深圳地鐵8號線TBM隧道設計要點及分析

李炫松

深圳市市政設計研究院有限公司 深圳 518000

1 引言

隨著我國的城市發展，加上城市功能高度集中的特點，地鐵隧道的施工與維護城市正常功能之間的矛盾越來越突出。為了解決這一矛盾，對城市正常使用功能影響較小的盾構法隧道逐漸取代人工礦山法隧道。

為了適應不同的地質條件及隧道斷面，盾構機的種類日益增多，其中雙護盾TBM能在強風化巖（軟巖）、中風化巖（中硬巖）、微風化巖（硬巖）及伴有地下水的破碎脆弱地層中安全且高效地掘進。

2 工程概況

深圳地鐵8號線梧桐山南站至沙頭角站區間左線長4119m，右線長4136m，隧道采用內徑5.4m的圓形斷面。區間中間穿梧桐山山體部分采用TBM法施工，兩端采用礦山法初支及TBM空推法施工。

圖1 區間工法劃分示意圖

區間隧道埋深11.1～253.1m穿越地層主要為全～微風化凝灰巖，隧道圍巖綜合分級為Ⅲ～Ⅴ級（Ⅲ級：71%、Ⅳ級：13%Ⅴ級：16%）。中風化凝灰巖飽和抗壓強度范圍值為21.30～35.30MPa，微風化凝灰巖飽和抗壓強度范圍值為32.2～92.6MPa。區間兩端隧道洞身主要位于全強風化凝灰巖中，左線長度746.7m，右線長度740.7m；區間中部穿越山體段隧道洞身主要位于中微風化凝灰巖中，左線長度3372.4m，右線長度3395.0m。區間合計存在地質斷層帶四處，兩處位于空推段，兩處位于TBM掘進段。

3 TBM空推隧道設計

區間兩端地層為軟巖，理論上雙護盾TBM具備穿越此類地層的條件，考慮到本段地面為城市主干道，洞內若發生卡機或地面塌陷事故，對城市交通影響較大，因此采用國內應用廣泛的礦山法施工技術。

空推段首先采用礦山法施工超前支護及初支，同時在已完成的初支上施工導臺，為后續TBM步進提供反力，待空推段施工到設計里程后，TBM掘進機進行始發及空推，空推過程中，TBM拼裝管片并對管片背后進行回填。

3.1 礦山法初支

根據隧道所處不同圍巖（Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級）及位置（一般段、洞口段等），礦山法隧道襯砌斷面分為四種類型。隧道結構為兩個單線圓形斷面形式，采用復合式襯砌，二襯為預制的鋼筋砼管片，初期與二襯之間空隙采用豆礫石水泥漿填充密實。斷面采用支護類型如表3-1所示。

表3 -1 斷面類型參數

初支采用C25、P6濕噴混凝土, 鋼筋網直徑8mm，間距150×150mm，砂漿錨桿長3.5m，間距1.2m×1.2m（加密段1.0m×1.0m）梅花形布置，格柵鋼架間距0.75m。

3.2 超前支護

超前支護主要采用大管棚超前支護和小導管超前支護兩種形式，管棚適用于隧道洞口段及橫通道內正線隧道進洞段，超前小導管則適用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖斷面。

管棚采用直徑108mm，厚度8mm的無縫鋼管，管棚拱頂布置，環距400mm，管內填充M30水泥砂漿。

超前小導管采用直徑42mm，厚度3.5mm的無縫鋼花管，沿拱部150°布置，環距400mm，長3.5m，縱距1.5m，管內壓注水泥-水玻璃雙液漿。

3.3 過斷層地段全斷面注漿加固

礦山法隧道通過斷層破碎帶前，需采用超前地質預報對前方斷層長度進行預判，確定范圍后在洞內對掌子面巖體、土體進行超前注漿加固，注漿采用直徑42mm的長管并結合短管進行，管內壓注水泥-水玻璃雙液漿。注漿加固范圍為開挖線外放2.5m，縱向每15m一循環。

圖2 空推斷面示意圖

4 TBM管片設計

4.1 TBM管片的組成：

圖3 管片環斷面示意圖

管片環一般由若干標準塊、2個鄰接塊、1個封頂塊組成，理論上標準塊數量可以自由擬定，但受限于目前施工技術、設備制造及運輸水平，小斷面標準塊一般為2～3塊，大斷面隧道一般為3～6塊；目前深圳常規地鐵盾構隧道一般斷面內徑為5.4～6.0m，標準塊數量通常采用3塊。

一環管片中封頂塊是最后拼裝的管片，受限于兩側已拼裝的鄰接塊，封頂塊拼裝控制要求大于其余管片，封頂塊的楔形量及寬度的擬定是管片分塊設計的關鍵。

圖4 封頂塊插入示意圖一

目前, 國內封頂塊多采用先徑向后縱向插入的方式, 徑向搭接的長度需綜合考慮封頂塊的插入角和盾構機千斤頂的長度，徑向搭接越大，封頂塊插入角度也越大，千斤頂行程越短，從而加快盾構拼裝速度，減少盾構機長度及造價；若插入角度太大, 在施工過程中，管片拖出盾殼后，作用在管片上的軸力可能會使管片沿接縫滑動，且將導致鄰接塊及封頂塊端部角度過小，管片在吊裝及拼裝過程中容易受到損傷。

圖5 管片環斷面示意圖二

考慮30mm管片徑向插入施工間隙，目前深圳常規縱向寬度1.5m的盾構管片及TBM管片徑向搭接長度為環寬的0.85倍，即封頂塊短邊及長邊的差值為200mm ，封頂塊環向中心寬度一般取1/5、1/4或1/3 標準塊環向寬度。

4.2 TBM管片襯砌環的類型：

目前常用的管片襯砌環類型為標準環管片及通用環管片，標準環管片拼裝點位只有兩種，為沿著隧道中心線按一定角度進行錯縫拼裝；通用環管片可沿全環進行拼裝，拼裝角度為相鄰螺栓的整數倍。

圖6 標準襯砌環俯視圖

1）標準環管片：直線地段除施工糾偏外, 多采用直行襯砌環；曲線地段可通過直行襯砌環與左、右轉彎襯砌環組合使用，以模擬曲線。管片環需要3 種類型（直行環、左/右轉彎環）。

優點：拼裝點位固定，拼裝過程較簡單，利于控制拼裝質量，且直行環幾何形狀對稱，特別在區間直行段，拼裝質量、管片受力情況較好；

缺點：管片環種類較多，生產過程需要多種鋼模，增加造價，也不利于現場管理；擬合豎曲線能力較差，不利于豎曲線段的施工。

圖7 通用襯砌環俯視圖

2）通用環管片：通過一種楔形環管片的不同角度的旋轉擬合線路，包括施工糾偏及豎曲線擬合。管片只需要一種類型。

優點：只有一種類型的管片襯砌環, 鋼模造價低，現場施工時便于管理；通過管片不同的旋轉角度實現對平、豎曲線的擬合, 可最大程度地減小曲線擬合誤差的積累。

缺點：拼裝點位多，對管片拼裝過程施工精度及控制要求高；因封頂塊有時會出現在底部，對封頂塊的受力及質量要求較高。

5 結論和建議

以上所述內容可以歸納總結如下：

1）在TBM隧道設計中，應綜合考慮地質、地面環境對TBM隧道的工法及掘進模式的影響，選擇合適的施工方式。

2）TBM隧道空推段初支施工完成后，空置時間較長，初支及超前支護的設計需確保隧洞變形的穩定及安全。

3）管片設計過程中，管片的分塊需結合管片環的類型及曲線半徑進行參數選擇。

4）由于管片通用襯砌環能夠最大程度的擬合平、豎曲線，通常在小半徑盾構隧道中建議采用通用襯砌環。