双模式TBM在青岛地铁实践中的适应性研究

双模式 TBM在青岛地铁实践中的适应性研究

栾朝翔

（中铁十局集团第一工程有限公司，山东 济南 250001）

摘 要：为了确保复合地层条件下城市地铁隧道能够安全、快速的施工，以青岛地铁8号线为研究对象，针对青岛地铁8号线鞍山区间的地质特征，进行TBM设备的选型。本文以青岛地铁8号线鞍山区间为依托，从设备掘进模式、刀盘形式、及后配套设备配置等方面，对设备进行了适应性的研究。

关键词：双模式TBM、青岛地铁、复合地层、适应性研究

引言

城市轨道交通一般位于市区繁华地段，为了将施工对周边环境的影响减小到最低程度．在地质条件较好的岩层地段，应避免采用传统的钻爆法施工。在隧道施工中，全断面隧道掘进机(TBM)相对传统钻爆法具有高效、快速、优质和安全等优点，现己被广泛应用于能源、交通、水利等行业中。近年来，先进的全断面掘进机(TBM) 在地下工程中愈来愈显示其功能的优越性，而双模式TBM在城市轨道交通工程中的运用并不多见，本文依托青岛地铁8号线山东路南站～鞍山路站区间为研究背景，对双模式TBM在青岛地铁的适应性进行研究。

1工程概况

青岛地铁8号线隧道穿越区主要为城市繁华地带，线路周边存在大量建（构）筑物。线路穿越区地层以中、微风化花岗岩为主，岩石单轴抗压强度在11~106MPa之间，存在多条断裂带。该区间左线隧道长1313m，右线隧道长1318m，最小曲线半径为800m，隧道断面采用人字坡，最大坡度为26‰，隧道顶部埋深在26～37m。

图1 山东路南站～鞍山路站区间地质纵剖面图

2 TBM选型

由于青岛的地层以强度较高的岩层为主，因此不考虑使用盾构进行施工，针对青岛地铁8号线鞍山区间的情况，对TBM进行选型分析。TBM一般可分为敞开式、护盾式、双模式三大类，隧道选取何种形式的TBM影响因素有很多，其中地质因素和线路因素对青岛地铁8号线鞍山区间的TBM选型起决定性作用。

2.1 地质适应性研究

青岛地铁8号线山东路南站～鞍山路站区间隧道围岩主要为III～V级。从山东路南站始发地质主要为微风化花岗岩层，力学性质好，承载力高，后半段区间位于中风化花岗岩岩层，部分拱顶进入强风化岩层，穿越构造破碎带，地形条件较为复杂，单轴抗压强度：11-106MPa。地下水主要为孔隙潜水，穿越fas1-fas13共13条构造破碎带。

由于区间局部存在强风化岩层及软弱破碎带，将出现洞顶冒顶和坍塌等不良现象，敞开式TBM施工时，成洞困难；同时因破碎带处地下水丰富，为防止涌水量过大淹没隧道，中心回转处开口的护盾式TBM也不满足安全要求；结合上述因素，初步判断双模式TBM能够适应此地层，并且施工速度较快，能够保证施工安全。

2.2 机型可行性研究

1）敞开式TBM

敞开式TBM开挖后只能采用布设钢拱架和钢筋网片后喷射混凝土的方式对围岩进行初步支护，为避免交叉施工，降低施工进度，后续施作二次衬砌需要隧道贯通后才能进行，这使得隧道已开挖的区间长时间只能处于初期支护状态。青岛市所处地层区域地质条件较好，但是当TBM通过围岩破碎带时，需要使用超前钻机进行超前加固，或者在地面注浆进行辅助处理，会较大的影响掘进速度，遇洞周软弱破碎带承载力不足时，易造成TBM头部下沉，无法掘进。

2）护盾式TBM

护盾式TBM为开胸模式，在通过围岩不稳定或地下水量较大的地层时施工风险很大；适应小曲线半径的能力较差；使用管片做为衬砌，需要设立管片存放场地，占地面积大、管片费用较高；单护盾TBM通过推进油缸顶推拼装好的管片来向前移动，隧道掘进和管片拼装不能同步进行，对掘进速度造成一定的影响；双护盾TBM由于机体长，且存在伸缩盾，如遇岩层较破碎段、岩层坍塌和可能的变形段容易导致TBM被卡，掉落的石块可能损坏推进油缸，严重时甚至无法掘进，施工灵活性较差。

3）双模式TBM

双模式TBM需要设立管片存放场地，占地面积大、管片费用较高；在硬岩段掘进时需要较大的推力，刀盘扭矩也较大，长期在硬岩段掘进导致设备故障次数更多，设备检修保养时间增加。但双模式TBM可以实现开胸的TBM模式和闭胸的土压模式间的转换，施工灵活性、安全性较好。

2.3 方案比选

通过对地质因素、线路适应性、施工安全性、风险预判、支护类型等各方面进行综合分析，对各种类型TBM的优缺点进行对比，最终选择2台EPB&TBM双模式TBM进行施工。

表1 各类型TBM优缺点对比

3 双模式TBM适应性分析

3.1 刀盘适应性分析

双模式TBM刀盘钢结构主要由六个主刀梁辅以小面板、外圈梁和刀盘法兰等组成，解决了双模式刀盘在不同掘进模式下不同功能需求之间的矛盾。如图2所示，双模TBM刀盘在拥有接近于常规TBM的破岩能力的同时，相比常规TBM开口率增加，提高了在软岩和破碎带地层刀盘的进渣能力，同时增加了250mm宽重型刮刀，在掌子面凹凸不平的软岩地层掘进时，刮刀对掌子面凸出部分有一定的切削能力，利于刀盘破岩的同时可以对滚刀起到一定的保护作用，减少滚刀在不平整的岩面瞬时冲击力大造成刀具偏磨、崩刃现象。

图2 双模式TBM与常规TBM刀盘

3.2 主机适应性分析

主机分敞开模式与土压模式两种掘进模式，如图3所示。敞开模式适用于在围岩较为稳定的地层中掘进，通过焊接在刀盘上的刮渣板从土仓刮取渣土，随刀盘旋转落在主机皮带机上，提高了出渣速度，保证施工进度。土压模式适应于围岩较破碎地层，通过螺旋输送机出渣、中心回转接头通道进行渣土改良，实现保压掘进，同时在穿越破碎带地层水量较大时起到堵水作用，保证了施工安全。此种模式下TBM具有常规土压平衡盾构所有功能及特点。

图3 敞开模式与土压模式下的双模TBM

3.3 出渣方式适应性分析

根据国内重庆、深圳、青岛等城市轨道交通工程采用两种出渣模式在不同地层下掘进出渣的经验，对主机皮带机出渣和螺旋输送机出渣进行出渣方式适应性分析。

在使用主机皮带机出渣的TBM穿越破碎带地层或软岩地层时，刀具从岩层切削下来的石块粒径大小不一，尺寸较大的石块从刮渣板下落至主机皮带上时极易砸坏皮带，同时大尺寸石块下落对皮带托辊冲击力过大，加剧了滚筒磨损，严重时造成托辊脱落，卡死主机皮带。由于主机皮带结构复杂紧凑且主机皮带所处位置空间结构狭小，造成主机皮带机检修困难且维修用时较长。此种地质条件下采用螺旋输送机出渣则可以有效避免这些问题的出现，同时还能在地层来水较大时防止泥水从中心回转处涌入盾体，减少了清泥排水作业，提高了施工进度，同时在水量过大时保证了安全。

在使用传统盾构在硬岩段掘进时，由于渣土只能从位于土仓底部中间位置的螺机轴处排出，硬岩段掘进掌子面产生的石粉较多，在水的作用下和散落在土仓两侧的小石块结合后堆积在土仓两侧形成固结体，随着掘进时间的增长，固结体越堆越高，挤占土仓空间，最终致使螺机出现出渣困难、喷涌等现象，严重时甚至在螺机头部的上面形成拱形固结体，导致完全无法出渣。螺机不出渣后只能开仓通过人工清理螺机头部上面的固结体，开仓后抽水清渣等工作不仅制约了施工进度还耗费了大量的人力物力。此种地质条件下采用采用敞开模式掘进，利用焊接在刀盘上的刮渣板能够有效刮取土仓底部的小块碎石和泥粉，避免渣土的堆积。

3.4 后配套设备适应性分析

双模式TBM配备有常规土压平衡盾构所需的泡沫、同步注浆、豆砾石注入等系统，满足双模式TBM在土压平衡及单护盾TBM模式下的掘进需求。

1）泡沫系统 TBM配置了6路单管单泵单喷口泡沫注入系统，采取预混合方式，增强发泡效果，降低泡沫消耗量。

图4 泡沫注入系统

2）同步注浆系统 同步注浆系统采用柱塞泵（3×10m³/h），可实现流量及压力检测，根据掘进参数随时调整注入量，注浆能力以高掘进速度（80mm/min)设计，满足鞍山区间施工的最大需求，注浆管路上配备有专用水气冲洗装置，利于注浆管路的清洗，防止堵塞。

图5 同步注浆系统

4 结论

经过青岛地铁8号线双模式TBM隧道掘进实践，通过对双模式TBM与常规TBM综合性能的比选与双模式TBM自身适应性的研究，得出以下结论。

4.1双模式TBM具有敞开模式和土压平衡两种模式，在保持与常规TBM相近掘进速度的同时，拥有较好的地质、线路适应性与施工安全性，同时获得较好的总体经济性，满足青岛地铁8号线鞍山区间的施工要求。

4.2双模式TBM刀盘既具有常规TBM刀盘在全断面硬岩地层的破岩能力，同时还能在软岩、破碎带地层利用刮刀保护滚刀，减少刀具异常损坏，同时利用刀盘较大的开口率提高土仓进渣量，进而加快整体施工进度。

4.3双模式TBM通过对主机内设备进行可切换设计，使其具有常规TBM和土压平衡盾构两者的优点，可以实现敞开模式下的快速掘进和土压平衡模式下的安全掘进，同时针对性的使用油脂、泡沫、膨润土等耗材，降低施工成本。

4.4双模式TBM可以针对不同的地层针对性的采用不同的出渣方式，避免了软岩、破碎带地层使用主机皮带出渣故障率高和硬岩段使用螺机造成土仓堆渣的问题，达到了在不同地层下快速有效排出仓内渣土的目的。

4.5双模式TBM后配套配置了供敞开模式和土压平衡模式两种模式下所需的泡沫、膨润土、注浆和通风除尘系统，可以根据需要选择使用，丰富了掘进中可采用的施工措施。

双模式TBM在青岛地铁特别是具有复合地层的地段适应性良好，掘进施工安全、灵活、快捷，在城市地铁同类地质条件下可以继续推广使用双模式TBM，今后城市轨道交通施工中，可对双模式TBM设备结构进一步优化，以实现在更加复杂条件下城市地铁的快速施工。

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