地鐵施工TBM的施工技術(shù)分析

周澤民

摘 要：地鐵施工難度較大，隧道施工是地鐵施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在施工過程中需要通過TBM施工等有效措施進(jìn)行破巖掘進(jìn)并降低爆破施工的影響。

關(guān)鍵詞：地鐵;隧道施工;TBM技術(shù)

中圖分類號(hào)：U231.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 前言

地鐵隧道的施工方法有很多，例如明挖法、暗挖法等，而TBM法屬于暗挖法，在隧道施工中發(fā)揮著重要作用，在施工時(shí)需科學(xué)選擇TBM設(shè)備并加強(qiáng)施工工藝管理，充分發(fā)揮TBM在地鐵施工中的作用。

1 地鐵與TBM分析

1.1 地鐵

地鐵屬于城市軌道交通，主要依賴電力牽引。地鐵是在全封閉的線路當(dāng)中運(yùn)行的，大多數(shù)中心城區(qū)的地鐵線路都位于地下隧道當(dāng)中，而中心城區(qū)之外的地鐵線路多處于地面上或高架橋上[1]相比于其他交通工具，地鐵具有節(jié)省土地、噪音小、減少污染等優(yōu)勢(shì)，但建造周期較長(zhǎng)、成本較高，且部分地鐵抵御火災(zāi)、水災(zāi)、地震等災(zāi)害的能力較弱。例2021年7月20日鄭州暴雨對(duì)地鐵造成了嚴(yán)重破壞，也危害了一些乘客的生命。

1.2 TBM

從廣義角度來看，TBM指的是隧道掘進(jìn)機(jī)，包括敞開式隧道掘進(jìn)機(jī)與護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī)這兩種類型。從狹義角度來看，TBM指的是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)。之前，在軟土地層當(dāng)中常用的掘進(jìn)設(shè)備是盾構(gòu)機(jī)，而TBM比盾構(gòu)機(jī)的使用壽命長(zhǎng)、可靠性強(qiáng)。

2 地鐵隧道施工方法的對(duì)比分析

地鐵隧道（如圖1所示）施工方法主要包括明挖法與暗挖法，不同施工方法的適用環(huán)境不同。其中，明挖法比較適用于隧道結(jié)構(gòu)埋深較淺、施工區(qū)域開闊、交通允許且周圍建筑物少的環(huán)境。相比于暗挖法，明挖法的施工速度較快，成本較低，一般采用整體澆筑鋼筋混凝土矩形框架結(jié)構(gòu)。而暗挖法比較適用于隧道結(jié)構(gòu)埋深較淺，周圍建筑多且交通不允許的環(huán)境中。暗挖法具有施工靈活、形式多樣等特點(diǎn)，可以根據(jù)施工工期、周圍環(huán)境以及地質(zhì)條件選擇不同的施工形式。而地鐵施工多處于城市區(qū)域，施工現(xiàn)場(chǎng)周圍的建筑較多，交通較為復(fù)雜，所以一般利用暗挖法進(jìn)行隧道施工。

暗挖法在地鐵施工中應(yīng)用較為普遍，當(dāng)前技術(shù)也比較成熟，常用的施工方式有TBM法、礦山法、盾構(gòu)法以及淺埋暗挖法等。

（1）TBM法：一般情況下都是在巖石地層當(dāng)中應(yīng)用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，常用在鐵路隧道、水利水電隧道以及公路隧道施工中。但是，地鐵施工當(dāng)中很少應(yīng)用TBM技術(shù)，青島地鐵TBM技術(shù)應(yīng)用較多。相比于其他施工方法，TBM施工技術(shù)具有多重優(yōu)勢(shì)。第一，隧道掘進(jìn)的效率相對(duì)較快。在利用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)，掘進(jìn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，進(jìn)行破巖、出渣以及初期支護(hù)工作，比其他施工方法的施工速度快很多[2]。第二，隧道開挖質(zhì)量較好，超挖量相對(duì)較少。利用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)開挖出的隧道內(nèi)壁相對(duì)光滑，不會(huì)產(chǎn)生過度超挖的情況，可以減少支護(hù)施工，繼而降低施工成本。第三，不會(huì)對(duì)巖石造成較大影響。利用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工可以優(yōu)化開挖面的施工條件，增強(qiáng)巖層的穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)周圍建筑產(chǎn)生較大影響，有利于保障施工人員的人身健康。第四，較為安全。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)可以在刀盤當(dāng)中更換刀具且具備密閉式操控室，改善了作業(yè)環(huán)境，增強(qiáng)了作業(yè)安全性。第五，不會(huì)產(chǎn)生較大污染。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在施工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)較小，噪音小、粉塵也比較少，不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生較大影響。即使在附近居民休息、工作等時(shí)間段也可以正常施工，不會(huì)產(chǎn)生較大影響。但是TBM施工技術(shù)也具有一定的缺點(diǎn)。首先，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)不太能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件。其次，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)零部件以及材料有較高的要求，整體設(shè)備較為昂貴，施工成本較高。再次，在施工過程中應(yīng)用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)無法改變隧道開挖的形狀與直徑。此外，TBM技術(shù)對(duì)車站的始發(fā)、接收等有一定的要求，加大了施工成本。

（2）礦山法：礦山法比較適用于結(jié)構(gòu)埋置較深，且?guī)r層自穩(wěn)能力較強(qiáng)的隧道開挖工程，例如開挖深埋于較堅(jiān)硬巖體中的隧道時(shí)就可以利用礦山法。礦山法施工技術(shù)具有施工靈活、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，成本較低[3]。當(dāng)前，很多城市在建設(shè)地鐵時(shí)都會(huì)選擇應(yīng)用礦山法。但是，在城市區(qū)域當(dāng)中應(yīng)用礦山法會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，也會(huì)對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生較大影響。

（3）盾構(gòu)法：盾構(gòu)法是一種較為先進(jìn)的隧道開挖方法，具有噪音小、振動(dòng)小、施工效率高、對(duì)周圍建筑物與交通影響小等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，盾構(gòu)法的隱蔽性較強(qiáng)，比較適用于軟地層施工，但不能在巖石地層施工中應(yīng)用盾構(gòu)法。

3 地鐵施工中TBM技術(shù)的應(yīng)用

3.1 科學(xué)選擇TBM設(shè)備

常用的TBM設(shè)備有單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)、雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)以及敞開式掘進(jìn)機(jī)。施工單位需根據(jù)地質(zhì)巖層的特性合理選擇TBM設(shè)備。第一，單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)。改良型單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)是在傳統(tǒng)單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上應(yīng)用土壓平衡盾構(gòu)原理設(shè)計(jì)的巖石掘進(jìn)機(jī)，比較適用于硬巖地層施工與軟巖地層施工，隧道支護(hù)應(yīng)用的是同步管片襯砌。第二，雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)。改良型雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)是對(duì)傳統(tǒng)的雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，應(yīng)用了敞開式掘進(jìn)模式與土壓平衡掘進(jìn)模式這兩種模式，不僅增加了螺旋器出砟系統(tǒng)，也增加了噴錨支護(hù)系統(tǒng)，結(jié)合了單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)與敞開式掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，掘進(jìn)效率較快。第三，敞開式掘進(jìn)機(jī)。敞開式掘進(jìn)機(jī)主要是利用支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁，從而承受掘進(jìn)的反作用力，比較適用于硬巖地層施工。若地層當(dāng)中存在破碎帶，需要進(jìn)行注漿加固處理。目前，青島地鐵主要采用雙護(hù)盾TBM，采用預(yù)制管片襯砌結(jié)構(gòu)。

3.2 TBM始發(fā)

在TBM始發(fā)環(huán)節(jié)中，施工人員需要安裝托架與滑移架、鋪設(shè)始發(fā)段的軌道、進(jìn)行吊裝下井、組裝調(diào)試并安裝首環(huán)管片。首先，始發(fā)托架具有在始發(fā)井當(dāng)中對(duì)TBM設(shè)備進(jìn)行定位和支撐的作用，而滑移架可以實(shí)現(xiàn)TBM設(shè)備盾體與托架的運(yùn)動(dòng)。施工人員需要將滑移架設(shè)置在始發(fā)井的底板之上，并將托架設(shè)置在滑移架上，確保滑移架與托架的中心線以及洞門中心線在水平方向保持一致。其次，施工人員需要將鋼軌安裝在鋼枕的預(yù)留槽上，從而完成始發(fā)軌道的鋪設(shè)。再次，當(dāng)TBM設(shè)備被運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)之后，施工人員需利用履帶式起重機(jī)吊裝TBM的盾體與連接橋，并用汽車式起重機(jī)吊裝臺(tái)車。同時(shí)，完成TBM設(shè)備的組裝工作之后，應(yīng)全面檢查設(shè)備的管線連接情況，并對(duì)設(shè)備的供電系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、主機(jī)皮帶機(jī)、刀盤驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)向系統(tǒng)等系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保設(shè)備能夠根據(jù)需求正常運(yùn)行。此外，應(yīng)利用一個(gè)封頂塊、兩個(gè)鄰接塊以及三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)成管片，并在指定位置上安裝首環(huán)管片。

3.3 TBM掘進(jìn)

在進(jìn)行TBM掘進(jìn)時(shí)，施工人員應(yīng)按照基本步驟進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)，即啟動(dòng)后配套皮帶機(jī)與主機(jī)皮帶機(jī)、聲電報(bào)警系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主軸承等潤(rùn)滑系統(tǒng)并進(jìn)行除塵風(fēng)機(jī)、扭矩反作用油缸以及刀盤的調(diào)整和啟動(dòng)。之后，需要對(duì)TBM設(shè)備掘進(jìn)過程中的參數(shù)變化情況以及石渣的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。完成掘進(jìn)之后，需手動(dòng)關(guān)閉TBM設(shè)備，并調(diào)整刀盤位置，完成相關(guān)工作之后進(jìn)行下一階段的掘進(jìn)工作。第二，拼裝管片。應(yīng)按照自下而上的順序拼裝管片，之后利用管片拼裝機(jī)將管片運(yùn)輸至盾尾。在安裝管片之前，需全面檢查管片與盾尾之間的間隙，在拼接管片的過程中擰緊連接螺栓。第三，壁后回填。壁后回填工作至關(guān)重要，主要包括回填豆粒石、壁后注漿等環(huán)節(jié)。首先，當(dāng)管片拖出盾尾之后，為了增強(qiáng)管片的穩(wěn)固性，應(yīng)當(dāng)在管片的預(yù)留注漿孔中吹填適量的豆礫石。當(dāng)噴嘴處被豆礫石填滿之后，就需要關(guān)閉豆礫石噴射泵。需要將豆礫石的回填壓力控制在0.4 MPa，增強(qiáng)回填密實(shí)性。其次，雖然填充了豆礫石，但是豆礫石之間的空隙仍然比較大，需進(jìn)行注漿工作，優(yōu)化隧道的止水性能，增強(qiáng)管片的穩(wěn)定性。施工人員應(yīng)在距離盾尾三十環(huán)的位置進(jìn)行注漿，將吊裝孔打通，從吊裝空的底部進(jìn)行注漿，若附近孔位存在漿液溢出的情況就需要利用漿液蓋住附近孔位并停止注漿工作。若注漿的壓力為0.4 MPa，也需要及時(shí)停止注漿。最后，需進(jìn)行換刀工作。若刀具磨損程度較大，就會(huì)減小TBM的推力，減慢TBM的推進(jìn)速度，會(huì)嚴(yán)重影響施工效率，甚至出現(xiàn)卡殼等情況。施工人員需多觀察刀具的情況，及時(shí)更換刀具，提高掘進(jìn)效率。

3.4 TBM接收

完成掘進(jìn)工作之后，應(yīng)根據(jù)TBM的實(shí)際情況以及洞門的復(fù)測(cè)結(jié)果將TBM的姿態(tài)調(diào)整到預(yù)設(shè)狀態(tài)中。TBM到達(dá)時(shí)效率較慢，可能會(huì)出現(xiàn)下沉的情況，所以在明確TBM的貫通姿態(tài)時(shí)，需要在貫通前的三十米將TBM的姿態(tài)調(diào)整到高出十五至三十毫米的位置，為后續(xù)的TBM接收奠定基礎(chǔ)。當(dāng)TBM在到達(dá)段掘進(jìn)過程中，如果TBM的刀盤出現(xiàn)載頭情況或突變量超過兩厘米時(shí)需要及時(shí)停止掘進(jìn)工作?？梢詫⑦m量水泥添加在最后二十環(huán)注漿液當(dāng)中，增強(qiáng)管片壁后回填的密實(shí)性。

4 結(jié)語

在地鐵施工過程中，施工單位應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)選擇有效的施工方法，明確TBM施工技術(shù)是否合適，做好TBM的掘進(jìn)與接收工作，并加強(qiáng)施工風(fēng)險(xiǎn)控制，保障任何施工環(huán)節(jié)都沒有問題。

參考文獻(xiàn)：

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