雙護盾TBM曲線空推始發關鍵技術應用

張 飛, 劉 忠, 杜 成, 陳壽根

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031；2.中鐵五局集團有限公司城市軌道交通分工程, 湖南長沙 410000)

硬巖隧道掘進機在鐵路工程、公路工程和引水工程中已經得到了廣泛的運用，近兩年雙護盾TBM開始活躍在城市地鐵建設中，青島地鐵2號線首次運用，隨后深圳地鐵隧道建設開始引進雙護盾TBM。

TBM地鐵施工，需要提前采用礦山法施作導洞，在導洞內空推轉掘進。針對TBM施工關鍵技術，唐志強[1]對雙護盾TBM的適應性、支護形式、不同支護間的接口設計、過站技術方案、管片壁后注漿、下穿建筑和不良地質段等方面進行研究；徐延召[2]對盾構到達、盾構推進和盾構接收階段的關鍵技術和質量控制措施；鄧洋[3]采取分階段制定施工組織措施，通過優化施工工藝、人、料、機和環境等方面落實質量控制措施；宋天田[4]為解決雙護盾TBM在城市地鐵施工中始發困難、極限小轉彎半徑、穿越極硬巖及斷層破碎帶等工程難題。

綜上，空推段的關鍵技術研究較少，本文依托深圳市軌道交通6號線地鐵隧道，詳細地描述了雙護盾TBM空推轉掘進，掘進轉空推以及在各種掘進模式下(試掘進、雙護盾掘進模式、單護盾掘進模式)的施工關鍵技術及其質量控制。

1 工程概況

深圳地鐵6號線二期民樂停車場出入線隧道，區間為避免爆破對既有線的不利影響，牽出線段(長175 m)及洞口段(長89 m)采用礦山法結合TBM空推施工，下穿牛咀大橋段采用明挖法施工(長73.05 m)結合TBM拼裝二襯。TBM始發于民樂廣場，依次步進通過三線大斷面礦山法隧道(89 m)、明挖段結構(73 m)和單洞雙線礦山法隧道(160 m)后在礦山法隧道內始發，如圖1所示。空推位于半徑R=300 m的曲線及其緩和曲線段空推，并在曲線段空推轉掘進始發；為滿足曲線模擬和施工糾偏的需要，設計了1.5 m寬楔形量為38 mm的通用環，和1.2 m寬楔形量為40 mm的通用環。

圖1 深圳6號線二期民樂廣場出入線工程示意

2 空推工藝

TBM從礦山法三線洞口組裝導臺始發步進。由于礦山法開挖隧道內徑7 m，撐靴無法支撐到位為推進提供推力，故采用單護盾模式，步進時使用TBM輔助推進油缸提供推力，反力則由安裝于弧形導臺上的反力架提供，依次空推通過礦山法隧道，直至主機到達始發導洞為止。空推流程如圖2所示。空推時，刀盤與二襯最小距離僅10 cm左右，礦山法段斷面形似切花頻繁以及小半徑空推都極大地增加了空推步進施工難度。

3 空推關鍵技術控制

3.1 空推始發控制

TBM從始發架頂推進至導臺鋼軌面，存在剮蹭和不同軸的風險；故在空推始發過程中，保證施工導臺精確施工以及采用合適的施工技術是必要的。為避免剮蹭和不同軸的風險，導臺工作完成后用斷面儀對礦山法段凈空進行測量和TBM在步進前，對步進導臺重點部位再次進行驗收檢查，若有圍巖侵限，立即提前處理，確保TBM快速順利通過。合理的施工技術，空推時可利用主推油缸抬高前盾，通過剮蹭區域；還可利用前盾底部起升油缸抬起前盾，在前盾臨時加墊塊，收回起升油缸，然后向前推進通過剮蹭區域。

圖2 空推流程

3.2 負環管片安裝

負環管片參數及安裝，直接影響到空推的軸線偏差和TBM步進偏差問題，故負環管片安裝極為重要。TBM長度LTBM=8.3 m，安裝井長度LAS=12 m，洞口圍護結構第一次鑿除后的里程DF，第一環管片起始里程D1S，環寬WS=1.5 m，反力架與負環鋼管片長WR=1.1 m，DR為反力架端部里程，N為負環管片環數。故反力架端部里程DR=D1S-N×WS。在安裝井內的始發時最少負環管片環數確定N=(D1S-DF+8.3)/WS環。為保證負環管片的施工質量，在盾殼內安設方木或型鋼，第一環負環管片拼裝成圓后，用4～5組油缸完成管片的后移，保證每組推進油缸的行程差小于10 mm。在負環管片與負環鋼管片之間的空隙用早強砂漿或鋼板填滿，且通常采取通縫拼裝的方法安裝井內的負環管片在被推出盾尾時，要及時支撐加固，防止管片下沉、失圓或推進時可能產生的偏心力。如圖3所示。

圖3 負環管片安裝

3.3 首環管片安裝

首環管片是負環之后拼裝，其拼裝質量對于整條隧道的拼裝具有基準面的作用，因此嚴格控制第一環管片的拼裝高程、方向、坡度等是保證軸線偏差不超限的必要條件。首環管片拼裝前，需在盾尾焊接6道直徑為50 mm的圓鋼，以保證盾尾間隙；第一環拼裝9點位，拼裝第一環的B2塊時，需用水平尺進行定位調整，并用扇形鋼板對B2塊進行固定，防止其轉動；拼裝B1、B3、L1、L2塊時，需分別用兩個L形鋼板將其固定在盾尾，防止其掉落。如圖4所示。

圖4 管片支撐剖面示意

3.4 小半徑空推步進控制

小半徑空推采用切線始發技術，推進時，應使TBM當前所在位置點與遠方點的連線同設計曲線相切，糾偏幅度每環不超過6 mm，防止幅度過大導致錯臺。進入曲線段空推前，盡量減小TBM中心軸線與隧道中心軸線的夾角和偏移量，精確計算每一推進循環的偏離量與偏轉角的大小，合理調整推進油缸的推力、分區與組合方法。為防止管片移動錯位，要求分組油缸的推力差盡量減小，并盡量縮短同步注漿漿液的凝膠時間，減少管片的損壞與位移。步進時，步進速度應控制在20～30 mm/min，且要對TBM前方檢查導臺是否有下沉等異常情況，使TBM沿設計軸線前移。步進過程中，若初支斷面出現超挖或侵限情況，會使TBM管片拼裝施工過程中的襯砌斷面尺寸難以保證，甚至導致錯臺和軸線超限問題，因此，需提前處理。如圖4所示。

圖5 小半徑空推步進施工

3.5 空推推力控制

TBM空推步進時，若沒有及時清除刀盤前方障礙物，盾構強行空推將使刀盤受到局部偏載，造成主軸承超過其工作載荷而破壞。故要在保證TBM主軸承安全下正常推進。

3.5.1 空推始發推力計算

設F1為TBM始發時盾體與始發托架的最大摩擦力，F2為TBM后配套的牽引力即后配套系統與軌道之間的摩擦力，設F3為TBM與負環管片的摩擦；TBM與涂抹黃油的托架之間的摩擦系數μ1=0.1～0.12，后配套臺車與軌道之間的滾動摩擦系數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、負環管片重量G4為7.8 t，盾體對混凝土導臺存在壓力G6，后配套設備的重量G5為231.5 t，盾尾管片(1.5環管片)的重量G7為40.5 t；則：

F1=u0×G0=57.3～68.44 t

本文選用ATmega128L作為主處理器。ATmega128L是基于AVR RISC結構的8 bit低功耗CMOS微處理器，數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，可緩解系統在功耗和處理器之間的矛盾。芯片自帶128kB的可編程Flash，在本應用中無需外擴存儲器。ATmega128L有豐富的接口資源(如SPI，USART，TWI，ADC等)，為本應用提供了重要支持[5-6]。

F2=u2×G5=11.58 t

F3=u3×G4=2.34 t

設F0為空推始發時的推力，F為空推步進時的推力，則：

F0=F1+F2+F3=71～82.4 t

F=F1+F2+F3=83.41～95.33 t

從上述計算得出TBM空推始發時最大推力為82.4 t，步進時最大推力為95.33 t。

3.5.2 負環管片受力計算

TBM輔推油缸型號：200/180×2600，每根獨立油缸正常負荷下的推力為F，共有4根輔助油缸頂推于底塊管片，TBM油缸能提供的最大始發總推力為Fz，則

F=P×A=31.5×100×3.14×0.182/4=80.1 t

Fz=4×80.1=320.4 t

TBM空推始發階段不需要轉動刀盤，推力較小，管片經過應力驗算，只安裝下部一塊負環管片就完全能滿足TBM始發要求。

3.6 空推始發量測控制

在小半徑曲線段空推步進，由于初期支護和導臺侵限、殘留土渣以及操作等因素的影響，TBM推進不可能完全按照設計的隧洞軸線前進，而會產生一定的偏差。當這種偏差超過一定限界時就會使隧洞襯砌侵限、盾尾間隙變小使管片局部受力惡化，甚至造成管片開裂，因此TBM施工中必須采取有效的量測技術措施控制掘進方向，及時有效糾正掘進偏差。TBM曲線段始發的控制測量，最大特點是步進過程中所有的控制導線點和控制水準點均處運動狀態，所以TBM控制測量顯得尤為重要。TBM組裝前的控制測量包括TBM模擬定位測量，TBM空推段的導臺的測量、TBM模擬姿態初始測量等。量測時，對礦山法成形隧道5 m一個斷面，采用全站儀進行斷面測量,根據測量結果進行TBM與二襯結構相對位置關系模擬，得出實際模擬值。

(1)導臺測量包括空推段導臺及隧道的測量，確保導臺的延伸曲線平緩及隧道內TBM通過的暢通，確保TBM放置在導臺內嵌的滑軌上時的中軸線與隧道設計的中軸線偏差不超過2 cm。

(2)導軌定位測量主要控制導軌的中線與設計隧道中線偏差不能超限，導軌的前后高與設計高程不能超限，導軌下面是否堅實平整，TBM放置在始發架上時始發架的軌道比隧道內導臺的軌道高2～3 cm等。

(3)TBM姿態初始測量包括測量水平偏差、垂直偏差、俯仰角、滾動角、里程、趨向。用來判斷TBM在以后掘進過程中是否在隧道設計中線上前進以及是否在容許范圍內發生扭轉。

(4)步進控制導線由洞外聯系測量所確定的導線點DZ1、DZ2直接延伸而來量，采用雙支導線即主、副導線的方法。以主導線進副導線出的形式將主、副導線連接起來，再與起算邊DZ1～DZ2聯測，構成單邊控制的閉合導線。量測時，由懸掛固定在隧道頂部的吊籃構成，以滿足自動測量系統中的測量機器人與TBM的目標靶通視。

4 結論

根據TBM空推過小半徑礦山法段的始發現場實際施工，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30 mm/min。

(2)步進時應當明確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，管片拼裝時采取固定措施。

(4)TBM步進前斷面檢測非常重要。如果隧道初期支護或者導臺侵限則會導致TBM刀盤無法通過，需進行處理防止影響步進速度。