雙護(hù)盾TBM小轉(zhuǎn)彎半徑（R=260 m）施工技術(shù)研究

李吉，馮少龍

（中鐵五局集團(tuán)有限公司城市軌道交通分公司，長(zhǎng)沙410000）

1 引言

隨著城市地鐵不斷發(fā)展，市區(qū)中心的地鐵隧道不斷飽和。近年來(lái)，許多一線城市逐漸往市郊、城郊發(fā)展。地鐵建設(shè)行業(yè)也不斷成熟，地鐵隧道施工的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格、難度越來(lái)越高。在一些復(fù)雜地質(zhì)、地段，圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)很難滿足施工要求。雙護(hù)盾全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）施工法具有安全、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保和有利于圍巖穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，正在我國(guó)越來(lái)越多的城市地鐵隧道施工中被積極地研究和探索[1，2]。本文基于深圳地鐵6號(hào)線民樂(lè)停車場(chǎng)出入線隧道段的工程實(shí)例，結(jié)合雙護(hù)盾TBM的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)，對(duì)其在小轉(zhuǎn)彎半徑施工中的技術(shù)難題展開(kāi)研究，提出TBM在該隧道段施工的針對(duì)性設(shè)備改造方案與施工技術(shù)要點(diǎn)，并總結(jié)施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題與解決方案，以期為雙護(hù)盾TBM在小轉(zhuǎn)彎半徑隧道施工項(xiàng)目提供一定的參考。

2 工程簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

如圖1所示，深圳地鐵6號(hào)線民樂(lè)停車場(chǎng)出入線隧道線路大體呈東西走向，起點(diǎn)為翰梅區(qū)間，線路出區(qū)間后以R=300 m曲率半徑往西轉(zhuǎn)，沿塘朗山西行1 km，以R=260 m曲率半徑往東轉(zhuǎn)接入民樂(lè)停車場(chǎng)線路，主要依次穿越廈深高鐵、地鐵4號(hào)線、新彩隧道、南坪高速公路、廣深高鐵、牛咀大橋等，均為工程控制點(diǎn)，為避免爆破對(duì)高鐵不利影響，主要采用TBM工法（長(zhǎng)2399.59 m）施工，牽出線段（長(zhǎng)175 m）及洞口段（長(zhǎng)53.8 m）采用礦山法施工，下穿牛咀大橋段采用明挖法施工（長(zhǎng)73.05 m）。

圖1 停車場(chǎng)出入線隧道詳圖

2.2 水文地質(zhì)

如圖2所示，隧道沿線主要穿越地層為中、微風(fēng)化花崗巖層，局部穿越斷層破碎帶，中風(fēng)化花崗巖（單軸飽和抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度平均45 MPa）、微風(fēng)化花崗巖（平均95 MPa，最大125 MPa）。

圖2 停車場(chǎng)出入線隧道縱斷面圖

地下水類型為基巖裂隙水，略具承壓性，地下水對(duì)混凝土及鋼筋局部為弱腐蝕性，其余均為微腐蝕性。隧道埋深3～248 m，最大水頭高度為145 m。

2.3 工程重難點(diǎn)

工程施工項(xiàng)目遇到的重難點(diǎn)主要有以下4點(diǎn)。

2.3.1 施工工法新

深圳地鐵6號(hào)線民樂(lè)停車場(chǎng)出入線隧道使用的“韶山十六號(hào)”雙護(hù)盾TBM是由中鐵五局、中鐵裝備、中鐵華隧聯(lián)合研制，TBM早期多用于山嶺隧道的建設(shè)，在全國(guó)城市軌道交通領(lǐng)域中，TBM施工尚處于起步階段，深圳是在地鐵10號(hào)線才首次引入雙護(hù)盾TBM用于城市軌道交通建設(shè)[3]，而針對(duì)小轉(zhuǎn)彎半徑R=260 m的TBM施工在全國(guó)乃至亞洲都是首次[4]，施工缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

2.3.2 施工風(fēng)險(xiǎn)大

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，TBM區(qū)間段存在4處斷層破碎帶，個(gè)別破碎帶可能水頭高度較高（高度145 m），施工時(shí)容易引起涌水涌砂現(xiàn)象、卡刀盤的情況，施工風(fēng)險(xiǎn)大。

2.3.3轉(zhuǎn)彎曲線半徑小、技術(shù)要求高

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，礦山法空推步進(jìn)段存在一條小半徑為R=190 m、出入線TBM段存在2條小半徑曲線段，一條為R=260 m、長(zhǎng)度720 m的曲線段，另一條為R=300 m、長(zhǎng)度690 m的曲線段，施工過(guò)程控制要求高，施工難度大。

2.3.4 上跨、下穿多

出入線段TBM區(qū)間依次上跨6號(hào)線正線隧道、下穿廈深高鐵、上跨4號(hào)線隧道、下穿新彩通道（新彩隧道）、上穿廣深港高鐵、側(cè)穿牛咀水庫(kù)等，施工過(guò)程控制要求高。

3 雙護(hù)盾TBM設(shè)備改造方案

韶山十六號(hào)TBM整機(jī)總長(zhǎng)141.8 m，共設(shè)臺(tái)車12組，2組連接橋。盾體采用雙護(hù)盾結(jié)構(gòu)，刀盤為面板式刀盤，刀具為非線性布置。驅(qū)動(dòng)形式為電驅(qū)，共設(shè)350 kW的電機(jī)6組，整機(jī)功率為3 388 kW。為滿足此次施工區(qū)間中多個(gè)小半徑、長(zhǎng)距離曲線的施工任務(wù)，專門就設(shè)備進(jìn)行了多項(xiàng)針對(duì)性設(shè)計(jì)及進(jìn)場(chǎng)后期改造，主要包括以下3方面。

3.1 刀盤刀具改造

刀盤共配備單刃滾刀36把，中心雙刃滾刀4把，刮刀為68把，開(kāi)挖直徑為φ6 500 mm，為滿足小半徑施工開(kāi)挖需要，將如圖3所示的39#、40#、41#、42#、43#、44#邊滾刀更換刀座分別漸進(jìn)加高15~50 mm，通過(guò)刀具機(jī)械性外移擴(kuò)大開(kāi)挖直徑，使開(kāi)挖直徑達(dá)到φ6 600 mm。同時(shí)更換加高型邊刮刀，保證開(kāi)挖直徑增大后的進(jìn)土效果。

圖3 刀盤刀具布置示意圖

3.2 伸縮盾扭矩系統(tǒng)改造

“韶山十六號(hào)”雙護(hù)盾TBM設(shè)有主推油缸12組，輔推油缸20組，在掘進(jìn)過(guò)程中由主推掘進(jìn)完成一個(gè)行程后中盾兩側(cè)外部撐靴回收，再由輔推油缸向前頂進(jìn)換步，完成一個(gè)頂進(jìn)循環(huán)。在主推時(shí)靠伸縮盾的自由伸縮對(duì)成孔形成支護(hù)，伸縮盾由伸縮內(nèi)盾和外盾組成，同時(shí)伸縮內(nèi)盾還設(shè)有反扭矩結(jié)構(gòu)，由伸縮內(nèi)盾的8個(gè)扭矩油缸及前盾和支撐盾2組扭矩梁的相互反力作用形成反扭矩裝置，扭轉(zhuǎn)油缸安裝在伸縮內(nèi)盾兩端，“夾持”住扭矩梁，對(duì)稱布置在伸縮盾兩側(cè)，每側(cè)一組，正常施工中，扭矩油缸在扭矩梁上滑行，支撐盾一端因由盾體外側(cè)撐靴穩(wěn)穩(wěn)撐住成孔洞壁形成固定的扭矩梁，扭轉(zhuǎn)油缸通過(guò)固定側(cè)扭矩梁形成扭力從支撐盾到伸縮內(nèi)盾再到前盾傳遞到刀盤，克服抵消刀盤單個(gè)轉(zhuǎn)向的反作用力，從而實(shí)現(xiàn)盾體糾滾功能。

但是由于隧道的設(shè)計(jì)曲線為R=260 m的小轉(zhuǎn)彎半徑曲線，施工難度大，技術(shù)方面不成熟。在彎道掘進(jìn)的過(guò)程中，主推油缸伸出過(guò)多會(huì)導(dǎo)致伸縮外盾和內(nèi)盾形成夾角卡主內(nèi)盾拖著內(nèi)盾伸出，最終會(huì)導(dǎo)致扭矩油缸脫出扭矩梁并發(fā)生位移，失去糾滾功能，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，刀盤在工作的情況下會(huì)短時(shí)間內(nèi)形成非常大的滾動(dòng)角度，不但損壞扭矩油缸及設(shè)備管路線路，還會(huì)對(duì)后續(xù)的糾滾和整個(gè)扭矩系統(tǒng)的重新安裝帶來(lái)非常大的困難。為避免此種情況再次發(fā)生，耽誤施工進(jìn)度，因而對(duì)扭矩油缸做出了部分改進(jìn)。

在伸縮盾后部的左上、右上的扭矩油缸上各添置1組外置行程傳感器，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到主控室上位機(jī)，在程序中增加條件當(dāng)扭矩油缸水平行程到100 mm時(shí)，上位機(jī)會(huì)發(fā)出預(yù)警并中斷推進(jìn)。同時(shí)，在彎道掘進(jìn)時(shí)，增加換步次數(shù)，縮短換步行程，主推行程每次到400 mm換步一次，以確保伸縮外盾和內(nèi)盾干擾小，并經(jīng)常清理扭矩梁梁體的工作面，維持潤(rùn)滑，保證油缸在上滑行時(shí)足夠潤(rùn)滑。通過(guò)對(duì)設(shè)備的改進(jìn)，結(jié)合操作維保人員的培訓(xùn)，能有效有保證扭矩系統(tǒng)在小轉(zhuǎn)彎半徑曲線中的正常工作。

3.3 管片防旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)改造

雙護(hù)盾TBM受限于刀盤刮刀布局因素影響，刀盤通常只能由順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，這點(diǎn)區(qū)別于常規(guī)的土壓平衡盾構(gòu)可以通過(guò)刀盤正反轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整滾動(dòng)角及調(diào)整管片旋轉(zhuǎn)，TBM的這一因素在小轉(zhuǎn)彎半徑隧道段施工過(guò)程中對(duì)管片旋轉(zhuǎn)控制造成了很不利的影響，雖然TBM設(shè)備本身設(shè)計(jì)有盾體防滾角系統(tǒng)在相對(duì)作用力下可以管片旋轉(zhuǎn)方向施以控制，但在使用過(guò)程中主要存在2個(gè)問(wèn)題：

1）由于隧道小半徑方向?yàn)樽筠D(zhuǎn)，與刀盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)反作用力一致，在實(shí)際施工中管片旋轉(zhuǎn)非常嚴(yán)重防滾角系統(tǒng)未能起到有效作用。

2）調(diào)整油缸設(shè)計(jì)偏小，在換步過(guò)程中調(diào)整到最大角度后仍然因壓力過(guò)大而泄壓縮回，未能起到調(diào)整作用。

受此影響給管片的選型和拼裝帶來(lái)了一定的難度，影響了管片的拼裝質(zhì)量；也使后續(xù)臺(tái)車架和電機(jī)車軌道鋪設(shè)不平整，導(dǎo)致拖車偏移，從而影響主機(jī)皮帶與后配套皮帶的正常運(yùn)行，最終影響了正常掘進(jìn)；同時(shí)使全站儀位置發(fā)生偏移，影響了測(cè)量，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)造成誤導(dǎo)，對(duì)掘進(jìn)造成影響。在跟中鐵裝備設(shè)計(jì)技術(shù)人員溝通后決定管片防旋轉(zhuǎn)進(jìn)行改造，主要采取對(duì)原調(diào)整限位結(jié)構(gòu)進(jìn)行割除，增加調(diào)整行程并通過(guò)焊接鋼板墊塊固定的方法進(jìn)行強(qiáng)制性固定。

原管片防旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由A、B、C、D組，每組2根尺寸分別為φ100 mm×155 mm和φ56 mm×155 mm的調(diào)整油缸組成，通過(guò)油缸的伸縮動(dòng)作，給支撐盾后部固定的20根輔推油缸調(diào)整徑向伸出角度，使得輔推油缸撐靴由原來(lái)的與底座垂直變?yōu)檠剌S向順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，進(jìn)而使得油缸在伸出過(guò)程中在管片和油缸底座間形成旋轉(zhuǎn)作用力，得以調(diào)整管片及穩(wěn)定支撐盾角度，如圖4所示。

圖4 輔推調(diào)整系統(tǒng)

4 雙護(hù)盾TBM小轉(zhuǎn)彎半徑施工要點(diǎn)

4.1 小轉(zhuǎn)彎半徑步進(jìn)施工要點(diǎn)

TBM前期空推步進(jìn)段牽出線由礦山法施工，總長(zhǎng)228.8 m，存在一條小半徑R=190 m，長(zhǎng)度39 m曲線段。采用混凝土導(dǎo)臺(tái)步進(jìn)工法。

導(dǎo)臺(tái)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，采用C35混凝土澆筑，主筋采用直徑25 mm的HRB400鋼筋，步進(jìn)反力支架安裝孔尺寸為210 mm×210 mm矩形截面，用于步進(jìn)時(shí)插入反力鋼結(jié)構(gòu)，安裝形式采用鋼板焊接預(yù)埋，步進(jìn)滑軌及電瓶車行走軌道均采用43 kg/m鋼軌。鋼軌壓力3 130 kN，反力支架反力1 200 kN，如圖5所示。

圖5 步進(jìn)導(dǎo)臺(tái)模型

如圖5所示結(jié)構(gòu)，步進(jìn)采用厚度300 mm的2塊常規(guī)管片作為輔推油缸反力頂塊，一個(gè)行程結(jié)束后利用管片拼裝機(jī)把管片重新安置回盾尾，重新下一個(gè)循環(huán)，在直線段步進(jìn)時(shí)采用2次頂進(jìn)，即輔推油缸頂進(jìn)結(jié)束后再由主推油缸繼續(xù)頂進(jìn)以減少管片倒換次數(shù)，節(jié)省時(shí)間，提高步進(jìn)效率。但在轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)小時(shí)由于盾體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，在主推油缸伸出較長(zhǎng)時(shí)，盾體出現(xiàn)在導(dǎo)臺(tái)上偏移、上翹、卡盾，增加了步進(jìn)阻力使導(dǎo)臺(tái)出現(xiàn)后靠變形、導(dǎo)臺(tái)開(kāi)裂、反力管片隆起等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響步進(jìn)進(jìn)度。

經(jīng)改進(jìn)，采用單護(hù)盾模式步進(jìn)，即只使用輔推油缸步進(jìn)，縮短盾體延伸長(zhǎng)度，減小與導(dǎo)臺(tái)的摩擦阻力。調(diào)整主推油缸A、D組油缸行程差，使盾體姿態(tài)和導(dǎo)臺(tái)轉(zhuǎn)彎半徑盡量吻合。減小油缸推力，降低步進(jìn)速度。增加后靠支撐數(shù)量，加強(qiáng)導(dǎo)臺(tái)及支撐變形監(jiān)測(cè)等措施。在順利通過(guò)此次曲線段的同時(shí)，設(shè)備技術(shù)人員同步跟進(jìn)處理設(shè)備結(jié)構(gòu)、油氣管路、電氣電纜等設(shè)施在曲線段的干涉及管線連接處余量是否充足等問(wèn)題，為正線的R=260 m的轉(zhuǎn)彎半徑曲線施工提供保障。

4.2 小轉(zhuǎn)彎半徑正線施工要點(diǎn)

在正線R=260 m施工中遇到的問(wèn)題主要是卡盾和刀具偏磨，主要采取了以下措施：

1）加強(qiáng)刀具檢查管理，嚴(yán)格控制邊滾刀磨損值，超過(guò)磨損量及時(shí)更換，保證刀盤擴(kuò)挖量，并對(duì)刀具磨損情況、使用里程等結(jié)合地層情況做出分析調(diào)整；

2）增加盾體撐靴行程傳感器，通過(guò)撐靴伸出量掌握盾體與巖體間隙，提前做好預(yù)判，確定掘進(jìn)趨勢(shì)與管片選型；

3）調(diào)整豆礫石與雙液漿注入順序，先填充管片曲線外側(cè)，再填充內(nèi)側(cè)，防止管片受推進(jìn)油缸糾偏影響產(chǎn)生偏心錯(cuò)臺(tái)；

4）調(diào)整管片拼裝順序，配合防滾轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制管片旋轉(zhuǎn)；

5）縮短主推行程，增加換步循環(huán)，控制盾體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，防止卡盾。

5 結(jié)論

雙護(hù)盾TBM在隧道施工項(xiàng)目中能夠滿足高效破巖，小曲線轉(zhuǎn)彎，穿越破碎帶以及三類、四類圍巖的高效掘進(jìn)，但在深圳地鐵6號(hào)線項(xiàng)目中，TBM施工從調(diào)試到小曲線半徑隧道施工遇到的問(wèn)題很多，尚須對(duì)設(shè)備自身設(shè)計(jì)做出許多優(yōu)化。本文對(duì)雙護(hù)盾TBM在小轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)段施工難題進(jìn)行研究，內(nèi)容如下：

1）從結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)的角度分析了雙護(hù)盾TBM在小轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)段施工時(shí)的存在的問(wèn)題與不足，然后針對(duì)TBM的刀盤刀具、伸縮盾扭矩系統(tǒng)、管片防旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提出了改進(jìn)方案，保證了雙護(hù)盾TBM順利通過(guò)小轉(zhuǎn)彎半徑隧道段。

2）提出了雙護(hù)盾TBM在小轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)段施工方案與技術(shù)要點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際施工流程，總結(jié)了施工過(guò)程中遇到的難題以及應(yīng)對(duì)策略，對(duì)雙護(hù)盾TBM小曲線半徑地鐵項(xiàng)目施工有一定的參考意義。