋轉破巖來實現(xiàn)。撐靴及主推油缸的工作通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)，刀盤旋轉破巖的工作通過主驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)。液壓系統(tǒng)工作的前提條件為400 V供電、冷卻水系統(tǒng)及相應控制系統(tǒng)工作；主驅(qū)動系統(tǒng)工作的前提條件為690 V供電及變頻系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、脂密封系統(tǒng)及相應控制系統(tǒng)工作。通過分析可知，冷卻水系統(tǒng)工作的前提條件是400 V供電及相應控制系統(tǒng)工作；潤滑系統(tǒng)工作的前提條件也是400 V供電及相應控制系統(tǒng)工作；脂密封系統(tǒng)工作的前提條件是空氣壓縮系統(tǒng)工作，空氣壓縮系統(tǒng)工作的前提條件為400 V供電及冷卻水系統(tǒng)工作(風冷空壓機無需冷卻水)。以實現(xiàn)隧道掘進功能為導向，雙護盾TBM為實現(xiàn)掘進功能需具備的基本配套系統(tǒng)為高(低)壓供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、脂密封系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)。

雙護盾TBM的出碴功能通過皮帶機實現(xiàn)，皮帶機的驅(qū)動方式通常有電驅(qū)和液驅(qū)2種方式。電驅(qū)皮帶機工作的前提條件為400 V供電及相應控制系統(tǒng)工作；液驅(qū)皮帶機工作的前提條件為液壓系統(tǒng)工作，液壓系統(tǒng)工作的前提條件為400 V供電及冷卻水系統(tǒng)及相應控制系統(tǒng)工作。因此，為實現(xiàn)出碴功能，雙護盾TBM需具備的基本配套系統(tǒng)為高(低)壓供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)或高(低)壓供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)。

管片拼裝機實現(xiàn)管片拼裝作業(yè)均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，液壓系統(tǒng)工作的前提條件為400 V供電、冷卻水系統(tǒng)及相應控制系統(tǒng)工作。雙護盾TBM的回填灌漿固結工藝主要包括豆礫石回填及注水泥漿，有些工程還需仰拱區(qū)域注砂漿。豆礫石回填由豆礫石泵實現(xiàn)，豆礫石泵由壓縮空氣系統(tǒng)提供動力；注水泥漿及砂漿由各自的注漿泵實現(xiàn)，注漿泵及相應配套儲漿罐由400 V電源提供動力。綜上所述，為實現(xiàn)回填灌漿固結功能，雙護盾TBM需具備的基本配套系統(tǒng)為低壓供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、豆礫石回填系統(tǒng)及注漿系統(tǒng)。

2.2 雙護盾TBM分體始發(fā)的基本方案

雙護盾TBM的基本施工功能為隧道掘進、出碴、管片拼裝及回填灌漿，除回填灌漿外其余3項功能均可由TBM主機部分完成。因雙護盾TBM的回填灌漿工藝無需與掘進動作同步進行，所以在始發(fā)空間滿足雙護盾TBM主機長度及出碴情況下即可實施分體始發(fā)，也就是說雙護盾TBM主機與后配套之間或主機與部分后配套之間任何位置斷開均可實現(xiàn)分體始發(fā)。對于雙護盾TBM，其分體始發(fā)需要具備的基本配套系統(tǒng)為高(低)壓供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)(包括高壓開關柜、變壓器、功率補償柜、變頻柜、主電氣柜、PLC控制柜及操控臺等)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、脂密封系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、豆礫石回填系統(tǒng)及注漿系統(tǒng)。此外，導向系統(tǒng)受分體始發(fā)影響不大，但也是TBM掘進必須具備的條件；因TBM施工環(huán)境多為巖石地層，掘進過程中粉塵較大，所以在分體始發(fā)時除塵系統(tǒng)也必須工作。

3 分體始發(fā)方案與實施

3.1 分體始發(fā)空間

海泊橋站具體始發(fā)空間為：左線始發(fā)洞長38 m，其中，14.10 m為管片襯砌；右線始發(fā)洞長58 m，其中，25 m為管片襯砌；左線可用于分體組裝的長度為76 m；右線可用于分體組裝的長度為83.5 m。分體始發(fā)空間尺寸如圖3所示。

圖3 分體始發(fā)空間尺寸(單位：m)Fig.3 Size for separate launching space (unit：m)

3.2 分體始發(fā)方案

青島地鐵1號線2標02工區(qū)使用的2臺雙護盾TBM為青島地鐵2號線施工時的既有設備，后配套設備布置難以滿足分體始發(fā)需求，即使勉強實施也會帶來始發(fā)費用增加、施工效率低及施工風險增加等問題。為實現(xiàn)安全、可行、經(jīng)濟、高效的分體始發(fā)，需對雙護盾TBM的后配套進行適應性改造；同時，需結合TBM正常施工階段采用連續(xù)皮帶機+垂直皮帶機出碴系統(tǒng)取代原來的有軌運輸+龍門吊垂直提升出碴系統(tǒng)的出碴方案確定后配套改造方案。結合始發(fā)空間條件，雙護盾TBM后配套改造時應盡量將分體始發(fā)必需的配套系統(tǒng)布置在前部臺車上，既可減少改造過程中管線費用的增加，又可節(jié)約分體始發(fā)時管線的延長費用。后配套設備布置具體改造為：1)將臺車右側原5、6、7號臺車上的VFD變頻柜、690 V變壓器前移至2、2+1號臺車；原7號臺車690 V變壓器及8號臺車主電氣柜前移到3號臺車；原9號臺車400 V變壓器、功率補償柜及10號臺車高壓開關柜前移至3+1號臺車；原4號臺車的壓縮空氣系統(tǒng)及該系統(tǒng)新增的部分布置在4、5號臺車，后續(xù)臺車布置應急發(fā)電機、轉碴皮帶機驅(qū)動泵站、電纜托盤等；最后2節(jié)臺車預留區(qū)域為連續(xù)皮帶機接口區(qū)域。2)將臺車左側原1號臺車潤滑泵站前移至連接橋；原2號臺車上的駕駛室及其內(nèi)部操控臺、PLC柜前移至1號臺車；原4號臺車液壓泵站及5號臺車主油箱前移至2號和2+1號臺車；3、3+1號臺車布置2套豆礫石系統(tǒng)；4、5號臺車為新增洞內(nèi)制漿及注漿系統(tǒng)；6號至10號臺車維持原設計不變，主要布置供排水系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)，其中，冷卻水單元集成到一個托盤上，在分體始發(fā)時可移動位置擺放。后配套系統(tǒng)改造前后設備布置見表1。

表1 后配套系統(tǒng)改造前后設備布置Table 1 Equipment configuration before and after back-up system improvement

改造前設備總長度為135 m，改造后設備總長度為165 m，改造后雙護盾TBM在3+1號臺車處斷開長度為88 m。除注漿、冷卻水、壓縮空氣和除塵系統(tǒng)外，分體始發(fā)需要的配套系統(tǒng)均已具備。注漿可通過地面泵送，通過后配套尾部注漿實現(xiàn)；冷卻水集成托盤可前移放置在3+1號臺車豆礫石皮帶機上并通過洞外直接供水對該系統(tǒng)實施換熱；對于壓縮空氣及除塵系統(tǒng)，可將設備放置在豎井負4層中板上通過延長管線實現(xiàn)。左線因始發(fā)空間較短，還需將3+1號臺車上右側的400 V變壓器、功率補償柜及高壓開關柜拆下臨時安裝在站廳層，安裝臨時電纜與3號臺車的主電氣柜相連接；同時，將冷卻水集成托盤臨時安裝在站廳層，安裝臨時軟管與3號臺車的冷卻水回路連接。掘進12延米后將3+1號臺車下井連接并恢復變壓器、功率補償柜、高壓開關柜及冷卻水集成托盤至3+1號臺車。5號臺車上的后配套皮帶機驅(qū)動端左線分體始發(fā)時移至3號臺車尾部，右線分體始發(fā)時移至3+1號臺車尾部，臨時減短皮帶架及皮帶長度并硫化皮帶。至此，改造后的雙護盾TBM從3+1號臺車處斷開既能滿足始發(fā)空間要求，又具備了完成施工所需的基本配套系統(tǒng)，具備始發(fā)條件，可以實施分體始發(fā)。雙護盾TBM分體始發(fā)方案如圖4所示。

圖4 雙護盾TBM分體始發(fā)方案Fig.4 Separate launching scheme of double-shield TBM

3.3 分體始發(fā)實施

分體始發(fā)期間在大里程端安裝55 t龍門吊供礦車出碴使用，列車編組采用牽引機車中置，后側為1節(jié)出碴礦車，前側為1節(jié)豆礫石罐及2節(jié)管片運輸平板車。掘進期間機車牽引礦車出碴，掘進完成后更換板車運輸管片、豆礫石罐。出碴及管片運輸現(xiàn)場如圖5所示。水循環(huán)采用地面設置清水箱，由洞外向洞內(nèi)直接供水。刀盤噴水增壓泵、清洗用水直接連接供水管路，冷卻水熱交換器直接連通供水與回水管路，供水壓力控制為0.3～0.4 MPa，回水直接連通車站內(nèi)7 m3回水箱，回水箱抽排至冷卻水箱(30 m3/h)，污水泵連通排水管直接排放至車站污水池再轉排至地面沉淀池。供水管、回水管及排水管隨著掘進逐漸延長連接鋼管。除塵管路采用臨時硬風筒延伸，壓縮空氣管路采用軟管延伸。管線延伸現(xiàn)場圖片如圖6所示。

(a) 出碴

(b) 管片運輸

(a)

(b)

高壓電纜盤繞在站廳層鋼支架上，隨著掘進逐漸延伸放纜。分體始發(fā)后掘進里程逐漸增加，除塵及壓縮空氣管路相應延長，導致除塵臨時風筒漏風嚴重，壓縮空氣壓損增加，進而出現(xiàn)了隧道內(nèi)除塵效果變差、豆礫石吹填頻繁堵管的現(xiàn)象。隨后，增加2節(jié)臨時臺車，把除塵系統(tǒng)及空壓機、電纜托盤放置在此2節(jié)臺車上，減小了除塵及供氣距離，同時方便電纜收放，使得后續(xù)的分體始發(fā)得以順利實施。

4 雙護盾TBM分體始發(fā)實施效果

青島地鐵1號線2標02工區(qū)右線雙護盾TBM(全線編號為4號TBM)自2017年10月正式分體始發(fā)，截至2017年12月累計掘進364.7延米，平均日進尺為5.7延米，最高日進尺為10.3延米，遠高于始發(fā)前平均3延米的計劃進度指標，并于2017年12月22日提前完成315延米的年度掘進指標。幾乎同期施工的青島地鐵1號線1標01工區(qū)的2臺雙護盾TBM(全線編號為1號和2號TBM，與本工程結構相同)為整體始發(fā)，出碴條件與4號TBM類似，受空間限制均為單礦車出碴。1號TBM前2個月累計進尺為239.98延米，平均日進尺為3.87延米，最高日進尺為9.5延米；2號TBM前2個月累計進尺為310.57延米，平均日進尺為5.09延米，最高日進尺為13.34延米。通過對比可知，分體始發(fā)的4號TBM與整體始發(fā)的1、2號TBM各項進尺指標相比，基本一致或略高，由此驗證了雙護盾TBM分體始發(fā)方案的可行性。

5 結論及討論

雙護盾TBM分體始發(fā)需完成與正常始發(fā)同樣的施工功能，這些功能除回填灌漿外均可由主機完成，所以分體始發(fā)時主機需就位且實現(xiàn)主機動作的基本配套系統(tǒng)能提供服務。

1)以實現(xiàn)施工功能為導向，雙護盾TBM分體始發(fā)時需具備的基本配套系統(tǒng)為高(低)壓供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、脂密封系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、豆礫石回填系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、導向系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)。

2)通過延伸管線、線纜，雙護盾TBM可在主機與后配套之間或主機與部分后配套之間任何位置斷開。

3)應用于城市地鐵隧道施工的雙護盾TBM后配套設計時需考慮分體始發(fā)工況，盡量將分體始發(fā)必備的配套系統(tǒng)布置在前部臺車上，最大限度地利用設備自身配置實現(xiàn)最經(jīng)濟的分體始發(fā)。

雙護盾TBM分體始發(fā)是在設備功能及性能不完備的情況下實現(xiàn)施工功能的始發(fā)方式，施工過程中需加強精細化管理，做好安全檢查監(jiān)督，結合地質(zhì)條件做好施工預案。掘進過程中需適時調(diào)整掘進參數(shù)，控制好掘進姿態(tài)，勤測量并及時回填灌漿，同時，應用于城市地鐵隧道施工的雙護盾TBM配套件選型時需綜合考慮分體始發(fā)與后續(xù)施工的需求，例如：控制及動力電纜盡量采用屏蔽電纜，避免信號干涉引起錯誤動作。后配套設備布置方面需提前考慮滿足城市地鐵施工的各種工況，在設計階段做好預案，從安全性、可行性、效率及經(jīng)濟性等方面綜合考慮，更好地為城市地鐵隧道建設服務。