郭 军

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

1 研究背景

隧道掘进机包括用于软土地层的盾构机和用于岩石地层的岩石隧道掘进机，在我国TBM特指岩石隧道掘进机。盾构机因具有压力平衡的功能，可保持开挖面的稳定，已在不能自稳的软土地层的城市地铁施工中得到了广泛的应用。目前，也有一些地铁隧道穿越的地层为岩石地层的城市(如重庆、青岛、深圳等)，采用盾构机施工，导致刀盘刀具磨损严重、螺旋机或管道出渣困难，且盾构机压力平衡的功能无用武之地，导致盾构施工效率低下。而TBM利用皮带机出渣，出渣效率高、岩渣不滞留，且可避免盾构机在自稳性好的岩石地层中过度磨损，因此，探索TBM在城市地铁建设中的应用对提高地铁隧道施工效率具有深远的意义。

近年来，TBM已在重庆、深圳等城市地铁隧道修建中得到了应用。针对重庆轨道交通5号线单护盾TBM工程，张明书等[1]提出了地铁TBM隧道上跨铁路隧道施检测评估、方案优化、施工控制方法；熊海涛[2]提出了TBM姿态控制、隧底注浆加固以及豆砾石吹填注浆等方面的控制措施；葸振东等[3]提出了碎石吹填的管片壁后注浆工艺；李立功等[4]通过建立管片结构-载荷模型数值仿真，计算了管片接头的变形和受力，确保了上跨既有铁路隧道的安全。针对重庆轨道交通6号线敞开式TBM工程，张红耀等[5]提出了TBM的针对性设计，提高了敞开式TBM在重庆岩石地层的适应性；朱文会等[6]通过对比步进过站和掘进过站两种方式的优劣，解决了敞开式TBM快速转移的问题。另外，王杜娟等[7]、宋天田等[8]、雷江松等[9]、郭帅帅[10]、韩明[11]介绍了双护盾TBM在深圳地铁建设中的应用。

关于青岛地铁隧道TBM始发技术的研究，王小强[16]等针对城市轨道交通施工场地受限的问题，提出了双护盾TBM分体始发技术；黄银钉[17]、司玉迪[18]提出了轨排井+吊装井+始发洞始发技术，以及整机曲线、站内导洞、空推平移等过站技术，提出了存车线隧道+车站风井解体吊出接收技术。上述研究总结了青岛地铁隧道双护盾TBM几种始发、过站及到达方法，但对于弧形导台反力支架、预埋钢轨反力牛腿步进以及首环管片反力环始发技术未涉及，也未涉及锁紧装置主动拉紧管片的到达技术。

关于TBM掘进参数的研究，张娜[19]等针对引松供水隧洞敞开式TBM，通过TBM掘进参数反演岩体的掘进状态；杜立杰[20]等针对东北某隧道敞开式TBM，建立了贯入度指数与关键地质因素岩石单轴抗压强度和岩体完整性系数之间的多元回归关系式。上述研究多针对山岭隧道敞开式TBM，对于地铁隧道双护盾TBM掘进参数的研究较少。本研究建立不同等级围岩条件下，推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度等参数的选取范围，建立推力、扭矩与贯入度的匹配关系，对地铁隧道TBM掘进参数控制具有参考价值。

2 工程概况

青岛已建和在建的地铁包括：1号线、2号线、3号线、4号线、R1城际以及R3城际，其中地铁1号线、2号线、4号线多个标段地层以中、微风化花岗岩为主，部分段穿越花岗岩强风化带，地质条件相对单一，围岩完整性较好，适合TBM施工。青岛地铁2号线采用4台TBM掘进7 km双线隧道；1号线采用6台TBM掘进10 km双线隧道；4号线采用5台TBM掘进12 km双线隧道。其中2号线为最先使用TBM施工的线路，因此以2号线两个标段作为试验段，探索TBM在城市地铁隧道修建中的应用技术。2号线一期工程泰山路站-利津路站-台东站-海信桥站-芝泉路站4个区间(土建1标)，采用两台TBM掘进，各掘进2.4 km；海安路站-海川路站-海游路站-麦岛站-高雄路站4个区间(土建2标)，采用两台TBM掘进，各掘进3.5 km。

土建1标地层主要为中、微风化花岗岩，有些段落是强风化带。微风化花岗岩单轴抗压强度60～80 MPa，中风化花岗岩单轴抗压强度为35～45 MPa，其中Ⅱ级围岩占16%，Ⅲ级围岩占44%，Ⅳ级围岩占38%，Ⅴ级围岩占2%。2号线土建2标地层以中、微风化花岗岩为主，部分地段发育煌斑岩、花岗斑岩等脉岩及碎裂岩等构造岩，地下水不发育，岩石单轴抗压强度为15～132 MPa，集中在50～100 MPa，其中Ⅱ级围岩占54%，Ⅲ级围岩占20%，Ⅳ级围岩占23%，Ⅴ级围岩占3%。图1为2号线土建2标高雄路站到麦岛站的地质纵断面简图。

图1 高雄路站到麦岛站区间地质纵断面简图Fig.1 Geological profile from Gaoxiong Roadstation to Maidao station

3 青岛地铁TBM选型分析

采用何种类型TBM是TBM在青岛地铁隧道建设应用中首先需要解决的问题。TBM常用机型主要有敞开式TBM、单护盾TBM以及双护盾TBM 3种。

敞开式TBM由于护盾覆盖范围有限，通过破碎岩层之前，需进行预加固处理。敞开式TBM设备体量较大(重庆6号线敞开式TBM整机长195 m，主机长25 m)，因此对施工条件的要求较高(重庆6号线每台敞开式TBM拼装场地约需4 000 m2，矿山法始发洞长度约200 m)。敞开式TBM转场、起吊、始发、调头等要求高，且当TBM过站时对车站施工的干扰比较大。另外，TBM单个掘进区间的长度为1 000 m左右，TBM单次独头掘进的距离比较短，导致TBM掘进对车站施工的干扰比较大。可见，不适合采用敞开式TBM修建青岛地铁隧道。

单护盾式TBM只能依靠单一盾尾千斤顶反向推进施工，需全程敷设管片，对于青岛地铁2号线TBM施工区间存在以下不足：① 大部分为围岩条件较好的微、中风化岩段，围岩条件好，全程敷设管片，在很大程度上加大了建设成本；② 掘进硬岩时，尤其碰到施工区段单轴抗压强度最高达200 MPa的围岩，其驱动扭矩和掘进推力均反作用在管片上，对管片的强度要求相当高；管片不但厚、体积大，而且需进行加强，整个工程的造价将大幅提升；③ 单护盾式TBM的管片拼装工序与掘进工序不能同时进行，因此，施工效率较低。

2.2 生存分析 本研究的中位随访时间为30.17月，其中17(4.63%)例患者死亡，75(20.44%)例患者出现生化复发，MS组中有22(37.29%)例，生化复发的中位时间为11个月；无MS组中生化复发者有53(17.21%)例，生化复发中位时间为12个月。两组患者累积生化复发率的比较结果为有显著统计学差异(P=0.001，图1)。

从国内常规双护盾式TBM使用情况来看，存在以下问题：① 主机全由外壳覆盖，无法在离开挖面最近的位置观察土体情况，也无法在龟裂地层及脆弱地层中实施土体加固；② 由于主机长度较长，由岩片或土体塌陷引起的机体卡死情况较多；③ 挖掘脆弱地层及软土层更换加固系统相关设备时需要较长时间，若在软硬兼有的地层中频繁换装对工期有较大影响。

通过对现有开敞式、单护盾、双护盾3种TBM机械适应性的分析发现，3种机械均无法完全满足青岛地铁的地层条件，因此在双护盾TBM的基础上，提出了紧凑型双护盾TBM，主机结构如图2所示。该TBM在保留常规敞开式TBM支护手段、步进方式等的前提下，也保留了双护盾式TBM的优点。

图2 紧凑型双护盾TBM结构Fig.2 Double shield compact TBM structure

紧凑型双护盾TBM结合青岛地铁工程地质特点进行了优化，护盾、后配套系统更紧凑、结构更灵活。撑靴前置、护盾长度缩短，紧凑型双护盾TBM整机全长仅135 m，主机长12 m，减少了TBM对始发洞长度及组装场地的要求；撑靴前置设计，避免了钢拱架、应急喷射混凝土被破坏；TBM护盾采用倒锥形设计，降低了岩石收敛卡机的风险；另外，还配置了超前钻机系统(见图3)，当TBM遇到不良地质时，可以进行超前地质探测以及超前加固。

图3 洞内超前钻孔注浆Fig.3 Advance drilling and grouting in the cave

4 双护盾TBM掘进关键技术

4.1 双护盾TBM始发技术

TBM到掌子面之前需要通过步进的方式穿过由钻爆法开挖的始发洞。如引洮供水双护盾TBM工程，采用连续铺设底部管片实现快速空推步进，虽然速度可观，但是管片拆除比较困难，而且造成了材料浪费。青岛地铁双护盾TBM采用了弧形反力支架结合弧形导台预埋钢轨反力牛腿的步进方式，采用了首环管片安装反力环的始发方式。

4.1.1弧形导向台反力支撑架步进

首先在TBM始发导洞的底部预制弧形导向台，如图4(a)所示，弧形导向台采用C30素混凝土浇筑而成，弧形导向台内预埋250 mm×250 mm方钢孔；双护盾TBM步进时，提供推力的是辅助推进千斤顶，通过安装在弧形导向台上孔内的反力支撑架提供反力，如图4(b)所示。反力支撑架的4个支腿插入弧形导台的预留孔内，把TBM步进的反力传至弧形导向台。完成一个步进循环后(1 m)，拔出反力架，移动1 m后重新进行安装即可以进行下一个步进循环。

图4 弧形导向台配合反力支撑架的步进方法Fig.4 Stepping method of arc guide platform with counter-force support frame

4.1.2预埋钢轨反力牛腿步进

另一种步进的方式是在弧形导向台上预埋钢轨，TBM沿预埋钢轨滑行，TBM辅助推进千斤顶提供推力，安装在预埋轨道上的反力牛腿提供反力。牛腿与钢轨之间通过螺栓连接，通过螺栓紧固力使牛腿夹紧预埋轨道，牛腿后方再采用两块240 mm×80 mm×30 mm的钢板与钢轨通过铸铁焊条焊接，从而提供足够的反力来防止推脱，如图5(a)所示。利用循环移动牛腿实现TBM主机向前滑移，利用4块底废旧管片减少牛腿前移的频率，如图5(b)所示。

4.1.3首环管片反力环始发

TBM空推至掌子面后进行始发，通常情况下盾构机或单护盾TBM始发时均采用在洞口或车站安装反力架+负环管片方式。根据紧凑型双护盾TBM的特点，在始发洞口安装首环管片反力环来代替庞大的反力架。TBM步进至掌子面前，盾体通过首环管片位置后，进行管片反力环的安装，形成以型钢、钢板为主组合的反力结构，用以支撑拼装管片时油缸的推力，并控制管片端面为同一平面。管片反力环结构由6块拼装而成，采用直径为22 mm的锚杆与围岩锚固。如图6所示。

图5 弧形导向台配合反力牛腿的步进方法Fig.5 Stepping method of arc guide platformwith counter-force corbel

4.2 TBM掘进参数控制技术

4.2.1不同等级围岩条件TBM掘进参数控制

统计了46组不同围岩等级下的TBM掘进参数。图7为不同围岩等级下推力、扭矩的频次直方图。通过该方法得到了不同围岩等级推力、扭矩、推进速度、刀盘转速等关键参数的控制(见表1)，可为其他TBM标段掘进参数的选择提供参考。

4.2.2TBM掘进参数与操作参数的匹配关系

采用贯入度来反映TBM的操作参数。贯入度的定义为：TBM刀盘旋转一圈，刀盘上滚刀贯入掌子面的深度，即TBM掘进速度与刀盘转速的商，单位为mm/r。设定刀盘转速为2.0 r/min，改变TBM推进速度，统计Ⅲ级围岩条件下，推力、扭矩与贯入度的关系如图8所示。

图6 利用首环管片反力环的始发方法Fig.6 Starting method of using the firstsegment counter-fore ring

从图8可得：推力、扭矩与贯入度均正相关，且扭矩与贯入度近似线性相关。该关系可用于指导青岛地铁操作参数与掘进参数的匹配，当TBM在单轴抗压强度较低的软岩中掘进时，贯入度不受限，TBM采用低转速、大贯入度的控制方式，保持TBM具有较高掘进速度；当TBM在单轴抗压强度较高的硬岩中掘进时，贯入度受推力限制，TBM可采用小贯入度、高转速的控制方式，同样确保TBM具有较高掘进速度。

4.3 双护盾TBM到达技术

双护盾TBM贯通后管片尚需继续拼装，但此时TBM前方阻力已经消失，仅剩底部TBM与预埋钢轨的摩擦力，管片拼装时辅推千斤顶对管片的压力不足，管片间隙止水条的挤压效果下降，管片容易下沉或者漏水。为此提出了管片主动锁紧装置，如图9所示。最后15环管片间通过安装锁紧装置进行主动拉紧。管片圆周方向6处相邻环之间采用75 mm×5 mm扁钢及75 mm角钢制作的张拉座，隔环采用两端车丝的Φ25 mm的螺纹钢连接并拧紧，使最后15环管片连成整体，防止管片松懈而影响密封防水效果。

图7 不同围岩等级推力、扭矩频次直方图Fig.7 The histogram of thrust and torque frequency of different surrounding rock grades

表1 不同围岩等级TBM掘进参数控制方法Tab.1 Control method of TBM tunneling parameters for different surrounding rock grades

图8 TBM掘进参数与操作参数的关系Fig.8 Relationship between TBM tunneling parameters and operating parameters

图9 管片主动锁紧装置及效果Fig.9 Active segment locking device and its effect

另外，双护盾TBM到达时，还需要采取以下措施：① 接收洞提前施工，围岩初支后净空大于开挖直径且不小于15 cm；② 管片最后15环要及时安装锁紧装置，管片连接螺栓紧固3遍，碎石吹填满，机器完全出洞后及时封堵并注浆填充；③ 最后5环用双液浆填充底部和两侧，防止管片几环整体下沉或前倾；④ 提前测量接收导台预埋钢轨的实际标高，掘进贯通时控制轴线标高比实际标高要高出15～25 mm。

5 结 论

(1) 敞开式TBM设备体量较大；单护盾TBM全程拼装管片，支护效率低、成本高；常规双护盾TBM地层加固困难，且护盾过长易卡盾，对断层破碎地层的适应性差；而紧凑型双护盾TBM护盾、后配套系统更紧凑，结构更灵活，场地要求较低，有利于青岛地铁隧道的施工。

(2) 紧凑型双护盾TBM始发时，提出了弧形导台反力支架、预埋钢轨反力牛腿步进以及首环管片反力环始发技术。TBM到达时，提出了利用锁紧装置主动拉紧管片技术。TBM掘进时，建立了不同等级围岩条件下推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度等参数的选取范围，建立了推力、扭矩与贯入度的匹配关系。

(3) 紧凑型双护盾TBM在青岛地铁的成功应用，实现了TBM技术在岩石地层城市地铁修建的跨越式发展，可以进一步推广应用到国内外其他岩石地层城市地铁隧道的建设中。