全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在城軌項(xiàng)目中適用性及施工進(jìn)度影響因素探討

【摘? ? 要】：為了研究全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在城軌項(xiàng)目的適用性，通過查閱相關(guān)資料、調(diào)研相關(guān)案例，分析了全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于城市軌道交通中的優(yōu)勢和劣勢，并分析始發(fā)、掘進(jìn)、過站3方面因素對施工進(jìn)度的影響。

【關(guān)鍵詞】：全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)；城軌項(xiàng)目；適用性；施工進(jìn)度

【中圖分類號】：U455.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-19-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.006

收稿日期：2023-03-06

作者簡介：楊守峰（1989 - ）， 男， 碩士， 工程師， 從事隧道與地下工程設(shè)計(jì)工作。

Applicability and Construction Schedule Impact Discussion of Tunnel Boring Machine for Urban Rail Projects

YANG Shoufeng

（China Railway Design Corpration，Tianjin 300308，China）

【Abstract】：In order to study the applicability and progress of tunnel boring machine in urban rail projects， the advantages and disadvantages of using tunnel boring machine in urban rail transit were analyzed by consulting relevant materials and researching relevant cases. The impact of three factors： departure， excavation， and station crossing on construction progress was also analyzed.

【Key words】：tunnel boring machine;urban rail projects; applicability; construction progress

相比于傳統(tǒng)的鉆爆法，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工具有安全、高效的優(yōu)勢。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，TBM工法逐步成熟，但是其在城軌項(xiàng)目中的適用性及施工進(jìn)度影響因素的分析不多。本文調(diào)研國內(nèi)TBM在城軌建設(shè)中的案例，根據(jù)實(shí)際情況分析TBM工法在城軌項(xiàng)目中的適用性及施工進(jìn)度影響因素，為國內(nèi)相關(guān)工程提供參考。

1 TBM應(yīng)用于城軌項(xiàng)目中的優(yōu)劣勢分析

城軌交通項(xiàng)目不同于水利水電、煤礦、山嶺隧道等工程，其隧道洞址往往位于城市繁華區(qū)域，埋深淺、地質(zhì)差，隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，地表、市政管線、建筑物等對沉降非常敏感；線路站間距較短，一般不超過2 km；因此，TBM在城軌項(xiàng)目中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)如下。

1）施工噪音小，更加環(huán)保。城軌項(xiàng)目多在居民區(qū)、商業(yè)區(qū)施工，傳統(tǒng)鉆爆法施工噪音大，對居民影響極大，如青島等硬巖環(huán)境，爆破震動影響尤為顯著，施工信訪壓力極大；青島地鐵8號線五四廣場站采用拱蓋法施工，與周邊居民樓水平距離20 m，爆破振速控制極低，信訪壓力依然巨大。TBM工法避免爆破作業(yè)，掘進(jìn)過程中的震動對周邊環(huán)境影響幾乎可忽略不計(jì)。

2）安全且質(zhì)量有保證。目前城軌項(xiàng)目多采用非敞開式TBM，工程人員在護(hù)盾的保護(hù)下作業(yè)，現(xiàn)場安全有保證。城軌項(xiàng)目一般埋深淺、地質(zhì)差，采用傳統(tǒng)暗挖法，地表沉降往往難以控制；而TBM工法產(chǎn)生的地表沉降小，一般在6 mm以內(nèi)[1]；TBM隧道襯砌采用預(yù)制管片拼裝，二襯施作及時，避免了鉆爆法初支結(jié)構(gòu)長時間暴露，施工更安全；預(yù)制拼裝避免混凝土現(xiàn)場澆筑時由于振搗不均勻、鋼筋保護(hù)層厚度控制差、施工縫處防水作業(yè)不規(guī)范等問題，工程質(zhì)量有保證。

3）施工效率高。相比于傳統(tǒng)鉆爆法，TBM施工效率可提高4～7倍。城軌項(xiàng)目中，為控制地表沉降及加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施，鉆爆法施工每循環(huán)進(jìn)尺1～2榀格柵，限于爆破時間、出渣效率等影響，一般每天1循環(huán)或2天3循環(huán)，進(jìn)度約0.5～3 m/d；TBM施工效率為10 m/d，重慶軌道交通6號線采用TBM施工曾創(chuàng)造47 m/d、862 m/月的掘進(jìn)記錄[2]。

同時，采用TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)的局限性主要體現(xiàn)在以下方面。

1）對復(fù)雜地層適應(yīng)差。TBM對于單一、均質(zhì)地層能較好適應(yīng)，對于破碎帶、上軟下硬等復(fù)雜地層的適應(yīng)性較差。針對這一情況，可采取的措施有：采用多種勘探手段，局部區(qū)域可加密地質(zhì)探孔，充分掌握地質(zhì)資料，對于破碎帶，可采取地面預(yù)加固、TBM洞內(nèi)預(yù)加固措施，改良地層；對于上軟下硬地層，在選線階段調(diào)整線路，讓隧道有合理覆巖厚度，局部無法實(shí)現(xiàn)的，采用有針對性的刀具并控制油缸壓力、掘進(jìn)參數(shù)等措施控制掘進(jìn)姿態(tài)。

2）隧道過短，無法體現(xiàn)出造價(jià)優(yōu)勢。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，長度＞3 km的隧道采用TBM施工才具有造價(jià)優(yōu)勢，較短隧道設(shè)備費(fèi)攤銷過大。針對此情況，可采用TBM過站方式應(yīng)對，如青島地鐵8號線閆南、南嘉、嘉鞍區(qū)間，采用雙護(hù)盾TBM，3個區(qū)間左右線總長度約9 km。此外，隨著快線工程發(fā)展，站間距逐步加長，如青島地鐵8號線平均站間距為3.6 km，最大站間距約8.6 km，TBM工法在城軌工程中的應(yīng)用越來越廣。

2 TBM在城軌項(xiàng)目中的應(yīng)用

國內(nèi)TBM研發(fā)制造始于20世紀(jì)60年代中期，但前期主要用于水利水電、煤礦井巷、山嶺隧道工程，如采用敞開式TBM的工程有遼寧大伙房引水工程、西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道、西安南京鐵路桃花鋪1號隧道、磨溝嶺隧道、南疆鐵路吐庫二線的天山隧道、蘭渝鐵路中西秦嶺隧道；采用雙護(hù)盾TBM的有甘肅水磨溝輸水隧道、引黃入晉輸水隧道、青海引大濟(jì)湟總干渠工程、新疆大阪輸水工程等。

在城市軌道交通方面，國內(nèi)首次采用敞開式TBM工法為重慶市地鐵6號線一期工程，也是敞開式TBM唯一一次在城軌項(xiàng)目中應(yīng)用。隧道開挖直徑6.36 m，掘進(jìn)長度（左右線）約13.5 km；圍巖主要以IV、V級砂巖、砂紙泥巖、泥巖為主，巖石飽和抗壓強(qiáng)度12.6～37 MPa，地下水主要為裂隙水，不甚發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力好；石英含量約22.8%～80.8%；為避免拱頂?shù)魤K，TBM加裝了Mcnally系統(tǒng)，即在鋼拱架和圍巖的間隙密排鋼筋；區(qū)間采用先初支、后永久襯砌的結(jié)構(gòu)方案，掘進(jìn)進(jìn)度較快，曾創(chuàng)造47 m/d、862 m/月的記錄，但后期拆軌清底、施作襯砌與車站主體同時施工，交叉作業(yè)相互嚴(yán)重，區(qū)間因施工通道受阻而減慢進(jìn)度，綜合進(jìn)尺降為420 m/月，效率幾乎降低一半 [2] 。重慶后續(xù)建設(shè)的線路中采用復(fù)合式TBM。

國內(nèi)首次采用雙護(hù)盾TBM工法為青島地鐵2號線一期工程[3]。該線路有8個區(qū)間采用TBM施工，線路雙延米總長約8.5 km，穿越地層主要以中、微風(fēng)化花崗巖為主，巖石平均強(qiáng)度60～80 MPa、最高為120 MPa，其中TBM二工區(qū)線路雙延米總長約5.2 km，綜合進(jìn)尺平均260 m/月、最高384 m/月 [4] 。青島后續(xù)1號線、4號線、8號線及其他地區(qū)也采用該方法；如深圳地鐵10號線孖雅區(qū)間，區(qū)間雙延米長度約2.96 km，穿越地層主要以微風(fēng)化花崗巖為主，巖石強(qiáng)度約100 MPa、最高達(dá)120 MPa，地下水位較淺，埋深0.6～9.9 m，綜合進(jìn)尺最高24 m/d、468 m/月 [5] 。

重慶軌道交通6號線二期工程為國內(nèi)首次采用復(fù)合式TBM施工，該工法還可稱為雙模式TBM（青島）、雙模式盾構(gòu)（南京等）。重慶的環(huán)線、5號線、10號線等工程均采用了復(fù)合式TBM；青島地鐵8號線工程鞍山路站—山東路南站—五四廣場站兩個區(qū)間采用雙模式TBM。一般而言，TBM切換模式需要15 d時間。

三模式TBM/盾構(gòu)目前尚未有成功案例，但是由廣州地鐵集團(tuán)、中鐵裝備集團(tuán)、中鐵華隧共同研發(fā)“中鐵820號”三模TBM/盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)組裝完成，即將投入到廣州地鐵7號線二期工程蘿崗—水西區(qū)間。該區(qū)間長為1 086 m，埋深約19～73 m，地質(zhì)變化較大，全斷面硬巖地層、軟土層、上軟下硬地層在施工區(qū)域內(nèi)密集分布且孤石探明率高達(dá)66.7%，對機(jī)械要求非常高。三模TBM/盾構(gòu)機(jī)集合泥水、土壓、TBM三種模式于一體，與以往機(jī)械需要開倉改造、切換模式不同，技術(shù)人員只需在主控室內(nèi)就能完成快速切換，提高了盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)工況的適應(yīng)性，也節(jié)省工期。

3 TBM施工進(jìn)度分析

TBM施工工序主要有始發(fā)（吊裝、進(jìn)洞）、掘進(jìn)、接收（出洞、吊出與拆解）、過站。

3.1 始發(fā)進(jìn)度

根據(jù)目前調(diào)研，TBM始發(fā)工序基本相同，所用工期較為固定，一般為1個月左右，如青島地鐵8號線閆南區(qū)間吊裝始發(fā)時間為25～28 d。見表1。

3.2 掘進(jìn)進(jìn)度

一般來講，敞開式TBM由于不用拼裝管片，掘進(jìn)速度較快，如重慶6號線掘進(jìn)速度達(dá)到了862 m/月；而護(hù)盾式TBM因拼裝管片，掘進(jìn)速度一般為300～350 m/月。影響TBM掘進(jìn)速度的還有以下因素。

1）巖石強(qiáng)度。一般來講，巖石強(qiáng)度越高，刀盤貫入度越低，掘進(jìn)速度相應(yīng)降低；尤其石英含量較多、粒徑較大時，刀具磨耗增加，換刀次數(shù)增多，平均掘進(jìn)指標(biāo)下降。

2）軟巖或破碎帶等惡劣條件。在破碎帶、風(fēng)化帶等圍巖難以自穩(wěn)條件下進(jìn)行機(jī)械開挖，應(yīng)采取輔助施工方法配合施工；特別是在有涌水的條件下，拱頂崩塌、機(jī)體下沉、支承反力降低、卡機(jī)等問題時有發(fā)生，因此掘進(jìn)速度較低。

3）巖層裂隙。巖層節(jié)理、層理、片理對開挖效率影響極大，裂隙適度發(fā)育的巖層，即使抗壓強(qiáng)度大也能進(jìn)行較為有效的開挖。

4）TBM出渣效率。青島地鐵2號線、1號線部分區(qū)間掘進(jìn)指標(biāo)約220～250 m/月，主要是因?yàn)槌鲈什桓摺⒊鲈嚺渲眠^少、龍門吊效率不高等原因。

3.3 過站進(jìn)度

因城軌項(xiàng)目站間距一般較小，為滿足TBM經(jīng)濟(jì)掘進(jìn)長度、避免頻繁拆機(jī)與吊出，通常采取過站施工，可分為掘進(jìn)過站、空推過站。掘進(jìn)過站有重慶軌道交通6號線一期工程的紅土地站；空推過站有重慶軌道交通6號線一期工程的黃泥滂站、大龍山站、冉家壩站，青島地鐵2號線的泰山路站、利津路站、臺東站等。一般而言，TBM吊出、轉(zhuǎn)場時間為1～2月，而空推過站的時間一般為10～15 d [6] ，如青島地鐵2號線利津路站，采用TBM整機(jī)曲線過站，時間為10 d。青島地鐵8號線閆南區(qū)間采用新型平移設(shè)備，在TBM基座上增加液動移位裝置，移動過程中僅需3～4名工人，移動速度約1.11 m/min [7] ，能更加節(jié)省工期。

4 結(jié)語

本文通過調(diào)研，分析了TBM應(yīng)用于城市軌道交通中的優(yōu)劣勢與適用性，探究了TBM施工過程中進(jìn)度影響因素，為后續(xù)城軌項(xiàng)目TBM選型與造價(jià)分析提供參考。

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