重慶軌道交通開敞式TBM施工問題及對(duì)策

張志勇，關(guān)志鵬，陳小平，劉永升

(1．重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶 4 00042;2．重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，重慶 4 00014)

0 引言

開敞式TBM具有高效、高速、安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在國外已被廣泛地應(yīng)用于地鐵、城市給排水、鐵路、公路等重大工程建設(shè)中，國內(nèi)開敞式TBM也已應(yīng)用于引水、鐵路隧道的建設(shè)中，特別是在長大隧道建設(shè)中，開敞式TBM已成為首選施工方法［1］。

在國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)中，對(duì)于長距離巖層區(qū)間隧道，前期大多采用鉆爆法施工［2-3］，如已經(jīng)開通運(yùn)營的重慶軌道交通二號(hào)線、軌道交通一號(hào)線朝天門—沙坪壩段和沙坪壩—大學(xué)城段、軌道交通三號(hào)線魚洞—江北機(jī)場(chǎng)段，地下區(qū)間隧道全部采用鉆爆法施工。但鉆爆法施工存在諸多不足，如擾民、對(duì)既有建筑物的影響及對(duì)環(huán)境的影響等。

對(duì)于國內(nèi)普遍采用的可行工法——盾構(gòu)法［4-6］，在長距離的硬巖地層條件下，存在刀具磨損嚴(yán)重、管片錯(cuò)臺(tái)等問題［7-9］，即使采取了改進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)和加強(qiáng)刀具等處理措施，但仍然存在掘進(jìn)速度慢、成洞時(shí)間長等缺點(diǎn)。

比較盾構(gòu)法和開敞式TBM，開敞式TBM不僅具有高效、安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且還具有掘進(jìn)速度快、成洞時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。鑒于開敞式TBM的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，重慶軌道交通進(jìn)行了專題研究［10-14］，并在重慶軌道交通六號(hào)線一期五里店—山羊溝水庫敞開段TBM試驗(yàn)段工程中進(jìn)行了工程實(shí)踐。該試驗(yàn)段工程為開敞式TBM在國內(nèi)城市軌道交通工程中的首次應(yīng)用，為城市軌道交通地下區(qū)間隧道開創(chuàng)了新的施工工法，也積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和資料。

1 開敞式TBM實(shí)踐

1．1 試驗(yàn)段工程概況

重慶軌道交通六號(hào)線一期五里店—山羊溝水庫敞開段TBM試驗(yàn)段工程位于長江、嘉陵江兩大地表水系匯合的狹長地帶，呈深切割地貌景觀。穿越地層為侏羅系中統(tǒng)沙溪苗組泥巖、砂巖，巖層受構(gòu)造作用較輕微，構(gòu)造節(jié)理裂隙為較發(fā)育至不發(fā)育、局部發(fā)育，基巖完整性較好;隧道圍巖級(jí)別為 ⅠⅠⅠ～ ⅠV 級(jí)，ⅠⅠⅠ級(jí)圍巖主要為砂巖，飽和抗壓強(qiáng)度為29．9～36．7 MPa，ⅠV級(jí)圍巖主要為泥質(zhì)砂巖，飽和抗壓強(qiáng)度為12．6～17．2 MPa;地表未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象，場(chǎng)地總體穩(wěn)定;水文地質(zhì)條件簡單，主要為基巖裂隙水和大氣降水補(bǔ)給。

試驗(yàn)段工程線路全長約11．69 km，采用2臺(tái)美國羅賓斯生產(chǎn)的φ6．36 m開敞式TBM施工，每臺(tái)開敞式TBM計(jì)劃施工長度為8 261 m(不含步進(jìn)長度)，出碴采用軌道運(yùn)輸。試驗(yàn)段起點(diǎn)位于五里店站始端，終點(diǎn)為山羊溝水庫敞開段。線路位于江北區(qū)、渝北區(qū)和北部新區(qū)3大主城區(qū)境內(nèi)，主要沿主干道五紅路、紅石路和龍山大道地下敷設(shè)，途經(jīng)紅土地站、黃泥磅站、紅旗河溝站、花卉園站、光電園5個(gè)暗挖車站和五里店站、大龍山站、冉家壩站3個(gè)明挖車站，全部為地下站。

試驗(yàn)段工程TBM區(qū)間開挖斷面設(shè)計(jì)為圓形，洞室開挖直徑為6．36 m(新刀6．39 m)，采用“錨-網(wǎng)-拱架-噴射混凝土”初期支護(hù)+30 cm厚強(qiáng)度為C40、防水等級(jí)為P10的鋼筋混凝土二次襯砌。

1．2 試驗(yàn)段工程實(shí)踐

試驗(yàn)段工程于2008年12月進(jìn)場(chǎng)施工，2011年12月主體工程全部完工。工程實(shí)施過程中，由于未完全達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，故啟動(dòng)了既定的鉆爆接應(yīng)預(yù)案，即將光電園—山羊溝水庫敞開段調(diào)整為鉆爆法施工，基本完成了項(xiàng)目總體建設(shè)目標(biāo)。2臺(tái)開敞式TBM從五里店明挖車站始發(fā)，到達(dá)大龍山車站進(jìn)行一次轉(zhuǎn)場(chǎng)，最后在光電站站前吊出井拆機(jī)吊出，沿途共6次過站。試驗(yàn)段實(shí)施過程中，打破了全國城市軌道交通盾構(gòu)施工月掘進(jìn)783．6 m的紀(jì)錄，而且還創(chuàng)造了全國城市軌道交通TBM日掘進(jìn)46．807 m、月掘進(jìn)861．984 m、月平均日掘進(jìn)27．8 m的3項(xiàng)全國新紀(jì)錄。試驗(yàn)段預(yù)期月掘進(jìn)目標(biāo)為600 m，但經(jīng)過綜合計(jì)算，左、右線掘進(jìn)平均月進(jìn)尺分別為406．76 m和518 m，未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［16］總結(jié)了施工過程中存在的問題及處理措施。表1為開敞式TBM通過試驗(yàn)段沿線各車站的方式。

表1 開敞式TBM過站方式統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of modes of TBM transferring stations

2 試驗(yàn)段工程中存在的問題及對(duì)策

2．1 初期支護(hù)較強(qiáng)

2．1．1 存在的問題

試驗(yàn)段工程為開敞式TBM在國內(nèi)城市軌道交通項(xiàng)目中的首次應(yīng)用，沒有類似的項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。開敞式TBM區(qū)間初期支護(hù)設(shè)計(jì)主要根據(jù)既有鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范。ⅠV級(jí)圍巖初期支護(hù)統(tǒng)一采用全環(huán)15 cm厚噴射混凝土+仰拱以上3 m長錨桿(間距為1．2 m×0．75 m(環(huán)×縱))+間距為75 cm的Ⅰ14工字鋼。本試驗(yàn)段工程TBM隧道ⅠV級(jí)圍巖段達(dá)掘進(jìn)長度的99%以上，致使初期支護(hù)的工作量過大，不但增加了工程投資，也導(dǎo)致拱架安裝作業(yè)工作量大、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，噴射混凝土不平、拱架背后易形成空腔、外觀質(zhì)量差、需要進(jìn)行二次補(bǔ)噴、噴射混凝土作業(yè)環(huán)境差等，從而對(duì)開敞式TBM的掘進(jìn)速度有很大影響，也使施工難以達(dá)到預(yù)期效果。

TB 10003—2005 J 449—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50157—2003《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》主要統(tǒng)計(jì)長期鉆爆法鐵路隧道的項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但開敞式TBM區(qū)間隧道施工在圍巖擾動(dòng)、圍巖損傷等方面較鉆爆法小很多，且隧道為圓形隧道，受力條件好。依據(jù)既有鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行市政工程開敞式TBM區(qū)間隧道的初期支護(hù)設(shè)計(jì)偏于保守。

2．1．2 試驗(yàn)段監(jiān)控量測(cè)成果分析

試驗(yàn)段施工過程中進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)控量測(cè)段長300 m。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)成果［16］，總結(jié)出開敞式TBM區(qū)間隧道施工有以下特點(diǎn):

1)錨桿軸力在徑向深度為0．8 m處最大;在2．0 m處就已經(jīng)較小，且隨著時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定;3．5 m處的錨桿軸力從初測(cè)開始就非常小。

2)圍巖變形一般在5 mm以內(nèi)，開挖前3 d變形達(dá)到最大，7 d后變形基本趨于穩(wěn)定，鉆爆法施工圍巖變形為開敞式TBM施工的1．5～2．0倍。

3)通過對(duì)泥巖、沙巖和泥質(zhì)砂巖這3種不同地質(zhì)條件下各斷面的拱頂沉降、水平收斂、錨桿軸力、圍巖位移、圍巖土壓力、混凝土應(yīng)力、初期支護(hù)拱架內(nèi)力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其變化差異很小。

4)初期支護(hù)拱架拱頂處的內(nèi)力最大值為56．7 MPa，比鋼筋應(yīng)力規(guī)范的警戒值和標(biāo)準(zhǔn)值小很多，有較大的安全儲(chǔ)備。

2．1．3 對(duì)策

根據(jù)調(diào)查了解，在鐵路、水工項(xiàng)目采用開敞式TBM施工的隧道完整巖層段基本僅施作錨桿和噴射混凝土，且采用“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工”。

鑒于上述情況，建議對(duì)城市軌道交通開敞式TBM區(qū)間隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，必要時(shí)成立課題組，依托設(shè)計(jì)單位和試驗(yàn)監(jiān)測(cè)單位，針對(duì)開敞式TBM施工的特點(diǎn)，通過調(diào)查國內(nèi)外開敞式TBM施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在后續(xù)開敞式TBM項(xiàng)目中開展相關(guān)試驗(yàn)研究，并結(jié)合理論分析，研究城市軌道交通開敞式TBM區(qū)間隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)，甚至編制并發(fā)布專項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范。設(shè)計(jì)優(yōu)化主要考慮以下幾方面:

1)適當(dāng)加大拱架間距，在圍巖完整性好、巖石強(qiáng)度較高的砂巖地段甚至可以取消拱架;

2)噴射混凝土厚度可以適當(dāng)減小;

3)系統(tǒng)錨桿布置范圍和長度可以適當(dāng)減小;4)初期支護(hù)可以采用“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工”。

優(yōu)化初期支護(hù)后，可以大大減少作業(yè)工作量和縮短作業(yè)時(shí)間，提高施工質(zhì)量和TBM掘進(jìn)速度，縮短施工工期，降低項(xiàng)目建設(shè)投資，但會(huì)增加施工過程控制的難度。

2．2 單工序作業(yè)二次襯砌施工難度大

2．2．1 存在的問題

TBM試驗(yàn)段工程采用單工序作業(yè)(即初期支護(hù)和二次襯砌不同步)，在大龍山站進(jìn)行一次轉(zhuǎn)場(chǎng)。工程實(shí)施過程中，由于未完全達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，啟動(dòng)了既定的鉆爆接應(yīng)預(yù)案，基本完成了項(xiàng)目總體建設(shè)目標(biāo)，但也暴露出二次襯砌施工難度極大的突出問題。

TBM在大龍山站轉(zhuǎn)場(chǎng)后，第1區(qū)段掘進(jìn)施工完成的五里店站—紅土地站—黃泥磅站—紅旗河溝站—花卉園站—大龍山站共10個(gè)單洞單線區(qū)間隧道需同一時(shí)間段集中進(jìn)行二次襯砌施工，設(shè)備、機(jī)具、勞動(dòng)力和混凝土供應(yīng)等集中組織進(jìn)場(chǎng)，較短時(shí)間內(nèi)完成后集中退場(chǎng)，各種資源配置不連續(xù)，從而導(dǎo)致施工組織難度非常大，工期也很難保證;特別是第2區(qū)間大龍山站—冉家壩站—光電園站4個(gè)單洞單線區(qū)間，由于總體節(jié)點(diǎn)工期需要，組織了10臺(tái)模板臺(tái)車的施工能力(含相適應(yīng)的設(shè)備、機(jī)具、勞動(dòng)力和混凝土供應(yīng))，在短短的2個(gè)月內(nèi)集中組織并完成了二次襯砌施工。

2．2．2 對(duì)策

研究城市軌道交通開敞式TBM區(qū)間隧道采用雙工序作業(yè)的可行性(即采用仰拱預(yù)制塊，二次襯砌滯后初期支護(hù)約300 m進(jìn)行同步襯砌)，如新疆中天山隧道、西秦嶺隧道均采用2臺(tái)開敞式TBM雙工序作業(yè)。雙工序作業(yè)既能解決TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)后或完成掘進(jìn)后，多個(gè)單洞單線區(qū)間需要同一時(shí)間段集中組織二次襯砌施工的難題;也能大大縮短初期支護(hù)暴露時(shí)間，有利于初期支護(hù)更進(jìn)一步優(yōu)化。但研究時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下問題:

1)由于軌道交通隧道斷面相對(duì)于鐵路隧道斷面較小，如采用雙工序作業(yè)，運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增大，運(yùn)輸組織難度加大;

2)安裝仰拱塊占用掘進(jìn)工序時(shí)間和二次襯砌同步施工對(duì)掘進(jìn)速度有一定影響，掘進(jìn)速度會(huì)適當(dāng)降低，綜合掘進(jìn)速度預(yù)計(jì)為450～500 m/月;

3)需要設(shè)置仰拱預(yù)制塊廠，并在TBM掘進(jìn)前4～5個(gè)月開始仰拱預(yù)制塊預(yù)制工作;

4)需要解決隧道防水和設(shè)備前方安裝仰拱預(yù)制塊所需的空間問題。

2．3 總體工期控制難度大

2．3．1 存在的問題

TBM試驗(yàn)段工程由于TBM區(qū)間與沿線車站開工時(shí)間相差不多，TBM區(qū)間施工與車站施工相互干擾，TBM掘進(jìn)軌道運(yùn)輸與車站開挖、主體結(jié)構(gòu)施工交叉，無法實(shí)現(xiàn)區(qū)間與車站平行作業(yè)，致使沿線各車站長時(shí)間停工或調(diào)整工法，總體工期控制難度大。如紅土地車站采用掘進(jìn)過站，TBM掘進(jìn)期間無法進(jìn)行車站下部和二次襯砌施工，致使紅土地車站主體開挖停工13個(gè)月;同時(shí)，由于TBM試驗(yàn)段項(xiàng)目全長約12 km，沿線8站8區(qū)間，施工過程中的各種變化因素較多，整條線路的工期控制難度大。

2．3．2 對(duì)策

1)城市軌道交通開敞式TBM項(xiàng)目較沿線車站提前1～1．5年開工，可大大降低TBM區(qū)間施工與車站施工間的干擾，利于項(xiàng)目投資控制和工期控制。

2)城市軌道交通開敞式TBM項(xiàng)目線路長度不宜過長，在4站4區(qū)間或3站4區(qū)間(線路長6～7 km、掘進(jìn)長5～6 km)為宜，過程中不組織轉(zhuǎn)場(chǎng)，施工工期控制在1．5年內(nèi);始發(fā)應(yīng)盡量選擇在敞開段，以便開敞式TBM快速始發(fā)掘進(jìn)，在工作量較小的明挖段或者敞開段吊出，以減少受影響車站的數(shù)量。

3)做好區(qū)域內(nèi)軌道交通線網(wǎng)開敞式TBM項(xiàng)目總體工程籌劃工作，充分利用既有開敞式TBM設(shè)備。

3 結(jié)論與討論

通過重慶軌道交通六號(hào)線一期五里店—山羊溝水庫敞開段TBM試驗(yàn)段工程實(shí)踐，證明了重慶軌道交通地下區(qū)間隧道采用開敞式TBM施工的可行性。開敞式TBM在城市軌道交通工程中的成功應(yīng)用，對(duì)類似工程有很好的借鑒意義，但在TBM試驗(yàn)段工程實(shí)踐中也出現(xiàn)了一些問題。針對(duì)這些問題，提出了基于“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工”優(yōu)化初期支護(hù)設(shè)計(jì)，采用“同步襯砌”方案組織二次襯砌施工，優(yōu)化開敞式TBM項(xiàng)目工程籌劃等措施，確保開敞式TBM在試驗(yàn)段及后期工程中的順利掘進(jìn)。該試驗(yàn)段工程的順利掘進(jìn)，可更好地推進(jìn)開敞式TBM在城市軌道交通工程中的應(yīng)用，從而進(jìn)一步推進(jìn)我國的軌道交通建設(shè)事業(yè)。

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