淺析雙護盾TBM超近距離下穿人防洞室施工關鍵技術

劉 源

（中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065200）

0 引言

隨著社會城市的發展，城市交通壓力日益增大，發展城市立體交通成為必然。與傳統的城市地鐵建設施工方法相比較，雙護盾TBM 工法是一種施工速度快、安全性能高、施工條件好的隧道施工方法。在巖質地層條件下城市軌道交通修建過程中，采用雙護盾TBM 工法能夠較好的解決礦山法所帶來的施工速度慢、爆破振動擾民等問題。近年來，不少專家學者對雙護盾TBM 及其施工進行了研究[1-2]。黃艦對青島地鐵區間隧道雙護盾TBM 地質適應性進行了分析[3]。

該文根據青島地鐵2 號線隧道下穿的人防洞室和設備特性等因素，對雙護盾TBM 工法在青島地鐵超近距離下穿人防洞室施工中的應用進行研究總結。

1 工程概況

青島地鐵是國內首次將雙護盾TBM 運用至城市硬巖隧道地鐵施工工程。青島地鐵2 號線一標03 工區泰山路站～芝泉路站區間隧道共穿越人防洞室2 處，下穿段范圍為ZSK24+950～ZSK25+095（圖1、圖2），ZSK25+125～ZSK 25+280（圖3、圖4），下穿段落長度為300 m，隧道開挖直徑6.3 m。人防洞室均為毛洞，洞室開挖完后，未采取任何支護措施，在線路施工范圍內距隧道頂最近處僅為0.91 m。人防洞室與下穿隧道之間關系復雜，結構外邊緣間垂直距離變化幅度較大。且人防洞室距離區間隧道較近，常年封閉，積水量較大。施工過程中存在坍塌、涌水等重大安全隱患。人防洞室與區間隧道相對關系見表1。

表1 區間隧道下穿人防洞室統計表

2 施工難點

2.1 人防洞室極易出現坍塌

本段落隧道穿越地層以中等～微風化花崗巖層為主，局部地段煌斑巖及花崗斑巖等脈巖發育，部分地段受構造影響為發育碎裂巖等構造巖，圍巖等級多為Ⅴ、Ⅵ級，少部分段落為Ⅱ級，巖體破碎。因人防洞室均為毛洞，且開挖后未采取任何加固措施，隧道成洞后人防洞室下部支承力不足，TBM掘進施工時因擠壓及震動作用破壞了巖體間原有受力平衡，極易造成人防洞室坍塌。

2.2 隧道涌水

圖1 ZSK24+950～ZSK25+095 段人防洞室位置示意圖

圖2 ZSK24+950～ZSK25+095 段人防洞室與隧道位置關系圖

圖3 ZSK25+125～ZSK25+280 段人防洞室位置示意圖

圖4 ZSK25+125～ZSK25+280 段人防洞室與隧道位置關系圖

人防洞室處于長年封閉狀態，洞室內積水量大，且施工時正值雨季，地下水量受季節影響較大，部分破碎巖體滲透性強，局部巖脈及構造巖發育處地下水較豐富，且具有承壓性，其最大涌水量約8.0 m3/d·m，掘進時極易造成洞內大量涌水的情況發生。

2.3 地面沉降造成建構筑物開裂甚至坍塌

TBM 掘進施工對巖體具有很強的擾動作用，加上人防洞室自身結構的特點，極易出現人防洞室下沉變形的情況。土體自重及地面建構筑物附重加劇了地面沉降及坍塌的可能性，大范圍的地層巖體的擾動變形使地面建構筑物發生開裂甚至倒塌，具有較大的安全風險。

2.4 對TBM掘進姿態及掘進參數控制精度要求極高

區間隧道多次交叉下穿人防洞室，人防洞室與區間隧道間最小垂直距離僅為0.91 m，由TBM 始發井至泰山路站掘進施工時隧道坡度為3%。TBM 掘進速率控制不當，會造成圍巖自穩能力下降，易造成坍塌，將降低TBM 的掘進速率。且TBM 在堅硬耐磨巖石中掘進時，刀具磨損和刀圈消耗較快，也會影響TBM 的掘進速率。TBM 掘進施工時盾體呈“抬頭”姿態向前掘進，掘進施工時，如果盾體“抬頭”過大時極易穿透人防洞室底部，如果TBM 掘進速度較快或下部主推油缸推力過大時造成TBM 姿態突變也可能導致上述情況的發生。

3 技術措施

3.1 人防洞室內集水坑處理

3.1.1 現場補勘

人防洞室修建年代久遠，可供參照的資料不足，且前期未對人防洞室進行調查，導致現有人防洞室調查資料不能滿足設計、施工需要。為了保證施工安全，TBM 掘進施工前組織相關人員對此段落圍巖地質情況及人防洞室結構現狀進行現場補勘調查。

3.1.2 回填處理

對洞室內集水坑進行回填處理，采用C30、P8 混凝土進行回填，施工前對其標高、形狀進行詳細勘察，并對坑內積水進行抽排。由于集水坑與區間隧道是局部交叉的，因此，施工完成后保證隧道開挖輪廓上方有不小于1 m 的混凝土覆層。而人防洞室其他部分與區間隧道最少均有1 m 左右，還要對人防洞室進行拱架以及噴射混凝土全面加固，厚度約30 cm。

3.2 預加固措施

人防洞室與地鐵隧道之間的關系復雜，且人防洞室為毛洞，當人防洞室斷面底板與隧道拱頂的距離不足2.5 m時，TBM 掘進過程中人防洞室存在安全隱患較大，為了防止隧道出現坍塌，人防洞室會提前采取加固措施，對此斷面進行全環加固處理。在人防洞室內提前架設全環I16 鋼架，間距1 m，并噴射C25 混凝土包裹鋼架，而斷面底板與隧道拱頂的距離大于2.5 m 時，采用底板噴射250 mm 厚C30、P8 混凝土加固處理，各斷面加固參數表見表2。

表2 各斷面加固參數

為了保證施工安全，區間隧道TBM 掘進后對人防洞室也采取加固措施，TBM 掘進過后，密切監控洞周變形，必要時采取型鋼鋼架+噴射混凝土的加固措施。

3.3 施工參數控制

由于人防洞室距離TBM 隧道很近，隧道拱頂處巖層較薄，因此在TBM 掘進下穿人防洞室時應嚴格控制推力和刀盤轉速等掘進參數，控制人防洞室的安全。該項目所用雙護盾TBM 主要技術參數見表3。施工時遵循“低推力、低轉速”原則，掘進參數選擇見表4。

表3 TBM 主要技術參數

表4 掘進參數

進入下穿人防洞室范圍內掘進施工前10 m 即停機檢修，嚴禁TBM“帶病”進入此段落施工。進入下穿段掘進前5 m 進行掘進參數的調整，推進時速度應控制在2.5 cm/min～3 cm/min，推力＜4 000 kN，以此減小TBM 掘進推力過大及速度過快對地層的擾動影響，減少了土體坍塌的可能性。

為了避免掘進過程中盾體姿態的突變，特別是刀盤“抬頭值”過大，而導致人防洞室底部被穿透的情況發生，掘進時應當精確控制TBM 油缸推力，降低刀盤轉速和推力，減少單位時間內出渣量，不停機快速通過，防止塌方；掘進過程中嚴格控制出碴量。

3.4 監控量測及信息反饋

由于人防洞室距離TBM 隧道較近，隧道拱頂處巖層較薄，為防止在TBM 掘進過程中，人防洞室出現異常情況，過程中對人防洞室的底板沉降、拱頂沉降、凈空收斂以及地表沉降作為主控項目進行了嚴密的監控，并設定了警戒值、控制值，見表5。

表5 人防洞室監控控制值表

為了避免地面構建物出現開裂及坍塌等安全風險，人防洞室內部監測點布設的同時，也要在人防洞室上方布設房屋、地表、管線監控量測點，定時進行測量，如發現有沉降達到預警值，及時采取加固措施。

4 施工效果

該工程雙護盾TBM 超近距離下穿人防洞室施工，在國內城市硬巖地鐵施工中尚屬首例，超近距離下穿人防洞室的區間隧道對設備的適應性和施工技術管理水平提出了嚴苛的考驗，在采取了該文所述的措施后，超近距離下穿人防洞室段未出現坍塌及涌水情況，地表沉降控制在-15 mm～0 mm，地面建（構）筑物未出現開裂、坍塌的情況，各項指標達到優良工程標準，很好地完成了這一重難點的施工任務。

5 結論與建議

結論與建議有如下2 點：1）在雙護盾TBM 超近距離下穿人防洞室段落隧道施工中，既有和一般的隧道掘進相同的一面，又有其特殊性，要著重研究和控制它特殊性的一面。2）在雙護盾TBM 超近距離下穿人防洞室區間隧道施工中，要抓住人防洞室易坍塌、沉降的特點，做好超前預加固及監控量測措施，TBM 進入此段落施工時要嚴格控制施工參數，以“小推力、短進尺、勤監測、勤調整、及時背后回填”的原則進行推進，隨著區間隧道與人防洞室垂直距離的變化不斷進行各種參數優化。