0 引言
自世界上第一台 TBM 由比利时人毛瑟(Maus)发明以来, TBM 的发展前后经历了 170 多年的时间。TBM 早期多应用于山岭隧道的建造,但随着我国城市现代化进程的加快,越来越多的城市地铁正在规划和建设。 城市地铁隧道的施工效率是需要重点关注的问题,双护盾 TBM 以其高效安全的施工优势,正在我国越来越多的城市地铁隧道施工中被积极研究和探索[1-3]。
自深圳地铁 3 期工程在地铁 10 号线孖雅区间隧道首次引入双护盾 TBM 施工以来,目前在建深圳地铁6 号线羊台山隧道、6 号线民乐停车场出入线隧道、6号线梅翰区间隧道、8 号线梧沙区间隧道等都选用了双护盾 TBM 进行建造,深圳在建工程使用的双护盾TBM 共计 12 台。 双护盾 TBM 在深圳地区的应用出现了一些具有代表性的工程难题,如极限小转弯半径施工、场地限制始发、极硬岩施工及穿越断层破碎带等。针对类似问题,吴俊等[4] 对大连地区极硬岩地层刀具磨损问题进行研究,研究了刀具磨损机制,并建立了偏最小二乘回归刀具磨损预测模型。 杜立杰[5] 系统地研究了 TBM 在极硬岩地层施工过程中,刀盘面板不同刀位的磨损规律,为工程换刀提供了指导。 刘港[6] 采用有限元分析方法对小转弯半径隧道施工变形进行了分析,为小转弯半径隧道的设计和施工提供依据。 孙鹏[7] 为了解决地铁隧道施工中小转弯半径曲线始发的问题,结合实际工程提出了应对措施,尤其是对分体始发位置的确定等问题做了详细的探讨,为今后的地铁施工中小转弯半径曲线始发提供技术支持。 徐杨[8]结合青岛地铁穿越断层破碎带实例,研究了地铁隧道施工时围岩产生的应力场、位移场的变化,分析开挖卸荷的动态过程和差异性特征,总结了隧道围岩变形特征及主要影响因素。 陈剑等[9] 结合青岛地铁区间隧道穿越断层破碎带时发生突水涌砂地质灾害实例,对富水断层破碎带突水涌砂原因及力学形成过程进行分析,保证了隧道顺利通过突水涌砂段。
上述研究主要集中在数值分析及模型建立上,理论性研究居多,对工程问题缺乏指导性和针对性。 本文首先概述了双护盾 TBM 在深圳地区的应用特点和要求,然后结合双护盾 TBM 在深圳地铁不同工程区间的应用状况,对双护盾 TBM 在深圳地铁施工中面临的场地限制始发难题、R260 m 极限小转弯半径施工难题、210 MPa 极硬岩施工及穿越断层破碎带等典型工程难题展开研究,总结双护盾 TBM 在城市地铁施工中存在的问题及对策,以期为推广双护盾 TBM 在城市地铁施工和提升装备的地质适应性设计提供参考。
1 双护盾 TBM 原理及在深圳地区应用需求
1. 1 双护盾 TBM 工作原理
双护盾 TBM 主要由装有刀盘及刀盘驱动装置的前盾、装有支撑装置的支撑盾、连接前盾和支撑盾的伸缩盾和安装预制混凝土管片的尾盾组成,如图 1 所示。双护盾 TBM 具有双护盾和单护盾 2 种掘进模式,在硬岩中采用双护盾模式,掘进时通过撑靴紧撑在洞壁上,为刀盘和前盾提供反力,掘进与安装管片能同时进行,施工速度快; 在软弱围岩中采用单护盾模式,此时撑靴收回,依靠辅助推进油缸支撑在管片上提供的反力向前推进, 此时TBM掘进与管片安装不能同步。
图 1 双护盾TBM结构示意图
1. 2 深圳地区双护盾 TBM 应用需求
双护盾 TBM 在城市地铁施工中始发场地狭小,且受地下管线密集、地面建(构)筑物影响,结合深圳地区已应用的双护盾 TBM 工程进行分析,得出双护盾TBM 在深圳地区的应用需满足以下条件。
1)深圳地区应用的双护盾 TBM 始发场地狭小,空间受限,多采用竖井分体始发。 要求双护盾 TBM 整机各部件能够方便拆解、运输和吊装。
2)深圳地铁隧道穿越地层以中、微风化花岗岩为主,部分区间岩石石英含量高、抗压强度普遍较高,单轴抗压强度在 70~220 MPa。 要求双护盾 TBM 刀盘刀具具有满足极硬岩工况掘进的针对性设计。
3)深圳作为我国最发达城市之一,地上建(构)筑物密集,地下管线复杂,地铁线路的规划和设计普遍面临小曲率半径施工问题。 要求双护盾 TBM 具有能够满足极限小转弯半径的针对性设计。
4)深圳地区地质复杂,从目前在建及规划的地铁线路看,多数隧道施工区段会遇到断层破碎带。 要求双护盾 TBM 在设计时,需要针对断层破碎带设计针对性的辅助配套处理设备,避免卡机风险。
5)依据 GB 50490—2009《城市轨道交通技术规范》要求,地铁主体结构设计寿命为 100 年,隧道管片成型综合质量是一个重要关注点。 要求双护盾 TBM设备需要配置安全便捷的辅助施工设施,如管片拼装设备、豆粒石回填设备、注浆设备等,确保隧道管片成型质量。
2 深圳地铁双护盾 TBM 的应用
在我国所有选用双护盾 TBM 工法修建地铁的城市中,深圳地区双护盾 TBM 工法的应用最为广泛。 通过双护盾 TBM 在深圳地铁 6 号线、8 号线及 10 号线的应用,解决了双护盾 TBM 始发、极限小转弯半径施工、穿越极硬岩及断层破碎带等工程难题。
2. 1 分体始发
深圳地铁 6 号线梅翰区间始于翰林站,侧穿新彩隧道,下穿厦深铁路,上跨东江饮水干道,下穿南坪快速路后到达梅林关站。 由于始发场地狭窄且受始发后导洞长度的限制,通过分体始发技术解决了双护盾TBM 始发难题。 双护盾 TBM 分体始发如图 2 所示。
图 2 双护盾 TBM 分体始发示意图(单位: mm)
双护盾 TBM 分体始发需实现与正常始发相同的功能。 以深圳地铁 6 号线梅翰区间左线为例,双护盾TBM 分体始发步骤如下:
1) 将 4#—10# 台车下放至车站右线底板或地面上,并将设备桥及 1#—3#拖车下放至左线底板上。
2)将主机吊装下井组装后,3#、4#拖车之间采用延长管线连接,整机开始调试。
3)主机及 1#—3#拖车开始步进,直至刀盘与掌子面接触。
4)拆除 3#、4#拖车之间的延长管线,拆除 4#—10#拖车之间的连接管线,将 4#—10#拖车移至左线底板上,再次连接 4#—10#拖车之间的管线,用延长管线连接 3#—4#拖车,整机调试后利用始发井出渣进料再次始发。
5)双护盾 TBM 向前掘进 70 m 后,拆除延长管线,将 4#—10#拖车移至暗挖隧道内,再次连接 3#—10#拖车之间的管线,整机调试后再次始发掘进。
双护盾 TBM 采用分体始发需要提前设计好方案,在掘进过程中需适时调整掘进参数,控制好掘进姿态,加强测量校准。
2. 2 极限小半径施工
深圳地铁 6 号线民乐停车场出入线隧道起点为翰梅区间,出区间后以 R1= 300 m 曲率半径往西转,沿塘朗山西行 1 km 后以 R2= 260 m 曲率半径往东转接入民乐停车场线路。 TBM 始发端即为 R260 m 的小半径曲线,且穿越地层为全断面微风化花岗岩,岩石强度高。 该工况下的小半径施工难度极大。 民乐停车场出入线隧道工程如图 3 所示。
图 3 民乐停车场出入线隧道工程示意图
在 R260 m 极限小半径施工中,分别针对小半径施工步进、刀具磨损及测量顶台振动做了以下研究。
2. 2. 1 小半径施工步进
由于单洞双线隧道二次衬砌施工已完成,双护盾TBM 刀盘与二次衬砌结构面最小距离仅 10 cm,且矿山法段断面形式变换频繁,双护盾 TBM 在 R260 m 小半径上空推极易出现空间受限及步进受阻问题。 为保证双护盾 TBM 顺利通过该区域,应预先模拟分析干涉区域,过程中需重点对净空断面较小区域加强测量,找出相对位置关系,精准控制导台轨面高程。 双护盾TBM 在 R260 m 小半径空推的工程现场如图 4 所示,双护盾 TBM 轮廓线与二次衬砌位置关系如图 5 所示。
图 4 双护盾 TBM 在 R260 m 小半径上空推
空推步进前需提前预埋反力孔套筒并保证反力架孔孔深,非标准截面导台两侧植筋,混凝土浇筑平齐轨面以提高侧向支撑力,确保导台结构稳定。 步进装置如图 6 所示。 在实际步进过程中,由于预埋的钢盒子变形和埋深不够,导致导台混凝土破损、开裂使步进受阻,后续类似工程可以考虑双排反力支撑、加深钢盒子预埋深度。
2. 2. 2 刀具磨损消耗规律
左线和右线小半径曲线段非正常磨损换刀分别占总体换刀比例的 18%和 21%,小半径曲线段每延米刀具损耗量左线为 2. 04 把,右线为 2. 70 把,如图 7 所示。 左线和右线直线段非正常磨损换刀分别占总体换刀比例的 10% 和 15%, 每延米刀具损耗量左线为2. 38 把,右线为 2. 04 把,如图 8 所示。
图 5 双护盾 TBM 轮廓线与二次衬砌位置关系示意图
图 6 步进过程及步进装置
图 7 左、右线小半径曲线段刀具消耗比例
图 8 左、右线直线段刀具消耗比例
由于曲线段推进刀具偏磨的原因,小半径曲线段刀具磨损消耗更多,左、右线异常损耗换刀量占比小半径曲线段明显高于直线段,小半径曲线段施工刀具损耗更频繁。 小半径曲线段平均每 17. 54 m 需停机换刀,直线段平均每 26. 9 m 需停机换刀。 因此,可合理组织换刀及刀具检修时间,提高施工效率。
2. 2. 3 测量顶台振动问题
小半径曲线施工换站空间狭小,每次人工导线点引至全站仪处要多次转站,始发段为 R260 m 的小曲线半径洞内导线布设困难; 且双护盾 TBM 在全断面微风化花岗岩中掘进振动大,导致测量导向系统顶台不稳定,顶台随着管片振动,传统的全站仪固定方式不满足测量需要。
通过对测量顶台的改进,成功解决了因振动大而无法测量的问题,改进后的测量顶台如图 9 所示。 要求测量顶台高度方向上尽可能低,顶台架圆盘中心距管片竖向高度在 46 cm 左右,当 1 根锚杆无法满足顶台固定要求时,可以采用多根锚杆加强固定。 针对振动测量问题,在深圳地铁其他项目上也有设置封闭环解决振动的成功案例,施工过程中可依据现场实际情况灵活采用。
2. 3 极硬岩施工
深圳地铁 6 号线羊台山隧道岩性为致密微风化花岗岩,补勘岩芯检测报告显示平均单轴抗压强度为180 MPa,最大为 210 MPa,石英含量高达 70%,取芯测试如图 10 所示。 城市地铁在该级别强度岩石中施工难度极大。
图 9 测量顶台改进
图 10 取芯测试
2. 3. 1 硬岩段施工问题
通常采用岩石单轴抗压强度 Rc 来判断 TBM 开挖围岩的难易程度,国内外针对岩石单轴抗压强度与掘进速度的拟合关系曲线如图 11 所示[10-16]。
图 11 单轴抗压强度和掘进速度关系曲线
1)当 Rc>150 MPa 时,岩石可掘进性差,刀具磨损严重,掘进效率低。
2)当 30 MPa<Rc <150 MPa 时,岩石属中等坚硬,掘进速度快,效率较高,但随着岩石强度增大,掘进速度不断降低。
3)当 Rc<30 MPa 时,岩石强度低且大多位于不良地质带,围岩稳定性差,容易发生坍塌。
羊台山隧道硬岩区域岩石单轴抗压强度高达 210MPa,属于极硬岩。 该区段施工刀具磨损消耗剧烈,换刀频繁,破岩难度极大。
2. 3. 2 刀盘针对性设计
刀盘面板设计上采用 270 mm 锻造钢板,保障刀盘正面强度; 连接法兰采用 340 mm 锻造钢板,保证刀盘抗倾覆能力; 刀盘面板覆盖耐磨钢板,增强刀盘耐磨性能; 正面及边缘滚刀选用 48. 26 cm 大尺寸滚刀,增强破岩能力。 此外,考虑到小刀间距有利于破岩,能够有效降低刀盘振动,中心刀刀间距设置为 89 mm,正滚刀刀间距设置为 86、82 mm,如图 12 和图 13 所示。
图 12 羊台山隧道刀盘设计
图 13 刀间距设置示意图(单位: mm)
尽管刀盘已针对工程硬岩段进行了针对性设计,但由于隧道围岩的完整性好、岩石强度高,导致 TBM掘进贯入度小,调整推力无明显改善。 在此区域刀盘转速为 6. 3 r/ min, 主推力为 13 500 kN, 贯入度为1. 0~ 3. 0 mm / r,掘进速度为 7~18 mm / min。 通过提高转速,依靠高转速来冲击破岩的效果较差,贯入度较小。 极硬岩施工是整个隧道区间的施工难题。
右线 TBM 掘进 1 359 m 时换刀 338 次,更换滚刀1 335 把,报废 48. 26 cm 刀圈 1 167 个、挡圈 1 221 个、轴承 246 个、密封圈 147 套,共计使用 139 把 48. 26 cm单刃滚刀,预计隧道掘进完成刀具费用约为 1 836 万,每延米消耗约 4 500 元,刀具成本巨大。 因此,刀具优化改造十分重要。
2. 3. 3 刀具优化设计
从材料、热处理工艺及刀具刃形方面对刀具做了如下改进。
1)刀具材料改进。 材料的改进与热处理工艺的改进是为了提高刀圈的硬度和冲击韧性,其中硬度是耐磨性的指标,冲击韧性是抗冲击的指标,一味地提高硬度会降低刀圈冲击韧性,两者需要相互平衡以提升刀圈综合性能。 经过刀具原材料和热处理工艺优化后,刀圈中硫 S 含量≤0. 003%,磷 P 含量≤0. 015%,达到超级特种钢标准,保证了刀圈材料质量。 在热处理中,保证抗拉强度 Rm 在 1 550 MPa 时,材料含硫量由0. 005%降低到 0. 003%,此时冲击韧度提高至约 13 J。
2)刀具刃形优化。 随着刀具磨损,滚刀尖刃楔形截面因钝化导致破岩效率低,因此,应对刀具刃形进行适度钝化,增加刀刃的宽度,优化刀具双侧曲面的过渡线。 优化前和优化后的刀具刃形如图 14 所示。
图 14 刀具刃形优化
2. 3. 4 实施效果分析
刀具优化后,在设备整体负荷总推力降低的情况下,提高了贯入度和设备的掘进速度,降低了刀具的更换频率。 44#边刀从掘进 10 环更换优化为掘进 16 环更换,28#面刀从掘进 40 环更换优化为掘进 58 环更换。 刀具优化前后的参数如表 1 所示。
表 1 刀具优化前后参数
2. 4 穿越断层破碎带
现有设计及地勘资料表明,深圳地铁在建和规划的线路基本上都会遇到断层破碎带问题。 深圳地铁 8 号线梧沙区间存在 4 条断层破碎带,6 号线羊台山隧道存在 2 条断层破碎带,10 号线孖雅区间存在 2 条断层破碎带。 双护盾 TBM 穿越断层破碎带过程中,由于围岩不稳定极易遇到掌子面失稳、卡机等风险。 一旦出现卡机事故,不仅会导致施工成本增加,而且会延误工期。
合理的预处理措施和掘进参数是保证双护盾TBM 顺利通过断层破碎带的前提,以深圳地铁 8 号线梧沙区间为例,通过超前地质处理和掘进参数控制,TBM 顺利通过断层破碎带。 在双护盾 TBM 通过 F6 地质断层,进入地质勘查断层前 50 m 时,应停机进行 TBM设备检修,确保通过地质断层时设备运行良好; 同时,采用超前钻孔探测前方围岩情况,根据围岩情况进行超前注浆,注浆范围控制在 1 倍洞径范围以上,如图 15 所示。 TBM 通过地质断层时,每掘进完成 1 环,需要检查掌子面围岩以确定实际围岩情况。 双护盾 TBM 穿越断层过程中推力控制在 5 500~8 000 kN,推进速度控制在46~52 mm/ min,刀盘转速设定为 6. 2~6. 6 r/ min。
图 15 超前注浆示意图
在实际施工中,合适的预处理措施及设备参数设置能够起到避免卡机的目的,通常针对不同的断层破碎带可以采取以下策略[17-19]。
1)通过超前地质预报及时发现异常情况,预告掌子面前方不良地质体的位置、围岩结构的完整性与含水的可能性,为正确选择掘进参数、支护设计参数和优化施工方案提供依据。
2)断层破碎带规模较小时,可以不进行预处理,采用快速掘进方法直接通过,尽可能不停机或减少停机时间,以防 TBM 刀盘被卡。
3)断层破碎带规模较大,采用直接掘进的方法无法通过时,可对刀盘前方破碎岩体进行预处理加固后通过。 断层破碎带规模特别大时,可采用超前导洞、绕洞等辅助施工措施提前处理,然后空推通过。
3 结论与讨论
1)针对双护盾 TBM 因始发场地狭窄且受始发后导洞长度限制的问题,提出了一种分体始发方案,解决了双护盾 TBM 始发难题。
2)针对双护盾 TBM 极限小转弯半径工程难题,提出了步进控制措施及测量顶台振动解决方案,保证了双护盾 TBM 顺利通过小转弯半径区段。
3)针对双护盾 TBM 极硬岩掘进工程难题,提出了设备针对性设计和刀具优化改造方案,保证了双护盾在极硬岩工况下的高效掘进。
4)针对双护盾 TBM 在城市地铁施工穿越断层破碎带难题,提出了通过不同大小断层破碎带的应对策略,保证了双护盾 TBM 顺利通过断层破碎带。
通过上述工程难题研究,证明了双护盾 TBM 在深圳地铁应用的可行性。 建议后续地铁双护盾 TBM 选型时,预先对工程地质难题做好详细勘探,并考虑从装备的针对性设计方面来解决工程难题。
摘自：隧道建设