1 引言
随着轨道交通建设的快速发展，工程建设方普遍对工期、交通影响、征地拆迁、环境影响等方面提出了较高的要求。复合式TBM以其快速、安全、优质、环保、文明施工等诸多优势，在岩质地层地铁隧道工程中被越来越广泛的采用。
纵观复合式TBM既有研究成果，多集中于复合式TBM适应性分析、相关计算分析和施工技术方面，很少讨论方案设计问题，尤其是针对城市核心区域情况。因此，如何科学、安全、合理、经济地进行方案设计，保障城市核心区域复合式TBM施工的顺利推进，并缩短建设周期，已成为一个关键性问题。本文从一个设计者的角度，以北碚段区间隧道工程为背景，结合复合式TBM始发、掘进、转场、调头和接收阶段施工特点和工艺要求，研究复合式TBM井下整体始发、掘进过站转场、洞内调头、平移吊出等诸多技术难题，并通过对相应产生的临时工程进行改造，达到节约工程投资的目的。
2 工程背景
2.1工程概况
北碚段区间隧道（北碚站前入洞口—北碚站—天生站—五路口站）位于重庆市北碚区，地面交通繁忙，道路两侧建筑物密集，隧道先后穿越中央鑫都、缙水楼台、西农校医院和研究生公寓、规划公路隧道、地税局城区二所、人防洞室等建（构）筑物。区间隧道埋深普遍较大，最深处达60m，地层条件由地表向下主要为人工填土、粉质粘土、中风化砂质泥岩与中风化砂岩互层，隧道围岩主要为中风化砂质泥岩、中风化砂岩，地下水以基岩裂隙水为主。为确保施工安全和周边建筑物安全，并降低震动和噪音对周围环境的不利影响，加快施工进度，拟定以复合式TBM掘进施工为主、钻爆法施工为辅的施工方案。
2.2复合式TBM简介
复合式TBM是以传统的全断面隧道岩石掘进机（TBM）为基础,吸取了土压平衡盾构的原理及优点后产生的一种岩石掘进机,兼具土质及软硬交错地层的隧道施工。复合式TBM具有灵活多样的作业模式，通常情况下的作业模式有：敞开式、半敞开式及土压平衡式，比较常用的有敞开式和土压平衡式，可根据开挖地层条件进行两种模式的相互转换。北碚段区间隧道采用的复合式TBM如图1所示。
图1 复合式TBM
3 工筹方案
3.1施工条件分析
沿线3座车站均为浅埋暗挖车站，不具备复合式TBM施工场地合设条件，施工场地需单独设置。复合式TBM施工场地主要考虑竖井位置、材料堆放等需要，并满足施工用房、办公及生活用房的布置要求，始发、转场、吊出场地单独设置（不与车站合设）时，其面积约为4000m2，1000m2和1000m2。
本着“科学规划、严格控制、避免拆迁”的施工用地原则，以降低工程造价，减少对周边环境和道路交通的影响。经对北碚段区间隧道沿线既有施工条件分析，北碚站入洞口明挖段和天生站后场地相对较好，具备始发条件；受天生站地面交通影响，天生站前仅具备单吊出井场地设置条件；受五路口站周边建（构）筑物影响，站前、站后均不具备吊出条件。
3.2施工总体方案
结合总工期要求，并充分考虑沿线施工条件和复合式TBM一次性掘进长度等因素，北碚段区间拟采用3台复合式TBM施工，如图2所示。其中，1号和2号复合式TBM从北碚站前入洞口明挖段始发，分别沿左、右线向北碚站方向掘进，掘进通过北碚暗挖车站后继续掘进至天生站前吊出井吊出（左线复合式TBM平移至右线吊出），掘进长度约4087m；3号复合式TBM从天生站后始发井（兼作吊出井）始发，沿左线向五路口站方向掘进，在五路口站前隧道内完成地下调头后，再沿右线向天生站方向掘进，通过接收洞后平移拆卸吊出，掘进长度约2487m。
图2 复合式TBM施工总体方案
4 复合式TBM施工关键技术
4.1井下整体始发复合式TBM始发是复合式TBM施工的关键环节之一，常规的单井始发操作空间有限，复合式TBM后配套系统只能设置在地面，井下逐步实现分段组装，耗时较长。为加快施工进度，缩短工程建设周期，采用复合式TBM整机一次性地下组装（图3），实现井下整体始发。
（1）井下整体组装工序
复合式TBM组装时，将其分段吊放至始发台上组装，其工序为：组装始发台→组装后配套拖车→设备桥吊装→螺旋机吊装→前盾吊装→组装中、前盾→组装刀盘→组装管片机及盾尾→组装螺旋机→设备桥连接及反力架安装→空载调试→整体始发、负载调试→正常掘进。
图3 复合式TBM井下整体组装
（2）平面布置
根据复合式TBM主要部件尺寸和地下组装工艺要求，拟定采用单线设置“双竖井+盲洞”实现井下整体始发，即始发井+60m盲洞+出碴进料井+50m盲洞，平面布置如图4所示。复合式TBM始发井、出碴进料井及盲洞的净空尺寸应满足地铁建筑限界、功能及各种设备使用功能的要求[8]、整体始发工艺的要求，结合施工误差、结构变形和位移等因素给出必要的富裕量，并从经济性和实用性方面综合考虑。始发井、出碴进料井净空尺寸分别为：9.0m×15.0m、6.0m×8.0m，明挖法施工；盲洞采用曲墙+仰拱的五心圆马蹄形断面，断面净空尺寸为：5.08m×5.25m，矿山法施工。
图4 复合式TBM井下整体始发平面布置示意
4.2复合式TBM过站后转场
（1）复合式TBM与车站施工影响分析
1号和2号复合式TBM从明挖段始发，北碚车站为暗挖车站，复合式TBM无法采用常规的明挖车站端头吊出方式，且车站小里程范围地面交通繁忙，建筑物密集，无竖井设置条件，因此拟采用掘进过站的施工方案。但复合式TBM过站后在掘进任务完成之前，施工中的出碴、进料等均需通过北碚车站，区间的施工将影响车站主体的施工，且北碚—天生区间长达2800m，复合式掘进时间长达12个月，若过站后不及时转场，势必严重影响北碚站工期。
（2）复合式TBM转场
综合考虑工期及地面交通及周边环境条件，拟定1号、2号复合式TBM采用掘进过站方式。同时，为实现复合式TBM洞内不停机、不等待、匀速掘进，满足车站及区间的总工期要求，结合区间沿线的实际情况，在北碚站后的云华路设置2座出碴进料井（通过小通道将两竖井进行连通，便于复合式TBM施工），实现复合式TBM出碴进料场地的转移。复合式TBM转场避免了其吊出对周边环境的影响，同时也节约了工期，其平面布置如图5所示。出碴进料井采用矩形断面，净空尺寸为8.0m×10.0m，明挖法施工。
图5 复合式TBM转场平面布置示意
4.3洞内调头
天生站—五路口区间采用一台复合式TBM施工，3号复合式TBM从天生站后始发井（兼吊出井）始发后，向五路口站方向掘进。五路口站为暗挖车站，不具备站端吊出条件，且周边环境复杂，也不具备设置复合式TBM吊出井的条件，因此考虑在五路口站前采用洞内调头的施工方案。洞内调头现场照片如图6所示,调头后继续向天生站方向掘进。
（1）调头工序
复合式TBM调头工序为：接收前准备工作→左线贯通、碴土清理→主机和后配套分离→主机调头至右线始发设计位置→反力架安装→设备桥架、后配套调头→完成连接，空机调试、试掘进→更改临时轨道位置、拆除多余轨道→完成调头，恢复正常掘进。
（2）平面布置
根据复合式TBM主要部件尺寸和调头工艺要求，调头段采用“大跨+后盲洞”的布置型式，如图7所示。大跨段主要用于复合式TBM接收、始发以及主机、设备桥架和后配套调头，后盲洞段主要用于设备桥架和后配套存放。
依据《铁路隧道设计规范》，从结构受力的合理性出发，调头段均采用曲墙+仰拱的五心圆马蹄形断面，断面净空尺寸分别为23.60m×15.94m和5.68m×5.85m，采用矿山法施工。
图6 复合式TBM洞内调头现场
图7 复合式TBM调头段平面布置示意
4.4平移吊出
1号复合式TBM到达天生站时，由于天生站为暗挖车站，不具备车站端头吊出条件，考虑场地条件的控制因素较多，仅在天生站前右线设置了一座吊出井（1号、2号复合式TBM均从此井吊出），因此1号复合式TBM需进行洞内平移吊出。3号复合式TBM在五路口站前洞内调头后向天生站方向掘进，在天生站后仅设置了一个始发井（兼吊出井）。因此，复合式TBM需进行洞内平移吊出。
（1）拆卸吊出工序
复合式TBM平移吊出主要工序为：接收前准备工作→贯通、碴土清理，刀盘拆卸吊出→继续拼装管片，盾体出洞→盾尾拆除吊出→管片安装机拆除吊出→中盾、前盾拆除吊出→设备桥架吊出→后配套等吊出。
（2）平面布置
根据复合式TBM主要部件尺寸和调头工艺要求，本着减少工程浪费的原则，拟采用左线、右线共用1座竖井，并通过大跨断面将左线、右线连通，实现平移吊出，平面布置如图8所示。
复合式TBM平移断面的净空尺寸应满足地铁建筑限界、功能及各种设备使用功能的要求、平移吊出工艺的要求，结合施工误差、结构变形和位移等因素给出必要的富裕量，并从经济性和实用性方面综合考虑，采用曲墙+仰拱的五心圆马蹄形断面，净空尺寸为13.060m×10.564m，采用矿山法施工。
图8 复合式TBM平移吊出平面布置示意
4.5临时工程改造
复合式TBM施工快速、安全、优质、环保，但其产生了80m长的调头段和5座临时竖井；临时工程耗资大，在一定程度上还影响了地铁功能，如调头段大跨断面面积过大导致行车期间的活塞风速不满足要求等。因此，需考虑结合相邻车站情况和周边环境条件，对其进行有效改造，并加以利用，以减少整个工程投资。这也是本文研究的另一个重点问题。
（1）临时竖井改造
地铁兼具“平战结合”的人防功能，但其人防段断面较一般区间隧道断面大，在复合式TBM区间单独设置人防段，施工较为困难。通过重新浇筑和回填等方式，可将临时竖井改造为人防段，后期安装人防门，如图9所示。在始发、吊出等临时竖井内浇筑直墙拱形人防断面，平移断面内设置纵向人防墙体，并回填人防墙体之间剩余空间，完成改造。通过改造和充分利用临时工程，避免人防段独立设置所引起的工程量增加和施工难度。同时，出碴进料井多靠近车站端头，可结合车站建筑布置，将其改造为车站的通风竖井或疏散楼梯间。通过以上改造，将大大减少车站和区间其它工程的施工难度和工程投资。
图9 临时竖井改造示意
（2）调头段大跨断面改造
调头段大跨断面改造如图10所示，在满足地铁建筑限界、功能的条件下，增设中板和隔墙，充分利用剩余空间，以减少工程浪费、节约投资。通过改造，大跨断面分为上下两层，增加可利用剩余空间近2000m2。通常调头断面距离车站较近，一方面剩余空间可用于设备布置，进而减小车站规模；另一方面可结合车站出入口和站内布置，增设通道连接，用于物业开发。
图10 调头段大跨断面改造示意
5 结论与建议
目前，北碚段复合式TBM区间隧道施工均已完成，并于2013年底通车运营。本文通过北碚段复合式TBM区间隧道施工条件分析，优化方案设计，实现了在城市核心区域机械化施工，与传统的钻爆法施工相比缩减工期近1/3，节约工程投资近亿元，主要得到以下几点结论：
（1）复合式TBM通过井下整体始发、过站转场、洞内调头及平移吊出等措施，解决了城市核心区施工场地难题，克服了暗挖车站条件下复合式TBM施工筹划的难题，缩短了建设周期，避免了房屋拆迁，减小了对城市交通影响，对于城市核心区地铁建设具有重要意义。
（2）采用单线“双竖井+盲洞”的布置型式，完成复合式TBM整机一次性组装，实现井下整体始发，是复合式TBM始发方式的一种创新。
（3）通过复合式TBM过站后转场，避免了区间与车站施工的相互干扰，确保了车站及区间的总工期。
（4）采用单竖井+横通道的方式实现复合式TBM始发、平移吊出，减少了施工场地，并对临时工程进行改造，减少了工程浪费，节约工程投资。
（5）采用复合式TBM在隧道内调头，既解决了城市核心区施工场地受限问题，又实现了复合式TBM单台掘进长度最大化，对于重庆地区及类似地层地铁建设具有一定的参考意义。
同时，考虑到复合式TBM设备尺寸存在一定差异，建议复合式TBM始发井、吊出井、出碴井等临时工程的尺寸可根据实际情况进行优化。此外，应进一步总结复合式TBM施工过程中的掘进参数、技术指标及经验教训，形成成套的复合式TBM隧道建设与管理技术，为以后类似工程提供更有价值的借鉴。
转自：《现代隧道技术》