雙護盾TBM工法及其管片防排水技術(shù)探討

汪華東

四川二灘國際工程咨詢有限責任公司

1 引言

雙護盾TBM法又稱全斷面硬巖隧道掘進機械施工法，在當前建筑科學技術(shù)取得良好發(fā)展的背景下，該施工法已逐步深入地鐵隧道工程建設，為施工作業(yè)提供了重要的技術(shù)支持?；诖?，文章結(jié)合實際工程案例，圍繞TBM工法及其操作中的管片防排水技術(shù)展開探討，提出該工法的具體應用要點，給施工提供正確指導的同時，也可達到保證工程施工質(zhì)量的雙重效果。

2 工程概況

某地鐵項目為下穿既有鐵路硬巖隧道工程，其寬度設定為15.5m，高度為5m，左右里程樁號分別為DK8+202.568~DK11+342.900、DK8+219.068~DK11+342.900。據(jù)前期勘察資料可知，項目施工區(qū)間段內(nèi)地下水位埋深在2.58m~52.40m之間，且大部分為基巖裂隙水，而整個隧道走向呈弧線狀分布，施工中多處遇到硬巖地層，需采取特殊的工法對其展開相應的處理，以便后續(xù)掘進作業(yè)的順利開展。

3 TBM施工特點介紹

使用雙護盾TBM技術(shù)進行施工的原因是該工法在安全性能和效率方面都遠超其他工法，特別是在隧道施工過程中遇到硬巖地層的時候，TBM工法會根據(jù)項目的實際情況對所需的機械設備、開挖支護體系以及初始掘進的參數(shù)，和周圍巖土等級及適應性做出更加詳細的判斷，最終因地制宜地給出既科學又合理的施工方案，為技術(shù)人員解決隧道掘進施工中遇到的一系列難題。而相比普通的礦山技術(shù)，雙護盾TBM技術(shù)目前在軌道交通工程中的實際應用雖然談不上廣泛，但從城市軌道交通工程自身具備的特點來說，如施工項目往往處于市區(qū)繁華地段、周邊交通情況復雜，加之隧道施工的結(jié)構(gòu)特性以及防排水時對周邊既有鄰近建筑物的影響等，技術(shù)人員選用雙護盾TBM工法對硬巖隧道開展施工最為合適[1]。

（1）構(gòu)成及功能。全斷面硬巖隧道掘進機械施工法兼具一定的系統(tǒng)性，該工法的操作需要借助特定的機械設備來輔助施工，這其中包括所用機械的機頭和后配套兩大組成部分，其中機頭需要配備刀盤、前伸縮護盾、后護盾和尾盾等部件，后配套則需要兼具承載和輸送以及動力的功能，當然最重要的還是對操控平臺的配置，因后期整套工法的實施需借以操控平臺，通過聯(lián)結(jié)橋段、單軌段及雙軌段和斜坡段的方式來逐一展開。而在實際的操作中，上述各部具體工作原理為：

①刀盤：負責切削硬巖巖體及出渣作業(yè)。

②前護盾：給予刀盤在轉(zhuǎn)動時的支撐力和穩(wěn)定力。

③后護盾：該部件在掘進過程中起到支撐盾的重要作用，在控制掘進機的支撐和穩(wěn)定性的同時，還可輔助油缸的推進作業(yè)。另外，對之前安裝好的管片也會起到一定的支撐作用。

④尾護盾：可保障管片安裝時的安全性，因管片安裝器需在尾盾內(nèi)完成，所以安裝時具備一定的風險，需要施工人員格外注意。

⑤伸縮護盾：該部件是雙護盾施工的關(guān)鍵組成部分，為油缸的推進、刀盤電機及反扭矩油缸提供存儲空間。

（2）類型對比。受限于地質(zhì)水文條件及周邊環(huán)境等因素作用，TBM工法在具體的施工中在設備選型方面，通常會以單護盾、雙護盾和敞開式這3種類型為選擇對象，個中優(yōu)缺點對比詳見表1。

表1 TBM工法各類型優(yōu)缺點對比

由表1不難看出，雙護盾作為近年來一種新型的掘進機械設備，其在操作過程中可同時完成管片的拼接作業(yè)，兼具效率和安全的雙重效果，是技術(shù)人員在硬巖隧道工程建設中的首選模式。而根據(jù)本工程的特殊性，技術(shù)人員在初始的TBM設計方案上也稍做優(yōu)化，即將掘進機原有的刀片進行功能性的加強，并將整套設備的長度增加至105m，以便于后期對硬巖地段的順利掘進，具體掘進操作按照隧道內(nèi)始發(fā)→抵達→挑頭的順序依次循環(huán)展開。

（3）制約雙護盾施工的主要因素。本隧道工程中，涉及的硬巖地層主要為穿越式的微風化花崗巖，地質(zhì)偏硬且不易粉碎而抗壓強度在125MPa左右。因此，施工人員決定采取TBM工法對此區(qū)間段展開掘進作業(yè)。但在具體的操作中，由于地質(zhì)條件屬于硬巖性質(zhì)，所以要對巖石的單軸抗壓強度做前期的勘測，并要熟練掌握硬巖地段的巖石結(jié)構(gòu)的組成和耐磨性，以及周圍土體圍巖的完整程度，還有隧道初始地應力和地下水的情況，這對技術(shù)人員來說也是一個考驗。所以，無論處于上述中的哪種基礎條件，TBM的機械性能發(fā)揮都會受到不同程度的影響，因此，在不同抗壓強度的巖體中掘進的要求和效果也大為不同，具體為以下幾項。

①0MPa~150MPa的巖體中操作：單軸最大抗壓強度值需控制在355MPa之內(nèi)為最佳；如單軸抗壓強度值＜30MPa，不僅會出現(xiàn)刀具貫入過深、無法碰觸到擠壓帶以及降低破巖效果和掘進速度的現(xiàn)象，還有可能破壞周邊圍巖的穩(wěn)定性，不利于后續(xù)作業(yè)的推進。

②150MPa~350MPa的巖體中操作：此時對TBM機械的整體推力以及刀具的軸承都有特定的要求，這需要根據(jù)項目自身情況去展開實際的判定，在保證不損壞零件的同時，還需注重工程的經(jīng)濟性，倘若單軸抗壓強度＞355MPa，破巖效果會無法實現(xiàn)[2]。

4 TBM工法中管片防排水技術(shù)分析

項目施工區(qū)域雖為硬巖地段但地下水極為豐富，加之周圍伴有山嶺地帶，因此施工中的重點也涵蓋防排水作業(yè)。而與普通的隧道工程相比，本項目為城市地鐵跨既有線路工程，施工環(huán)境復雜且周邊泵房容量有限不適合地下水向外排出，所以技術(shù)人員決定采用“以防為主”的策略，來應對隧道掘進時發(fā)生的走水現(xiàn)象。此外為加快工期進度，在掘進的同時特展開管片拼裝作業(yè)，將雙護盾TBM工法的高效特點應用到極致。具體防排水施工要點如下。

4.1 防水體系的設計

作為防排水施工的重點工作之一，防排水整體系統(tǒng)的設計尤為關(guān)鍵。就本項目而言，雙護盾工法中選用的管片參數(shù)如下所述：管片類型為P12/C50預制型；接縫部位利用復合型化學橡膠墊來密封，且接縫部位張開量參考值在6.5mm左右，縱縫和環(huán)縫的錯臺部位參考值是5mm和6mm；斷面密封墊高度為25mm，頂寬35mm，凈面積482.8㎡；防水壓力設計2.5MPa。

除上述之外，由于本項目具備高水壓的特性，這就需要防水密封墊的材料截面面積較之前的要稍微增大一些，并利用厚度為2.5mm的膨脹止水橡膠來提高接縫處密封材料的拉伸韌度，具體如圖1所示。

圖1 管片密封墊設計平面圖（單位：mm）

4.2 特殊部位防水作業(yè)

管片拼裝時，對于特殊部位的防水處理要按照現(xiàn)場的實際情況去一一解決。如注漿階段，所用注漿材料非一般的材質(zhì)，技術(shù)人員需選用凝結(jié)快、密度高的注漿材料，并在整個注漿作業(yè)中隨時觀察注漿壓力的變化和注漿量的大小，另外為達到管片注漿結(jié)構(gòu)具備一定的安全性，同時需對水壓和水量展開實時監(jiān)測，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果及實際的泵房排水功能的大小來控制排水量的速度與量升，尤其對高水壓地段內(nèi)的墻邊和通道部位，必要時需設置泄壓設備以達到分解水壓的效果，用以降低排水量過大而出現(xiàn)的聚集性走水現(xiàn)象[3]。

4.3 管片防滲漏解決辦法

在防排水的管片施工中，技術(shù)人員可根據(jù)項目的實際情況來提前采取一定的控制措施以應對后續(xù)施工中有可能出現(xiàn)的涌水現(xiàn)象，具體為以下幾點。

（1）對于高水壓地段可以利用雙液漿的注入方式以縮短凝固的時間，并以純水泥漿作為注漿的材料，這樣可將管片背后的空隙處得到充分的填實。而在盾尾100環(huán)的部位注漿時，壓力最好控制在0.4MPa~0.8MPa，并從底部沿掘進方向的順序注5~7次后，立即對第7環(huán)的管片底部進行觀測，如無漏漿液現(xiàn)象發(fā)生便可終孔，隨后開展腰部和頂部的注漿作業(yè)，以此順序循環(huán)推進。

（2）硬巖區(qū)間的TBM工法使用的管片，可選擇具備雙層止水功能的管片類型，可起到掘進作業(yè)中的盾尾底部管片良好固結(jié)的作用，并做到邊注漿邊填充，以便漿液及時凝結(jié)從而形成隔水層，最終達到穩(wěn)固的效果。

4.4 防排效果分析

經(jīng)驗證，本項目在硬巖地段的隧道施工中，因科學合理的運用了TBM工法的管片拼裝技術(shù)，固沒有出現(xiàn)嚴重漏水等現(xiàn)象，且在整體竣工后只出現(xiàn)過幾次噴涌式漏水，位置均在注漿孔處。對此，技術(shù)人員也及時地進行了處理和管控，使得工程的整體防水質(zhì)量大有提升，方法值得借鑒和推廣。

5 結(jié)束語

綜上所示，在本項目硬巖地段隧道掘進作業(yè)的時候，雙護盾TBM工法相較于普通的礦山法以及其他施工方法，操作環(huán)節(jié)既不復雜又兼具一定的高效性和安全性，經(jīng)濟性能也在可控范圍之內(nèi)，應用前景極為廣闊。而在具體的開展作業(yè)當中，施工人員也要依照對項目的實時勘測結(jié)果及時地對施工方案進行調(diào)整和優(yōu)化，保障雙護盾TBM工法的優(yōu)勢發(fā)揮到最大程度，加快工程的順利完成。