雙護盾TBM空推過礦山法段地鐵隧道施工技術

劉航雨 陳壽根 丁華興 王青波

文章以深圳市軌道交通八號線為依托，對雙護盾TBM空推過礦山法段施工技術進行了介紹。根據實際施工進程，描述了始發空推前期準備工作，驗算了TBM空推所需的推力值，總結了空推步進的步驟以及TBM全環拼裝管片的合理順序，最后采用了VMT自動導向系統對TBM空推的方向進行控制和調整。上述研究為今后雙護盾TBM隧道施工提供了有意義的工程資料。

雙護盾TBM; TBM空推; 始發推力; 拼裝管片; VMT自動導向系統

U455.43?? A

[定稿日期]2020-12-03

[作者簡介]劉航雨（1994～），男，在讀碩士，從事隧道及地下工程方面的研究。

隨著我國城市現代化進程的加快，越來越多的城市地鐵正在規劃和建設。城市地鐵隧道的施工效率是需要重點關注的問題，雙護盾TBM以其高效安全的施工優勢，正在我國越來越多的城市地鐵隧道施工中被積極研究和探索[1-3]。不同隧道不同地段，地質結構也是不同的，所以應用的方法也不一樣，如果地層結構是由比較軟的巖層和比較堅硬的巖層混合形成的，這就需要把盾構法和礦山法混合使用。兩種方法各取所長，是工程中遇到比較堅硬巖層的常用方法[4]。

目前，國內外大多是盾構空推過礦山法段隧道的研究較多。深圳地鐵5號線就是這樣的地質條件下施工，在建設過程中，部分隧道采用礦山法進行挖掘，還結合盾構機安裝管片進行作業[5]。梁宇[6]提出為了保證礦山法進入圓形隧道后的路線偏差沒有超過規定值，不受隧道中空間小、活動受到限制的影響，需要嚴格地控制管片的路線和上浮。王春河[7]指出盾構空推過礦山法可能會引起相鄰管片縫隙較大，從而容易引起滲漏水。毛紅梅[8]指出，在使用礦山施工法的時候為了保證盾構機能穩定的通過以及有一個安穩的隧道端頭，應該增強端頭墻的堅固程度。張常光、趙均海、張慶賀[9]利用彈性力學理論推導出了兩向不等地應力條件下管片彎矩和軸力的彈性解析解。張學軍、戴潤軍[10]提出盾構機姿態控制措施，這樣能夠保證隧道的成形以及隧道的質量。

上述文獻對空推過礦山法段隧道主要集中在盾構機施工上，對雙護盾TBM施工研究幾乎空白。本文研究了雙護盾TBM空推過礦山法段隧道的施工技術。該技術在深圳地鐵8號線梧桐山南站至沙頭角站區間中成功運用，可為今后同類工程施工提供實踐經驗。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通8號線一期梧桐山南站—沙頭角站區間線路大體呈西—東走向，起于梧桐山南站，止于沙頭角站。區間線路出梧桐山南站沿東南向側穿梧桐山管理區大樓，后下穿于羅沙路、長嶺天橋及羅沙高架橋樁基礎，區間沿羅沙路直行一段后以曲率半徑500 m下穿長嶺路進入梧桐山段，隧道在梧桐山段時，北段為深鹽二通道山嶺隧道，南端為梧桐山隧道，分別經過長嶺溝、夾門山及五畝地，下穿7處盤山公路，最后下穿于梧桐山隧道口出梧桐山段進入深鹽路，區間沿直線側穿半山悅海小區，下穿盤山公路高架橋進入沙頭角站。區間穿越地層主要為全～微風化泥灰巖，隧道圍巖綜合分級為Ⅲ～Ⅴ級。本區間采用礦山法初支+TBM空推及TBM法施工，其中左線起始空推段長度為538.5 m，右線起始空推段長度為544.5 m，工程示意圖如圖1所示。

2 TBM始發空推方案

2.1 前期準備工作

2.1.1 配套設施準備

配套設施包括兩臺50 t、一臺20 t龍門吊，豆礫石堆放場、水泥堆放場，通風機，充電機，空壓機，10 t叉車、污水泵，渣車，管片車，運漿車，裝載機，輔助汽車吊，柴油發電機組，污水三級沉淀池等。

2.1.2 管片生產

根據現在管片生產情況，預計到TBM始發前管片廠管片庫存能夠達到600環，滿足TBM始發初期掘進需求。

2.1.3 TBM步進前的測量

TBM組裝前的測量包括TBM模擬定位測量，TBM空推段的導臺的測量、反力座測量，TBM模擬姿態初始測量等。

2.1.4 始發托架安裝

在始發托架安裝之前，要在車站端頭井后續施工的車站電纜夾層板的位置施工鋼筋混凝土板，為始發托架后半段提供基座。TBM始發之前對始發臺兩側進行必要的加固，利用預埋在車站底板的鋼板與始發托架進行焊接，并利用H型鋼進行兩邊支撐，保證左右穩定。始發臺的安裝高程根據端頭結構條件進行抬高2～3 cm。

TBM后配套臺車吊裝下井后，拆除始發井內軌道及馬蹬，清除始發井底板雜物和積水，在底板上鋪設一層鋼軌，鋼軌鋪設方向垂直于隧道中心線，間距300 mm。鋼軌上方放置始發托架，按照測量放樣托架中心線必須與隧道中心線重合，托架底部處于同一標高，局部不平整處用鋼板襯墊，托架尺寸12 000 mm×4 050 mm，端部距洞門間無間隙，直接與隧道導臺相接。托架兩側采用H型鋼進行支持加固，始發托架如圖2所示。待空推距離達到150 m、完成TBM始發時拆除負環管片與始發基座，更換道岔。

2.1.5 洞內步進導臺安裝

礦山法空推段隧道多為IV、V級圍巖，這兩類圍巖開挖面暫未進行混凝土襯砌，這樣TBM主機通過時的摩阻力較大。為了減少TBM盾殼底部與隧底的摩阻力，根據TBM通過空推段成功的施工經驗，擬在隧洞底部施做C30素混凝土導臺，并在混凝土導臺上加裝兩條43 kg/m軌以滿足隧底圓順要求，如圖3、圖4所示。導臺工作完成后使用斷面儀對礦山法段凈空進行測量，布置測點間距為5～10 m。若有圍巖侵限，立即提前處理，確保TBM快速順利通過。

2.2 空推進洞推力計算

因TBM進洞后進入暗挖隧道進行空推，TBM始發推力F0等于TBM始發時與托架的最大摩擦力F1、TBM后配套的牽引力F2以及TBM與負環管片的摩擦力F3之和。TBM組裝前應在始發托架上涂抹黃油，以減小TBM始發步進時摩擦力。此時摩擦系數μ1=0.12，臺車與軌道的滾動摩擦系數μ2為0.05，盾體與管片的摩擦系數μ3為0.3。盾體對始發托架的壓力G0、盾體重量G1為541 t、拼裝機重量G2為28 t、雙軌梁重量G3為15 t、負環管片（1.5環管片）的重量G4為7.8 t、后配套設備的重量G5為231.5 t。盾體對始發托架的壓力G0有：

G0=G1+G2+G32+G4=570.3t（1）

TBM始發推力F0有：

F0=F1+F2+F3=82.4t（2）

式中：F1=μ1·G0=68.44t;F2=μ2·G5=11.58t;F3=μ3·G4=2.34t

在拼裝模式下，TBM空推始發時有4根輔助推進油缸完全作用在管片上，為推進提供反力。TBM輔推油缸型號為200/180×2600，4根油缸正常負荷下的總推力為：

Ft=4×P·A=320.4t>82.4t（3）

根據式（3），總推力大于始發推力，滿足TBM的始發要求。

2.3 TBM空推步進

（1）從始發臺至洞門段僅裝底部一塊A或B型管片，為TBM步進提供支反力，底部管片采用通縫拼裝。然后采用拼裝模式用14#～17#輔助推進油缸將管片緩慢、均勻的向后推動。在管片脫出尾盾后，用木楔子塞入管片和始發托架的導軌之間，以免管片下墜，待輔助推進油缸行程達到1.8 m后，重復以上施工步驟依次安裝第二塊、第三塊管片。負環第一塊管片頂住車站電纜夾層板時，應將鐵楔子塞入管片與始發架導軌間，并焊接固定，防止管片錯位后木楔子脫落（圖5）。

（2）TBM在礦山法段內的步進采用單護盾掘進模式空推步進，刀盤和前體依靠輔助推進油缸前進，利用安裝好的導向系統控制隧洞軸線偏差，保證TBM與礦山法隧洞間的間隙，使TBM沿隧洞方向前進，每步進一個行程后，進行礦山法段襯砌管片的安裝、豆礫石回填及灌漿等工作。TBM主機步進后，后配套跟緊主機同步前進，依序鋪設鋼枕梁、三角支腿和鋼軌，鋼軌鋪設為運輸軌及后配套軌。同時進行洞內風、水、電的延伸。

2.4 全環管片拼裝

拼裝時，管片拼裝一般從下向上次序安裝管片。待底部管片（A2）就位后，依次拼裝兩側的標準管片（A1、A3）和鄰接管片（C、B），最后安裝封頂管片（K），封頂塊先以不超過管片寬度4/5的位置徑向推上，然后縱向插入成環。拼裝機盡量居中安裝，以減少接縫出現錯臺，保證拼裝質量（圖6）。

管片就位后立即拼裝并擰緊管片彎曲螺栓，以固定管片位置，控制接縫張角。管片拼裝成環后再擰緊一次，待管片離開盾尾時再復緊一次（圖7）。

2.5 TBM空推方向的控制與調整

2.5.1 步進方向控制

采用VMT自動導向系統和人工測量輔助進行TBM姿態監測，VMT自動導向系統配置了導向、自動定位、掘進程序軟件和顯示器等。該系統能夠全天候的動態顯示TBM當前位置，與隧洞設計軸線的偏差以及趨勢。據此調整控制TBM掘進方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內（圖8）。

主司機可根據顯示的數據通過分區操作TBM的推進油缸來控制掘進方向，使得掘進機能夠沿著正確的方向掘進，使其始終保持在允許的偏差范圍內。包括切口里程、縱向坡度、橫向旋轉角、平面偏離值、高程偏離值。

2.5.2 TBM糾偏

通過分區操作推進油缸來調整TBM姿態，糾正偏差，將TBM的方向控制調整到符合要求的范圍內。即左偏時應加大左側千斤頂的推進壓力，右偏時則應加大右側千斤頂的推進壓力。

2.6 TBM空推時的注意事項

（1）TBM步進前的斷面檢測非常重要。隧道開挖時超挖過大會導致超過撐靴油缸行程，導致撐靴無法撐到初期支護面，如果隧道初期支護侵限則會導致TBM刀盤無法通過，后期再進行處理會影響步進速度。

（2）首環管片與反力支座接觸、受力后，TBM整體向前推進，當首環管片的吊裝孔脫出盾尾后應及時對底部管片進行豆礫石吹填，防止管片下沉。

3 結論

根據TBM空推過礦山法段現場實際施工步驟，主要結論如下。

（1）TBM空推以單護盾模式為主，TBM空推速度不宜超過100 mm/min，推進參數變化有較大時應立即停機檢查。

（2）在施工階段應當明確TBM推進的反力來源以及結構強度，確保TBM的有效推進。

（3）在推進過程中注意控制施工不當造成的管片位置偏移，保證始發托架導軌與管片間的牢固接觸，TBM管片全環拼裝時應嚴格遵照正確的拼裝順序，適時地采取固定措施。

參考文獻

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[10] 張學軍，戴潤軍. 盾構在礦山成洞段推進技術[J]隧道建設，2006（增）：25-27.

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