雙護盾TBM小轉彎半徑（R=260 m）施工技術研究

李吉，馮少龍

（中鐵五局集團有限公司城市軌道交通分公司，長沙410000）

1 引言

隨著城市地鐵不斷發展，市區中心的地鐵隧道不斷飽和。近年來，許多一線城市逐漸往市郊、城郊發展。地鐵建設行業也不斷成熟，地鐵隧道施工的標準、規格、難度越來越高。在一些復雜地質、地段，圍巖結構復雜，常規的土壓平衡盾構機很難滿足施工要求。雙護盾全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）施工法具有安全、高效、優質、環保和有利于圍巖穩定等諸多優點，正在我國越來越多的城市地鐵隧道施工中被積極地研究和探索[1，2]。本文基于深圳地鐵6號線民樂停車場出入線隧道段的工程實例，結合雙護盾TBM的結構與功能特點，對其在小轉彎半徑施工中的技術難題展開研究，提出TBM在該隧道段施工的針對性設備改造方案與施工技術要點，并總結施工過程中遇到的問題與解決方案，以期為雙護盾TBM在小轉彎半徑隧道施工項目提供一定的參考。

2 工程簡介

2.1 工程概況

如圖1所示，深圳地鐵6號線民樂停車場出入線隧道線路大體呈東西走向，起點為翰梅區間，線路出區間后以R=300 m曲率半徑往西轉，沿塘朗山西行1 km，以R=260 m曲率半徑往東轉接入民樂停車場線路，主要依次穿越廈深高鐵、地鐵4號線、新彩隧道、南坪高速公路、廣深高鐵、牛咀大橋等，均為工程控制點，為避免爆破對高鐵不利影響，主要采用TBM工法（長2399.59 m）施工，牽出線段（長175 m）及洞口段（長53.8 m）采用礦山法施工，下穿牛咀大橋段采用明挖法施工（長73.05 m）。

圖1 停車場出入線隧道詳圖

2.2 水文地質

如圖2所示，隧道沿線主要穿越地層為中、微風化花崗巖層，局部穿越斷層破碎帶，中風化花崗巖（單軸飽和抗壓強度強度平均45 MPa）、微風化花崗巖（平均95 MPa，最大125 MPa）。

圖2 停車場出入線隧道縱斷面圖

地下水類型為基巖裂隙水，略具承壓性，地下水對混凝土及鋼筋局部為弱腐蝕性，其余均為微腐蝕性。隧道埋深3～248 m，最大水頭高度為145 m。

2.3 工程重難點

工程施工項目遇到的重難點主要有以下4點。

2.3.1 施工工法新

深圳地鐵6號線民樂停車場出入線隧道使用的“韶山十六號”雙護盾TBM是由中鐵五局、中鐵裝備、中鐵華隧聯合研制，TBM早期多用于山嶺隧道的建設，在全國城市軌道交通領域中，TBM施工尚處于起步階段，深圳是在地鐵10號線才首次引入雙護盾TBM用于城市軌道交通建設[3]，而針對小轉彎半徑R=260 m的TBM施工在全國乃至亞洲都是首次[4]，施工缺乏相關經驗。

2.3.2 施工風險大

根據勘察報告顯示，TBM區間段存在4處斷層破碎帶，個別破碎帶可能水頭高度較高（高度145 m），施工時容易引起涌水涌砂現象、卡刀盤的情況，施工風險大。

2.3.3轉彎曲線半徑小、技術要求高

根據設計文件，礦山法空推步進段存在一條小半徑為R=190 m、出入線TBM段存在2條小半徑曲線段，一條為R=260 m、長度720 m的曲線段，另一條為R=300 m、長度690 m的曲線段，施工過程控制要求高，施工難度大。

2.3.4 上跨、下穿多

出入線段TBM區間依次上跨6號線正線隧道、下穿廈深高鐵、上跨4號線隧道、下穿新彩通道（新彩隧道）、上穿廣深港高鐵、側穿牛咀水庫等，施工過程控制要求高。

3 雙護盾TBM設備改造方案

韶山十六號TBM整機總長141.8 m，共設臺車12組，2組連接橋。盾體采用雙護盾結構，刀盤為面板式刀盤，刀具為非線性布置。驅動形式為電驅，共設350 kW的電機6組，整機功率為3 388 kW。為滿足此次施工區間中多個小半徑、長距離曲線的施工任務，專門就設備進行了多項針對性設計及進場后期改造，主要包括以下3方面。

3.1 刀盤刀具改造

刀盤共配備單刃滾刀36把，中心雙刃滾刀4把，刮刀為68把，開挖直徑為φ6 500 mm，為滿足小半徑施工開挖需要，將如圖3所示的39#、40#、41#、42#、43#、44#邊滾刀更換刀座分別漸進加高15~50 mm，通過刀具機械性外移擴大開挖直徑，使開挖直徑達到φ6 600 mm。同時更換加高型邊刮刀，保證開挖直徑增大后的進土效果。

圖3 刀盤刀具布置示意圖

3.2 伸縮盾扭矩系統改造

“韶山十六號”雙護盾TBM設有主推油缸12組，輔推油缸20組，在掘進過程中由主推掘進完成一個行程后中盾兩側外部撐靴回收，再由輔推油缸向前頂進換步，完成一個頂進循環。在主推時靠伸縮盾的自由伸縮對成孔形成支護，伸縮盾由伸縮內盾和外盾組成，同時伸縮內盾還設有反扭矩結構，由伸縮內盾的8個扭矩油缸及前盾和支撐盾2組扭矩梁的相互反力作用形成反扭矩裝置，扭轉油缸安裝在伸縮內盾兩端，“夾持”住扭矩梁，對稱布置在伸縮盾兩側，每側一組，正常施工中，扭矩油缸在扭矩梁上滑行，支撐盾一端因由盾體外側撐靴穩穩撐住成孔洞壁形成固定的扭矩梁，扭轉油缸通過固定側扭矩梁形成扭力從支撐盾到伸縮內盾再到前盾傳遞到刀盤，克服抵消刀盤單個轉向的反作用力，從而實現盾體糾滾功能。

但是由于隧道的設計曲線為R=260 m的小轉彎半徑曲線，施工難度大，技術方面不成熟。在彎道掘進的過程中，主推油缸伸出過多會導致伸縮外盾和內盾形成夾角卡主內盾拖著內盾伸出，最終會導致扭矩油缸脫出扭矩梁并發生位移，失去糾滾功能，如果發現不及時，刀盤在工作的情況下會短時間內形成非常大的滾動角度，不但損壞扭矩油缸及設備管路線路，還會對后續的糾滾和整個扭矩系統的重新安裝帶來非常大的困難。為避免此種情況再次發生，耽誤施工進度，因而對扭矩油缸做出了部分改進。

在伸縮盾后部的左上、右上的扭矩油缸上各添置1組外置行程傳感器，將數據實時反饋到主控室上位機，在程序中增加條件當扭矩油缸水平行程到100 mm時，上位機會發出預警并中斷推進。同時，在彎道掘進時，增加換步次數，縮短換步行程，主推行程每次到400 mm換步一次，以確保伸縮外盾和內盾干擾小，并經常清理扭矩梁梁體的工作面，維持潤滑，保證油缸在上滑行時足夠潤滑。通過對設備的改進，結合操作維保人員的培訓，能有效有保證扭矩系統在小轉彎半徑曲線中的正常工作。

3.3 管片防旋轉系統改造

雙護盾TBM受限于刀盤刮刀布局因素影響，刀盤通常只能由順時針方向轉動，這點區別于常規的土壓平衡盾構可以通過刀盤正反轉來調整滾動角及調整管片旋轉，TBM的這一因素在小轉彎半徑隧道段施工過程中對管片旋轉控制造成了很不利的影響，雖然TBM設備本身設計有盾體防滾角系統在相對作用力下可以管片旋轉方向施以控制，但在使用過程中主要存在2個問題：

1）由于隧道小半徑方向為左轉，與刀盤順時針轉動反作用力一致，在實際施工中管片旋轉非常嚴重防滾角系統未能起到有效作用。

2）調整油缸設計偏小，在換步過程中調整到最大角度后仍然因壓力過大而泄壓縮回，未能起到調整作用。

受此影響給管片的選型和拼裝帶來了一定的難度，影響了管片的拼裝質量；也使后續臺車架和電機車軌道鋪設不平整，導致拖車偏移，從而影響主機皮帶與后配套皮帶的正常運行，最終影響了正常掘進；同時使全站儀位置發生偏移，影響了測量，對掘進參數造成誤導，對掘進造成影響。在跟中鐵裝備設計技術人員溝通后決定管片防旋轉進行改造，主要采取對原調整限位結構進行割除，增加調整行程并通過焊接鋼板墊塊固定的方法進行強制性固定。

原管片防旋轉系統由A、B、C、D組，每組2根尺寸分別為φ100 mm×155 mm和φ56 mm×155 mm的調整油缸組成，通過油缸的伸縮動作，給支撐盾后部固定的20根輔推油缸調整徑向伸出角度，使得輔推油缸撐靴由原來的與底座垂直變為沿軸向順時針或者逆時針旋轉一定角度，進而使得油缸在伸出過程中在管片和油缸底座間形成旋轉作用力，得以調整管片及穩定支撐盾角度，如圖4所示。

圖4 輔推調整系統

4 雙護盾TBM小轉彎半徑施工要點

4.1 小轉彎半徑步進施工要點

TBM前期空推步進段牽出線由礦山法施工，總長228.8 m，存在一條小半徑R=190 m，長度39 m曲線段。采用混凝土導臺步進工法。

導臺采用鋼筋混凝土結構形式，采用C35混凝土澆筑，主筋采用直徑25 mm的HRB400鋼筋，步進反力支架安裝孔尺寸為210 mm×210 mm矩形截面，用于步進時插入反力鋼結構，安裝形式采用鋼板焊接預埋，步進滑軌及電瓶車行走軌道均采用43 kg/m鋼軌。鋼軌壓力3 130 kN，反力支架反力1 200 kN，如圖5所示。

圖5 步進導臺模型

如圖5所示結構，步進采用厚度300 mm的2塊常規管片作為輔推油缸反力頂塊，一個行程結束后利用管片拼裝機把管片重新安置回盾尾，重新下一個循環，在直線段步進時采用2次頂進，即輔推油缸頂進結束后再由主推油缸繼續頂進以減少管片倒換次數，節省時間，提高步進效率。但在轉彎半徑過小時由于盾體結構長，在主推油缸伸出較長時，盾體出現在導臺上偏移、上翹、卡盾，增加了步進阻力使導臺出現后靠變形、導臺開裂、反力管片隆起等現象，嚴重影響步進進度。

經改進，采用單護盾模式步進，即只使用輔推油缸步進，縮短盾體延伸長度，減小與導臺的摩擦阻力。調整主推油缸A、D組油缸行程差，使盾體姿態和導臺轉彎半徑盡量吻合。減小油缸推力，降低步進速度。增加后靠支撐數量，加強導臺及支撐變形監測等措施。在順利通過此次曲線段的同時，設備技術人員同步跟進處理設備結構、油氣管路、電氣電纜等設施在曲線段的干涉及管線連接處余量是否充足等問題，為正線的R=260 m的轉彎半徑曲線施工提供保障。

4.2 小轉彎半徑正線施工要點

在正線R=260 m施工中遇到的問題主要是卡盾和刀具偏磨，主要采取了以下措施：

1）加強刀具檢查管理，嚴格控制邊滾刀磨損值，超過磨損量及時更換，保證刀盤擴挖量，并對刀具磨損情況、使用里程等結合地層情況做出分析調整；

2）增加盾體撐靴行程傳感器，通過撐靴伸出量掌握盾體與巖體間隙，提前做好預判，確定掘進趨勢與管片選型；

3）調整豆礫石與雙液漿注入順序，先填充管片曲線外側，再填充內側，防止管片受推進油缸糾偏影響產生偏心錯臺；

4）調整管片拼裝順序，配合防滾轉系統控制管片旋轉；

5）縮短主推行程，增加換步循環，控制盾體結構長度，防止卡盾。

5 結論

雙護盾TBM在隧道施工項目中能夠滿足高效破巖，小曲線轉彎，穿越破碎帶以及三類、四類圍巖的高效掘進，但在深圳地鐵6號線項目中，TBM施工從調試到小曲線半徑隧道施工遇到的問題很多，尚須對設備自身設計做出許多優化。本文對雙護盾TBM在小轉彎半徑區段施工難題進行研究，內容如下：

1）從結構、功能設計的角度分析了雙護盾TBM在小轉彎半徑區段施工時的存在的問題與不足，然后針對TBM的刀盤刀具、伸縮盾扭矩系統、管片防旋轉系統提出了改進方案，保證了雙護盾TBM順利通過小轉彎半徑隧道段。

2）提出了雙護盾TBM在小轉彎半徑區段施工方案與技術要點，并結合實際施工流程，總結了施工過程中遇到的難題以及應對策略，對雙護盾TBM小曲線半徑地鐵項目施工有一定的參考意義。