城市地鐵雙護盾TBM設計及應用

王杜娟， 寧向可

(中鐵工程裝備集團有限公司, 河南 鄭州　450016)

0　引言

雙護盾TBM作為全斷面巖石隧道掘進機的一種，于1991年的甘肅“引大入秦”工程被引入國內[1-2]，隨后陸續在云南掌鳩河引水工程、新疆八十一大阪引水工程、青海引大濟湟總干渠、山西萬家寨引黃工程、陜西引紅濟石工程等山嶺輸水隧洞中應用。2014年，雙護盾TBM開始應用于國內地鐵工程，目前已經應用的城市主要有青島和深圳。城市地鐵隧道施工不同于山嶺隧道施工，具有掘進區間短、線路曲線半徑小、頻繁過站、場地環境受限、豎井始發等特點，原山嶺隧道TBM的設計方案已不再具有普遍的適用性，需要根據實際工程環境和特點進行針對性的選型和設計。

目前，國內學者已針對雙護盾TBM選型及適應性設計(城市地鐵項目)、雙護盾TBM施工關鍵技術和施工風險等開展了一定研究。文獻[3-5]以青島地鐵2號線為研究對象，分析了影響雙護盾TBM掘進效率的地質因素以及雙護盾TBM在所應用區間的地質適應性，指出就圍巖的抗壓強度、完整性和耐磨性等指標來說，青島地鐵比較適合采用雙護盾TBM施工；文獻[6]重點結合不同地鐵區間支護形式的特點，根據車站工法提出TBM整機曲線過站方案，采取錨噴+模筑襯砌相組合的方式，解決了TBM過站多次拆解、組裝、調試對車站影響的問題；文獻[7-10]論述了雙護盾TBM的技術特點和地質適應范圍，分析了雙護盾TBM施工的優缺點；文獻[11]結合某電站引水隧洞，分析計算了管片襯砌的極限承載力，指出管片能承擔的最大外水壓力與縫寬、混凝土強度等級和管片厚度呈線性關系，與圍巖變形模量呈二次曲線關系；文獻[12]結合某隧道雙護盾TBM的卡機過程，對TBM卡機風險進行分析，指出TBM在遭遇斷層破碎帶等不良地質時，應提前采取巖體加固措施，通過預注漿及適當調整掘進參數等方式，降低卡機風險。

雙護盾TBM技術在20世紀已比較成熟，僅德國維爾特公司就生產了200多臺各種直徑的雙護盾TBM，且大多應用于山嶺隧道，而在城市地鐵應用還處于起步階段，其應用案例較少。目前國內主要在青島地鐵和深圳地鐵使用過雙護盾TBM。筆者參與了其中部分項目的TBM選型、設計、制造及應用，有一些體會，總結下來以供參考。

1　城市地鐵雙護盾TBM的特點及要求

雙護盾TBM具有2種掘進模式(雙護盾模式和單護盾模式)。當采取雙護盾模式開挖時，TBM推力通過支撐盾內布置的撐靴傳遞至洞壁，無需通過輔推油缸傳遞至管片，在極硬巖環境下需要大推力時優勢明顯；TBM掘進與管片拼裝可以同時進行，平行作業，成洞效率高。而在軟弱、破碎地層掘進時，由于圍巖提供的支撐力有限，采用單護盾模式開挖，利用管片環提供掘進推力。因此，針對硬巖地層占比較高的地鐵隧道區間，雙護盾TBM以其硬巖地層的高效性和軟巖地層的可靠性，得到越來越多的應用。另外，由于地鐵隧道自身的特殊性，要求對雙護盾TBM進行科學的選型以適應城市地鐵工程的要求。

1)結合國內各大城市地質條件的不同，雙護盾TBM多應用在東部或東南部沿海城市，例如： 深圳地鐵項目，穿越地層以中、微風化花崗巖為主，巖石單軸抗壓強度普遍較高，多在80～180 MPa，同時多為高石英含量，要求TBM在硬巖環境下具備高效的破巖能力。

2)城市地鐵站間距普遍在500～3 000 m，連續開挖距離較短，TBM常常會遇到過站、轉場等工序；同時，受場地空間所限，TBM始發多采用豎井分體始發。因此，TBM主機、單件和整機長度應盡量縮短，各部件的結構尺寸需方便洞內拆卸、運輸、吊運和組裝，以滿足豎井內部組裝，縮短整機組裝時間。

3)城市地鐵線路受建筑物、既有城市布局等客觀條件限制，需要設計合適的曲率，與引水隧道普遍的直線線路或者大曲率半徑不同，其曲線轉彎半徑一般較小，多在250～400 m，要求對雙護盾TBM主機長度與直徑的比值(簡稱長徑比)、盾體與巖壁間隙、管片吊機軌道等參數進行特殊設計，滿足整機小曲線轉彎的性能要求。

4)根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》[13]、GB 50446—2008《盾構法隧道施工及驗收規范》[14]以及GB 50490—2009《城市軌道交通技術規范》[15]要求，地鐵主體結構工程設計使用年限應為100年，對管片拼裝質量有嚴格要求，需要嚴格控制襯砌環錯臺和管片破損程度，且一般要求TBM能夠滿足全部拼裝點位，同時對管片壁后注漿工藝及管片的穩固性需要特別考慮。雙護盾TBM不同于壓力平衡盾構，其為敞開模式掘進，管片壁后回填采用豆礫石砂漿而不是采用同步注漿的形式，注漿工藝和注漿質量將直接影響管片的襯砌質量。

5)在斷層破碎帶地層中掘進時，由于圍巖不穩定，且不具備壓力平衡功能，TBM可能會遇到掌子面失穩、涌水涌泥、卡機等風險，雙護盾TBM雖可以切換至單護盾模式掘進，但由于護盾較長，TBM存在卡機的風險，因此要求TBM具備防卡機和脫困功能。

2　TBM針對性設計

根據城市地鐵隧道開挖的特點，城市地鐵雙護盾TBM設計需要從高效破巖、斷層破碎帶防卡脫困、小曲線轉彎和管片壁后回填灌漿工藝等方面進行重點考慮，并做針對性設計。

2.1　刀盤高效破巖針對性設計

高效破巖是TBM考慮的首要問題，直接決定了TBM刀盤與地質的適應性。高效破巖取決于刀盤、刀具的設計合理性和質量可靠性，主要包括以下幾個方面：

1)高強度刀盤盤體設計。目前TBM刀盤盤體結構主要包括2種： ①采用相對較薄鋼板(90 mm左右)拼焊的形式。此種形式優點為制造成本低、周期短；缺點為焊接工作量大且焊縫數量多，刀具布置位置受限，盤體的抗疲勞能力低，開裂風險大，可靠性降低。②整體或者局部采用鍛造厚板(300 mm左右)形式，刀座孔在厚板上加工形成。此種形式焊縫少，降低了應力集中，刀具布置均勻，盤體可靠性更高。二者相比各有優勢，但在硬巖或極硬巖環境下，追求盤體的可靠性是第一位的。

2)合理的刀間距設計。TBM刀盤破巖機制不同于壓力平衡盾構，TBM配置硬巖重載滾刀，其破巖主要利用滾刀的滾壓破碎。因此，在足夠的推力下，合適的刀間距能夠在一次滾壓過程中將巖石裂紋貫通并剝落，可以有效降低二次破巖造成額外磨損。對于深圳地鐵隧道的巖石強度，TBM刀盤的刀間距一般設計為80 mm左右，如圖1所示。合理的刀間距設計，能夠使滾刀以較小的貫入度破碎巖石，在保證良好破巖性能的同時，還可以有效降低刀盤振動，延長刀具使用壽命。

圖1　深圳地鐵雙護盾TBM滾刀刀間距示意圖(單位： mm)

3)刀具非線性布置。刀具的布置形式有多種，受盤體結構形式影響，某些刀盤(薄板拼焊式)只能采用線性布置(見圖2)，刀具較為集中；而厚板刀盤可以充分利用盤體表面，將刀具進行非線性布置(見圖3)，刀具布置更均勻，刀盤動平衡也更穩定，利于延長刀盤使用壽命。

圖2　刀具線性布置

圖3　刀具非線性布置

2.2　TBM過斷層破碎帶針對性設計

受地質構造影響，隧道沿線大部分存在斷層、破碎帶等不良地質，TBM穿越該不良地質時，存在卡刀盤、卡盾體和掌子面失穩等風險。因此，在充分掌握沿線地質特點的同時，TBM要預先考慮應對該風險的針對性設計和應急措施。

1)為降低掌子面失穩或坍塌風險，TBM刀盤圓周區域暴露在盾體外的面積應盡量小，從而降低刀盤在轉動過程中對周邊圍巖的擾動，同時降低刀盤轉速，使TBM慢速通過。

2)TBM通過刀盤周邊布置的刮渣口出渣，刮渣口的設計直接決定了TBM出渣的順暢程度。在破碎地層，由于圍巖坍塌等非正常破巖脫落的巖渣會造成皮帶機卡死等現象，因此，在破碎帶要尤其注意刮渣口的尺寸，必要時還要采取局部封堵等措施，降低出渣量，保證圍巖的穩定。

3)刀盤采用變頻驅動，必要時可以獲得1.5倍(相對于額定轉矩)甚至更大的脫困轉矩。在卡刀盤的情況下，迅速啟用大轉矩，降低TBM卡機風險。另外，推進系統設計高壓脫困模式，一旦推進阻力加大，即可采用大推力脫困模式，避免因推力不足而停機并最終導致卡機。

4)TBM盾體直徑采用階梯遞減設計。由于雙護盾TBM主機較長，其相對開挖直徑的比值(長徑比)較大，尤其在軟巖收斂地層，卡盾體的風險較高。通過盾體階梯遞減設計，盾體直徑由前往后逐漸減小，降低卡盾體風險；同時，在前盾頂部預留合適的間隙，共同降低卡機風險。

5)TBM擴挖設計。TBM擴挖最簡單直接的方式，即在相應邊刀的刀座上安裝墊塊或者加厚的“C”型塊，通過刀具的機械式外移擴大刀盤開挖直徑，實現擴挖。為保證刀盤的底部與盾體的間隙不變，避免底部超挖引起主機栽頭，在刀具墊高的基礎上，配合主驅動抬升功能將刀盤向上抬升，在拱頂區域形成2倍的擴挖量，降低卡機風險。

除此之外，TBM盾體還要預留合適的應急處理窗口，必要時方便采取人工應急措施，同時預留超前鉆機安裝位置和工作空間，便于采取注漿加固等措施。

2.3　小曲線轉彎針對性設計

雙護盾TBM對小曲線的適應能力，主要取決于盾體的鉸接形式、最大不可分割部件的長度和寬度以及軌道行走機構的能力等。

1)擴大TBM刀盤的初始偏心量，使盾體與圍巖的間隙相對較大，同時擴大伸縮盾體之間的間隙。結合實際線路半徑進行理論模擬，在滿足TBM順利通過的同時還要確保管片的拼裝質量，在必要時現場采取刀盤擴挖措施，擴大安全余量。

2)后配套臺車行走輪對與軌道的匹配。在給定的曲線半徑上，臺車前后輪對輪緣要始終能夠行走在軌道上且留有余量，臺車與臺車的鉸接滿足曲線要求。

3)管片吊機行走與軌道的匹配。采用單軌梁齒條嚙合形式，在鉸接位置滿足曲線要求，確保不發生脫齒或者脫鏈。

4)主機皮帶機一般較長(約20 m)，TBM轉彎時容易與相鄰結構件發生干涉，需擴大安全間隙，將皮帶機驅動部輪對輪緣與軌道預留合適的安全余量。

在具體施工中，需要綜合考慮TBM掘進軸線偏差、管片拼裝誤差以及TBM盾體局部變形等影響，輔助采取以下措施： 1)選用環寬相對較小的管片(如1 200 mm)； 2)擴挖能力大于50 mm(半徑方向)。

2.4　回填灌漿工藝針對性設計

城市地鐵隧道管片(外徑6 m)一般采用“3(標準塊)+2(鄰接塊)+1(封頂塊)”的型式，管片吊裝孔即為對應的回填灌漿孔。雙護盾TBM回填灌漿方式不同于常規的壓力平衡盾構，國內相關工程采用的工藝不盡相同。對比不同的施工工藝和效果，建議采用“管片壁后豆礫石回填+水泥漿液灌注”的方式進行回填灌漿。

1)豆礫石回填。隨著TBM向前掘進，拼裝成環的管片逐漸從尾盾內脫出，當底管片中心孔脫出尾盾止漿板后，即可進行底管片的豆礫石回填。回填時，先對底部2片管片的中心孔進行回填，填滿后，再順次沿管片向隧道腰線以上的管片中心孔進行回填，最后對頂部管片的中心孔進行回填。這樣的分層回填能夠有效保證回填質量和防止管片錯臺。管片壁后豆礫石回填均在尾盾后5環以內完成。

2)水泥漿液灌注。傳統的水泥漿液灌注有2種方式： ①洞內制漿。將水泥干料運到TBM后配套上，與水按一定比例進行攪拌制漿，再進行灌注。②洞外制漿。水泥漿液在洞外完成拌合，通過罐車運至洞內，完成灌注。罐車應具備攪拌功能，防止漿液中途凝固。

城市地鐵隧道多采用豎井始發，豎井使用龍門吊進行垂直提升。由于TBM掘進區間長度一般較短，建議采用洞外制漿，利用管路輸送至洞內(見圖4)。輸送過程中，控制水泥漿液的流量和壓力，并在每次輸送后用清水沖洗干凈，避免水泥漿液在管路內凝固。

(a) 洞內輸送鋼管

(b) 灌注軟管

Fig. 4Steel pipe for cement slurry transmission and hose for grouting in tunnel

水泥漿液的灌注位置分2種情況： 1)正常情況下，在TBM后配套尾部進行灌注，由于所有的管片灌注孔均已暴露在隧道內，方便連續灌注，灌注質量好、效率高。2)必要時，為保證全站儀固定位置的管片環穩定，于每次搬站前，在全站儀固定位置的前4環和后5環的管片壁后提前進行水泥漿液的灌注，此灌注區域一般位于TBM設備橋部位，具備整環施灌條件。

3　雙護盾TBM應用案例

3.1　工程概況

深圳地鐵10號線孖嶺站至雅寶站區間左右線采用2臺由中鐵裝備自主研制的雙護盾TBM施工，區間全長3.8 km，其中TBM法開挖長度為2.96 km，如圖5所示。隧道洞身穿越地層主要為微風化花崗巖及局部中風化花崗巖(見圖6)，其中微風化花崗巖占95%，巖石強度最高超過120 MPa，普遍在100 MPa左右，存在F1、F2斷層以及局部構造破碎帶，地下水位埋深0.6～9.9 m，主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。TBM開挖直徑為6.5 m，隧道埋深最大為232 m，TBM為單向上坡掘進，線路最大縱坡為27‰，最大縱坡長度為112 m，線路平面最小曲線半徑為350 m。管片采用“3(標準塊)+2(鄰接塊)+1(封頂塊)”的型式，外徑6 200 mm，厚400 mm，環寬1 500 mm，管片背部采用豆礫石和水泥漿填充。

圖5　孖雅區間平面布置圖

圖6　孖雅區間地質縱剖面圖

3.2　雙護盾TBM技術參數及掘進情況

3.2.1雙護盾TBM技術參數

雙護盾TBM主要技術參數見表1。

3.2.2雙護盾TBM實際掘進情況

受場地限制，現場采用“始發豎井+龍門吊”的方式進行材料和巖渣的垂直提升，如圖7和圖8所示。始發井深44 m，垂直提升高度為49 m(含地面以上高度)。雙線隧道共用1臺龍門吊提升設備。

現場在斜井位置安裝洞內翻渣臺(見圖9)，利用膠輪車通過斜井出渣，大大降低了始發井龍門吊的使用強度，節約了出渣時間，提高了掘進效率。

表1　雙護盾TBM主要技術參數

圖7　始發豎井平面圖(單位： mm)

圖8　始發豎井照片

圖9　洞內翻渣臺

為保證管片后部注漿質量，現場采用顆粒圓潤的天然豆礫石(見圖10)，豆礫石流動性好，大大降低了管路磨損。

圖10　天然豆礫石

雙護盾TBM于2017年3月始發掘進(見圖11)，12月22日實現右線貫通(見圖12)，累計掘進2 840 m，掘進速度為20～60 mm/min，推力為7 000～12 000 kN，最高日進尺24 m，最高月進尺468 m。

圖11　TBM始發

圖12　TBM成洞

4　結論與建議

通過科學的選型和合理的針對性設計，在城市地鐵以硬巖為主的隧道施工中，采用雙護盾TBM是合適的，能夠滿足高效破巖、小曲線轉彎、順利通過斷層破碎帶和保證管片拼裝質量的要求，同時配合洞內翻渣等措施能夠發揮掘進效率高的優點，大幅縮短隧道的建設周期。但是，豎井吊機出渣相對于連續皮帶機，出渣方式受限，使雙護盾TBM的掘進效率受到了一定的制約，建議開發新的出渣方式(如垂直提升皮帶機等)，以解決豎井出渣受限的問題。本項目安裝的洞內翻渣臺，利用斜井出渣是一次積極、有效的探索，相信通過提升出渣效率，雙護盾TBM在城市地鐵工程建設中會有更大的應用空間。