復合式TBM在重慶地鐵的首次應用

曹 偉

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

為解決施工安全、工期、施工占地等一系列問題，從而找到更適合重慶地鐵建設需要的機械，以傳統的TBM為基礎，吸取了土壓平衡盾構的原理及優點，并對刀盤、刀具、主軸承、主驅動以及螺旋輸送機等設備進行針對性改造，命名為“復合式TBM”[1]。本文以重慶地鐵六號線二期工程為背景，從支護措施、沿線施工條件、過站等方面分析其適應性，并通過有限元軟件進行數值模擬，進一步研究管片結構內力計算、掘進引起的地表沉降、近距離下穿周邊建(構)筑物的風險評估等，進而解決復合式TBM首次應用涉及的一些主要問題。

1 工程背景

1.1 工程概況[2]

六號線二期工程全長約41.78 km，線路平面最小曲線半徑為500 m，最大縱坡為28‰。南段線路長約15.51 km，其中地下線長約11.90 km，高架線長約2.13 km，路基段長約1.30 km，敞開段長約0.18 km;北段線路長約26.27 km，其中地下線長約17.29 km，高架線長約8.21 km，敞開段長約0.77 km。全線共設14座車站，平均站間距2.98 km。

1.2 地質概況[3]

沿線地形起伏較大，多為中丘地形，反向坡較陡，坡角 20°～30°，順向坡較緩，坡角 10°～20°。由地表向下主要地層為人工填土、粉質黏土、中風化砂質泥巖與中風化砂巖互層，場地各巖土層物理力學參數如表1所示。區間隧道所處地層主要為中等風化的砂巖及泥巖，為較軟～硬質巖，巖層均勻單一。巖體飽和單軸極限抗壓強度值為7.5～30.9 MPa，巖體完整性系數0.45～0.75，軟化系數0.60～0.77;主要發育兩組節理，微張，局部張開約1～2 mm，間距1～4 m左右，延伸長度為2～4 m，裂隙內充填泥質。除銅鑼山與中梁山之外，其余大部分地下區間地下水不甚發育，主要為松散層孔隙水以及基巖裂隙水，受大氣降水以及城市給排水管網滲漏水補給，涌水量較小，水文地質條件較好。巖層具有一定的自穩能力。

表1 地層物理力學參數

2 復合式TBM適應性分析

文獻[4]從地質條件、線網線形、區間埋深及掘進長度等方面對復合式TBM的適應性進行了分析。本文重點從復合式TBM支護措施、沿線施工條件、過站等方面進行適應性分析。如表2所示，復合式TBM開挖后，管片緊跟、同步注漿及二次注漿保證了管片背后密實，確保了洞周的穩定性和安全，為順利通過圍巖破碎帶、埋深較淺地段以及下穿建(構)筑物等高風險區域創造有利條件。復合式TBM始發、轉場、吊出施工占地相對較小，對場地要求較低，完全符合老城區用地現狀。復合式TBM掘進區段相對較短，且多采用“先站后洞”，在車站端頭分解主機與后配套，主機偏移后用過站小車過站，只需端頭局部加寬，既減少了工程浪費，又降低了對相鄰車站工期的影響;同時，復合式TBM作業環境較好，減少了多種職業病的危害，并降低了對地面環境的影響。

表2 傳統的TBM與復合式TBM適應性比較

3 斷面設計及管片結構計算

3.1 斷面設計

從經濟性和實用性方面考慮，并結合國內相似地鐵工程的成功經驗，盾構管片采用C50混凝土，管片外徑6 000 mm，內徑5 400 mm，厚度300 mm，幅寬1 500 mm。環向采用“1+2+3”的分塊模式，即1個封頂塊+2個鄰接塊+3個標準塊，如圖1所示。管片塊與塊、環與環之間采用高強螺栓連接，縱向錯縫拼裝。

3.2 管片結構計算[5]

針對區間隧道情況，根據隧道埋深、地質條件及周邊環境選取最不利位置，并借助有限元軟件建立“荷載—結構”和“地層—結構”2種計算模型，對管片內力和地表沉降進行計算分析。

3.2.1 管片內力計算

圖1 復合式TBM橫斷面

管片是計算中的重點模擬對象，采用能考慮接頭位置與剛度的精確計算法計算，采用有限元軟件進行分析。如圖2所示，將盾構隧道管片襯砌結構假定并離散為等厚度小變形彈性直梁單元，用接頭抗彎剛度Kθ來體現環向接頭的實際抗彎剛度。當錯縫式拼裝時，由于縱向接頭將引起襯砌圓環間的相互咬合作用，此時根據錯縫拼裝方式，除考慮計算對象的襯砌圓環外，還將對其有影響的前后襯砌圓環也作為研究對象;采用空間結構進行計算，并用圓環徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現縱向接頭的環間傳力效果。結構與圍巖的作用模式通過設置在結構周圍只能受壓的徑向和切向彈簧來實現，彈簧受拉時將自動脫離，彈簧的剛度由結構周圍圍巖的地基抗力系數決定。

圖2 精確計算法力學模式與計算模型

計算中依據地質勘察資料和相應的規范選取參數，并通過不斷改變地下水位建立多種工況研究地下水位對管片結構的影響。通過對比分析計算結果發現:不考慮水壓力的作用為管片結構最不利工況，計算結果如圖3所示。

圖3 無水情況下管片彎矩、軸力

3.2.2 地面沉降分析

為進一步分析復合式TBM掘進引起的地表沉降，取地面以下60 m、寬度100 m、縱向50 m范圍建立三維“地層—荷載”模型模擬盾構的施工工況，進行足尺計算。計算模型的側面邊界受軸向位移約束，下部邊界受垂向位移約束。通過計算分析發現:隨著盾構機推進，地表沉降值相應變化，引起地表沉降累計最大值為1.2 mm，滿足規范要求。

4 下穿建筑物風險評估

復合式TBM多次近距離下穿道路、管線、居民住宅小區、人防洞室及辦公大樓，存在重大風險，尤其是下穿中央鑫都段。中央鑫都的1號樓(28F/-2F)和2號樓(29F/-2F)均位于區間隧道的左上方，凈距約15 m，部分商業樓(3F/-2F)位于區間隧道的正上方。2號樓與區間隧道幾乎處于平衡狀態，距離最近且單樁設計軸力最大，為最不利情況(圖4)。

圖4 隧道與中央鑫都相對位置(單位:m)

為了盡可能地模擬真實狀態，建立三維“地層—荷載”計算模型，按照以下3個步驟來進行計算:①計算原始應力狀態;②基坑開挖并施加建筑荷載;③下部隧道開挖和支護。從計算結果中提取最有代表性的特征節點進行分析，進一步研究復合式TBM掘進過程中樁基和隧道的位移隨時步變化規律(圖5、圖6)。

圖5 樁基特征點豎向位移

由圖5、圖6可知:由復合式TBM掘進引起的樁基最大豎向附加位移為5.8 mm，且相鄰樁基最大沉降差約為1 mm;掘進過程中，隧道周圍附加水平位移最大值為2.3 mm，出現在隧道左側;豎向位移最大值為4.8 mm，出現在隧道拱頂。可見隧道開挖對上部結構樁基礎的變形影響很少，風險可控。

圖6 左線隧道各特征點位移

5 監控量測

在復合式TBM到達前50 m時，立即布設監測點，進行地表沉降、建(構)筑物沉降及傾斜等監測;同時，在隧道開挖后，立即進行拱頂沉降、水平收斂、底部隆起以及圍巖壓力等監測。各監測項目原則上應根據其變化大小來確定觀測頻率，如洞周收斂位移和拱頂下沉的監測頻率可根據位移速度及離開掌子面的距離而定，如表3所示。

表3 位移速度與監測頻率關系

目前已完成區間結構施工，整個施工過程的監測數據顯示:一般段落最不利位置地表沉降2.0 mm、拱頂沉降2.8 mm、水平收斂4.3 mm、底部隆起0.2 mm;下穿建筑物段落最不利位置建筑物沉降3.1 mm、建筑物傾斜2.1 mm、拱頂沉降2.2 mm、水平收斂5.4 mm、底部隆起0.2 mm;各監測數據均滿足變形控制標準的要求，且與施工階段的數值模擬計算結果基本吻合，建(構)筑物、隧道結構均處于基本穩定狀態。

6 結論

目前，重慶地鐵六號線二期工程共投入9臺復合式TBM，已實現累計安全掘進27.775 km，并創下單臺日掘進19環(28.5 m)、月掘進540 m的記錄。通過以上分析，得到如下結論:

1)復合式TBM適應重慶地區環境，并降低了震動和噪音對周圍環境的不利影響，實現了長距離連續、快速掘進，減少了對相鄰車站的影響，加快了工程進度，確保了施工安全和周邊建筑物的安全，對于重慶地區地鐵建設具有重要意義。

2)針對區間隧道具體情況，通過不斷改變地下水位建立不同工況進行計算比較，取不考慮水壓工況下最不利荷載組合進行管片配筋是合適的;建立三維“地層—荷載”模型模擬TBM的施工工況，動態分析盾構機推進引起的地表沉降的方法可行。

3)采用“數值模擬+監控量測”進行重大風險源評估的方法是可靠的。借助有限元軟件對重大風險源進行定性分析，并通過施工期間的監控量測，動態掌握圍巖、周邊建(構)筑物、隧道結構的變化情況，及時分析、預測和反饋信息，確保了施工安全和周邊建(構)筑物的安全。

4)成功解決了管片內力計算、地表沉降及重大風險源評估等問題，為重慶地鐵建設積累了重要資料。建議結合現場監測進一步完善適宜于重慶地區的成洞技術和圍巖壓力的計算方法;同時，收集復合式TBM掘進過程中的掘進參數，分析螺旋出土機轉速n、總推力F及掘進速度v之間的相互關系，總結其姿態控制要領，為以后類似工程提供更有價值的指導。

[1]王玉卿.重慶地鐵復合式TBM(盾構)施工應用[J].建筑機械化，2011，32(6):28-30.

[2]重慶市軌道交通設計研究院有限公司，中鐵第一勘察設計院集團有限公司.重慶市軌道交通六號線二期工程可行性研究報告[R].重慶:重慶市軌道交通設計研究院有限公司，2009.

[3]重慶市勘測院.重慶市軌道交通六號線二期工程TBM段巖土工程初步勘察報告[R].重慶:重慶市勘測院，2010.

[4]王俊.復合式TBM在重慶地鐵實踐中的關鍵技術研究[J].現代隧道技術，2011(6):88-93.

[5]戴志仁.盾構隧道管片設計若干問題研究與探討[J].鐵道工程學報，2012(6):65-70.