論TBM在重慶軌道施工技術中的選型

論TBM在重慶軌道施工中的選型-建筑論文論TBM在重慶軌道施工中的選型徐德嶺（重慶城市交通開發(fā)投資（集團）有限公司 重慶400000）【摘要】本文針對重慶的地質特點，對選擇適當?shù)?TBM類型修建重慶地鐵進行簡要分析。關鍵詞 重慶軌道；地鐵；施工方法；掘進機；特點； TBM建設“暢通重慶”讓重慶軌道交通的建設進入了快速發(fā)展期，必須選擇優(yōu)質、快速、安全、高效的施工方法按時完成軌道工程的建設，才能確?！笆濉蹦┩ㄜ嚳偫锍痰哪繕?。 TBM工法與普通的隧道工法相比有較多的優(yōu)點，本文針對重慶的地質特點，對選擇適當?shù)?TBM 類型修建重慶地鐵進行簡要分析。重慶軌道在“十二五”后期建設任務繁重（1）城市軌道交通是促進城市經(jīng)濟發(fā)展，改善城市生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化城市結構、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的關鍵。隨著我市經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展、城市化進程的不斷加快，我市城市軌道交通建設進入了快速發(fā)展時期。2）為確保圓滿完成“十二五”期間的各工程標任務，根據(jù)國家和重慶市有關部門的工作部署，重慶軌道集團結合實際情況，編制了“十二五”發(fā)展規(guī)劃。圍繞軌道交通網(wǎng)絡化發(fā)展的要求，以組織為保障、以工程為平臺、以人才為基礎、以重點關鍵技術為突破口，構建軌道交通網(wǎng)絡化經(jīng)營機制，完善軌道交通換乘樞紐建設，形成以快速軌道交通為骨干，各類公共客運交通方式有效結合的現(xiàn)代化交通體系。為實現(xiàn)“達到國內先進水平、穩(wěn)居西部一流地位、體現(xiàn)重慶特色文化”的國內一流軌道交通品牌企業(yè)而努力，為城市經(jīng)濟總量增長提供新的空間。（3）軌道交通建設規(guī)劃為：在“十二五”期間，除繼續(xù)做好二號線的運營工作，以及一、二、三、六號線及六號線支線建設、運營管理工作外，同時將陸續(xù)啟動軌道交通中期建設規(guī)劃中四號線、五號線、九號線、環(huán)線、一號線璧山段、空港線等工程的建設，新開工建設軌道交通 250公里。“十二五”末實現(xiàn)通車總里程 252公里。新開工建設軌道交通 250公里，與目前在建 178公里相比，“十二五”后期重慶軌道的建設任務將更加繁重。地鐵主要施工方法由于在城市中修建地下鐵道，其施工方法受到地面建筑物、道路、水文地質、環(huán)境保護、施工機具等因素的影響較大，因此采用的施工方法也不盡相同。施工方法的選擇應根據(jù)工程的性質、規(guī)模、地質和水文條件、以及地面和地下障礙物、施工設備、環(huán)保和工期要求等因素，經(jīng)全面的技術經(jīng)濟比較后確定。按規(guī)劃四號線、五號線、九號線、環(huán)線、一號線璧山段、空港線等均為地鐵，為了確保“十二五”末通車總里程目標的實現(xiàn)，優(yōu)質、快速、安全的修建地鐵隧道，選擇恰當?shù)氖┕し椒ㄊ潜仨毧紤]的問題之一。目前國內修建地鐵的施工方法主要有鉆爆法、淺埋暗挖法、明挖法、掘進機法等。2.1明挖法。明挖法是指挖開地面，由上向下開挖土石方至設計標高后，自基底由下向上順作施工，最后回填基坑或恢復地面的施工方法。明挖法是地鐵區(qū)間隧道施工的首選方法，在地面條件允許的情況下宜采用明挖法施工。明挖法的優(yōu)點是施工技術簡單、快速、經(jīng)濟、安全，常被作為首選方案。但缺點也明顯，如阻斷交通時間較長，噪聲與震動等對環(huán)境的影響。因此僅適合在無人、無交通、管線較少之地應用。2.2暗挖法。暗挖法是在特定條件下，不挖開地面，全部在地下進行開挖和修筑襯砌結構的隧道施工方法。暗挖法的優(yōu)點是不影響城市交通，缺點就是進度慢、安全風險大。鉆爆法、淺埋暗挖法、掘進機法均屬于暗挖法。（1）淺埋暗挖法和鉆爆法是采用爆破或適宜的方法開挖，以錨噴作一次支護，必要時加鋼拱支架，再合理進行二次支護。 淺埋暗挖法和鉆爆法施工作業(yè)均在地下進行，但對地面有噪聲和振動影響，工作面環(huán)境惡劣。（2）掘進機法是利用集掘進、出渣、支護和通風、防塵等多功能為一體的高效隧道施工機械 (TBM)施工的方法。與鉆爆法相比，具有施工快速、優(yōu)質、安全、高效、環(huán)保等突出優(yōu)點，是地鐵隧道施工方法的主要發(fā)展方向。掘進機分類及特點3.1全斷面掘進機是一種集掘進、出渣、支護和通風、防塵等多功能為一體的高效隧道施工機械。TBM 是隧道掘進機的英文名稱 Tunnel BoringMachine 縮寫。3.2 目前在國內對全斷面隧道掘進機有兩種提法：一是巖石掘進機TBM），二是盾構機。3.2.1巖石掘進機。3.2.1.1巖石掘進機（TBM）就是適合硬巖掘進的隧道掘進機，適用于山嶺隧道硬巖掘進，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆爆法，在相同的條件下，其掘進速度約為常規(guī)鉆爆法的 3～5倍，最佳日進尺可達 150m。具有快速、優(yōu)質、安全、經(jīng)濟、有利于環(huán)境保護和勞動力保護等優(yōu)點。3.2.1.2根據(jù)掘進機的結構形式，可將其分為開敞（敞開）式掘進機、單護盾式掘進機、雙護盾式掘進機。六號線一期 TBM 實驗段工程使用的就是羅賓斯公司制造的敞開式 TBM。3.2.1.3 敞開式掘進機（開敞式 TBM）是一種旋轉的巖石隧道開挖設備，并以一定的速度將開挖下來的碴土從刀盤工作面轉運出去。該掘進機包括三個主要部件：(1)刀盤；（2）機頭架和大梁 ；（3）支撐和推進系統(tǒng)。其他的部件為包括變頻調速（VFD）電機、主軸承及其密封系統(tǒng)、潤滑及其密封系統(tǒng)、擋塵板、操作控制臺、刀盤水噴霧系統(tǒng)、碴土鏟斗和皮帶運輸系統(tǒng)以及電氣和液壓系統(tǒng)。將所有這些系統(tǒng)組合在一起形成一臺機器，這臺機器能夠完成開挖巖石、圍巖支護，并將破碎的碴土轉運出去。3.2.1.4敞開式 TBM 的核心部分是主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)主要由帶刀具的刀盤、刀盤驅動和推進系統(tǒng)組成。主機刀盤上安裝有一定數(shù)量的盤形滾刀，當?shù)侗P旋轉時，盤形滾刀劃出的痕跡是以刀盤中心為圓心、間距均勻的同心圓切槽。在掘進時，支撐系統(tǒng)把主機架牢固地鎖定在開挖的隧道洞壁上，承受刀盤扭矩和推進力的反力。推進油缸以支撐系統(tǒng)為支點，把推力施加給主機架和刀盤，推動刀盤破巖掘進。在推力作用下，安裝在刀盤上的盤形滾刀緊壓巖面，隨著刀盤的旋轉，盤形滾刀繞刀盤中心軸公轉，并繞自身軸線自轉。在刀盤強大的推力、扭矩作用下，滾刀在掌子面固定同心圓切縫上滾動，當推力超過巖石的強度時，盤形刀下的巖石直接破碎，盤形刀貫入巖石，掌子面被盤形滾刀擠壓碎裂而形成多道同心圓溝槽。隨著溝槽深度的增加，巖體表面裂紋加深擴大，當超過巖石的剪切和拉伸強度時，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片剝落。崩落在隧底的巖碴被隨刀盤旋轉的均布在刀盤上的鏟斗、刮板收集到主機內的皮帶機上，通過皮帶機系統(tǒng)轉載后，運送至后配套將石碴轉載于礦車上運出。3.2.1.5 敞開式TBM鞍架上裝有超前鉆機、錨桿注漿系統(tǒng)、應急噴射砼設備和鋼拱架安裝機等。超前鉆機可以完成超前小導管或超前錨桿等超前支護工作，錨桿鉆機可快速前后移動，可以靠近工作面安裝錨桿，鋼拱架安裝機可及時安裝鋼拱架。鉆錨桿孔和安裝錨桿、鋼拱架安裝、混凝土噴射等初期支護作業(yè)可以與掘進作業(yè)同時進行，即初期支護可以與掘進作業(yè)同時進行。初支完成后采用混凝土襯砌施作二襯。3.2.2盾構機。（1）盾構機是適于在土中的隧道掘進機，適用于軟弱性圍巖施工的隧道掘進。（2）盾構機是盾構隧道掘進機的簡稱。是一種用于軟巖、軟土隧道暗挖施工，具有金屬外殼，殼內裝有整機及輔助設備，在其掩護下進行開挖、出碴、整機推進和管片安裝等作業(yè)，使隧道一次成形的機械。是目前城市地鐵建設中速度快、質量好、安全性能高的先進技術。采用盾構機施工的區(qū)間隧道，可以做到對土體弱擾動，不影響地面建筑物和交通，減少地上、地下的大量拆遷，使整體工期明顯壓縮。（3）盾構機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘。該圓柱體組件的殼體即護盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面。挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護盾的掩護下進行。（4）盾構機的分類方法很多，可按盾構切削斷面的形狀、盾構自身構造的特征、尺寸的大小、功能、挖掘土體的方式、開挖面的擋土形式、穩(wěn)定開挖面的加壓方式、施工方法、適用土質的狀況等多種方式分類，但根本區(qū)別是其應用的設計原理。根據(jù)開挖面穩(wěn)定以及掘進、出土模式的不同，盾構可分為敞開式、半敞開式、土壓平衡式、泥水式等，它們都適用于相應的土層結構。（5）當某一段隧道穿越不同地層結構時，用以上任一形式的盾構都不適于單獨將此段隧道掘進貫通，而根據(jù)相應土層情況要用兩臺或多臺盾構， 在隧道段掘進長度較短時很不經(jīng)濟， 或由于條件限制使布置多臺盾構非常困難。此時需將以上不同形式的盾構進行組合，在結構空間允許的情況下，將不同形式盾構的功能部件同時布置在一臺盾構上，掘進過程中可根據(jù)地質情況進行功能或工作模式的切換；這種在不同的地層經(jīng)轉換后可以以不同的工作模式運行的盾構稱為復合（混合）式盾構或復合式 TBM。復合式TBM可以根據(jù)土層地質和水文條件作調整，其本質上是對開挖面支撐方式以及刀具布置、排土機構進行調整。復合式盾構的組合模式有壓縮空氣／敞開式、泥水式／敞開式、土壓平衡式／敞開式、泥水式／土壓平衡式、敞開式／泥水式／土壓平衡式等。（6）復合式TBM的適應性較大，能用于粘結性、非粘結性、有水或無水、軟土或軟巖、砂卵石、硬巖等多種復雜的地層，施工速度較高，能有效的控制地表沉降。隨著 TBM 機和輔助功能的完善與發(fā)展，如局部氣壓平衡系統(tǒng)的采用，加泥加泡沫系統(tǒng)的采用，以及防噴涌功能系統(tǒng)和保壓泵碴裝置的應用等，已使復合式TBM具有了十分完善的功能和先進的技術性能。（7）復合式TBM可以根據(jù)地層的不同特性分別采用不同的掘進模式進行開挖。在不穩(wěn)定的地層中開挖時復合式 TBM 可以采用泥水式／土壓平衡式掘進；在穩(wěn)定性比較好的地層中可以采用敞開式掘進；根據(jù)實際地層的不同還可以采用半敞開式掘進，并且各種掘進模式可以靈活可靠地相互轉換。通過各種工作模式的組合工作，復合式 TBM 機能夠適應工程中的各種地段，確保安全可靠掘進。（8）在會展支線施工使用的復合式 TBM就是可以采用敞開式、半敞開式、土壓平衡式三種模式掘進的復合土壓平衡式 TBM。敞開式TBM與復合式TBM的比較4.1工作環(huán)境不一樣。（1）敞開式TBM一般用在巖石整體較完整，有較好的自穩(wěn)性、地下水較少的硬巖及軟巖地層。（2）復合式TBM主要用于軟土地層；但隨著技術的進步，通過設計選擇恰當?shù)牡侗P開口率，合理的刀具布置和刀具可以根據(jù)地層軟硬不同進行互換以及工作模式的轉換，復合式 TBM已經(jīng)可適應各種地層的掘進。（3）從工作環(huán)境的角度來看，復合式 TBM的適應性要強一些。4.2支護方式不同。1）敞開式TBM采用復合式襯砌。在TBM掘進的同時利用TBM設備自帶的錨桿鉆機、拱架安裝設備及噴射混凝土等設備完成區(qū)間隧道的初期支護施工，二次襯砌在隧道開挖、初支完成，全線貫通后集中進行施工。復合式襯砌質量較好，防水效果較好。2）復合式TBM采用管片襯砌。利用TBM設備自帶的管片安裝機安裝管片，然后通過盾尾的注漿管道將砂漿注入到開挖直徑和管片外徑之間的環(huán)形間隙（簡稱超挖間隙）。實現(xiàn)邊掘進邊襯砌，隧洞貫通襯砌也完成，不過掘進與襯砌是交替進行，也不能同時并舉。（3）從會展支線的實際情況看，由于巖層強度均在 20MPa 以上，有很強的自穩(wěn)能力，復合式 TBM掘進經(jīng)過后，超挖間隙不象在軟土層能及時收斂變小，使管片有較大的自由度，同時因超挖間隙收斂小，環(huán)形間隙大，同步注漿的漿液注入量大于理論注漿量，且在初凝前給管片一個上升的浮力，使得管片上浮，造成管片軸線偏位、管片間錯臺、管片接頭部位止水條被破壞或不起作用，易發(fā)生滲漏水，需進行整治。4）管片是在工廠預制，質量有保障，但因安裝問題容易出現(xiàn)錯臺等現(xiàn)象，發(fā)生滲漏水。復合式襯砌質量較容易控制，防水效果較好。因此，從防水的角度，復合式襯砌較好，即敞開式TBM法較好。4.3工期不同。（1）敞開式TBM采用復合式襯砌。掘進的同時完成隧道的初期支護，等隧道全線貫通后再進行二次襯砌，不能同步施工，沒有有效利用時間，工期相對較長。同時在隧道較長時，初支完成后較長時間才施作二襯，存在初支垮塌的安全風險。（2）復合式 TBM采用管片襯砌。實現(xiàn)邊掘進邊襯砌，隧洞貫通襯砌也完成，工期相對較短且無安全風險。（3）為了解決敞開式 TBM掘進與襯砌不能同步施工、工期較長的問題，中鐵十八局在中天山隧道施工中已經(jīng)開發(fā)并成功地應用了敞開式 TBM 掘進與二次襯砌同步施工技術，在重慶今后的敞開式 TBM 施工中可以引進該技術，掘進與襯砌同步施工，實現(xiàn)有效利用時間、縮短工期。（4）從工期上比較，一般情況下復合式 TBM工期較敞開式TBM短；如果敞開式 TBM采用掘進與二次襯砌同步施工技術，工期可能與復合式 TBM沒有較大差別，或者比復合式 TBM更快。4.4靈活性不同。1）敞開式TBM長度/直徑≤1，靈敏度高，易精確調整方向，可在30mm以內。盾殼較短，掘進時摩擦力較小，不易出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。（2）復合式TBM盾殼較長，調整方向不易，掘進時摩擦力較大，易出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。建議意見1）雖然重慶僅在會展支線使用了復合式TBM，且工期、質量等與鉆爆法相比并不明顯，但國內許多城市已經(jīng)使用復合式TBM用于地鐵建設的事例，證明復合式TBM確實可適應各種地層的掘進，在地質條件復雜的情況下，為了保證掘進的順利，宜優(yōu)先選用復合式 TBM。但在有較好的自穩(wěn)性、地下水較少的硬巖及軟巖地層，為了避免復合式 TBM超挖間隙收斂慢、小，導致同步注漿量大、管片軸線偏位、管片錯臺、管片接頭部位止水條被破壞或不起作用，發(fā)生滲漏水等現(xiàn)象，應盡量使用敞開式 TB