城市地铁双护盾TBM设计及应用

城市地铁双护盾TBM设计及应用

张进益

中国水利水电第十四工程局有限公司云南昆明650041

摘要：双护盾TBM应用于长大隧道尤其是水利隧道的施工技术已经相当成熟，国内从早期的引大入秦工程、万家寨引黄入晋工程开始，到后来的八十一大阪隧洞项目、引大济湟达阪隧洞项目等，直至近期的山西中部引黄工程、兰州水源地建设工程等均采用了双护盾TBM施工并取得了不错业绩。本文浅析城市地铁双护盾TBM设计及应用。

关键词：地铁隧道；双护盾TBM；设计

引言

经过探索研究，解决了施工中存在的导向系统不稳定、辅推油缸布置不合理、洞内围岩加固困难等多个问题。施工实践证明双护盾TMB在地铁的应用是成功的。

1城市地铁双护盾TBM的特点及要求

双护盾TBM具有2种掘进模式：双护盾模式和单护盾模式。当采取双护盾模式开挖时，TBM推力通过支撑盾内布置的撑靴传递至洞壁，无需通过辅推油缸传递至管片，在极硬岩环境下需要大推力时优势明显；TBM掘进与管片拼装可以同时进行，平行作业，成洞效率高。而在软弱、破碎地层掘进时，由于围岩提供的支撑力有限，采用单护盾模式开挖，利用管片环提供掘进推力。因此，针对硬岩地层占比较高的地铁隧道区间，双护盾TBM以其硬岩地层的高效性和软岩地层的可靠性，得到越来越多的应用。另外，由于地铁隧道自身的特殊性，要求对双护盾TBM进行科学的选型以适应城市地铁工程的要求。（1）城市地铁站间距普遍在500-3000m，连续开挖距离较短，TBM常常会遇到过站、转场等工序；同时，受场地空间所限，TBM始发多采用竖井分体始发。因此，TBM主机、单件和整机长度应尽量缩短，各部件的结构尺寸需方便洞内拆卸、运输、吊运和组装，以满足竖井内部组装，缩短整机组装时间。（2）城市地铁线路受建筑物、既有城市布局等客观条件限制，需要设计合适的曲率，与引水隧道普遍的直线线路或者大曲率半径不同，其曲线转弯半径一般较小，多在250-400m，要求对双护盾TBM主机长度与直径的比值(简称长径比)、盾体与岩壁间隙、管片吊机轨道等参数进行特殊设计，满足整机小曲线转弯的性能要求。（3）根据GB50157—2013《地铁设计规范》、GB50446—2008《盾构法隧道施工及验收规范》以及GB50490—2009《城市轨道交通技术规范》要求，地铁主体结构工程设计使用年限应为100年，对管片拼装质量有严格要求，需要严格控制衬砌环错台和管片破损程度，且一般要求TBM能够满足全部拼装点位，同时对管片壁后注浆工艺及管片的稳固性需要特别考虑。双护盾TBM不同于压力平衡盾构，其为敞开模式掘进，管片壁后回填采用豆砾石砂浆而不是采用同步注浆的形式，注浆工艺和注浆质量将直接影响管片的衬砌质量。（4）在断层破碎带地层中掘进时，由于围岩不稳定，且不具备压力平衡功能，TBM可能会遇到掌子面失稳、涌水涌泥、卡机等风险，双护盾TBM虽可以切换至单护盾模式掘进，但由于护盾较长，TBM存在卡机的风险，因此要求TBM具备防卡机和脱困功能。

2工程概况

2号线是某市建设的第2条地铁线路，也是连接某市东部、西部及北部的一条骨干线路。该工程地铁线路埋深浅，约80%线路埋深小于20m；小半径曲线多，最小曲线半径为320m；站间距短，区间长度为1km左右。岩性以花岗岩为主，约占90%以上；围岩以较完整、较破碎为主，约占65%；断面下伏基岩为微风化花岗岩，单轴抗压强度均值为85MPa；上覆围岩为中—强风化花岗岩，单轴抗压强度为25～60MPa。地下水以裂隙水为主，不发育，干燥或偶有渗水比例约占97%。断层破碎带规模小，分布随机。沿线地表既有建筑物分布密集，施工安全性要求高。

3双护盾TBM的适应性设计

3.1模块化设计

针对某市地铁隧道施工设计的双护盾TBM采用了模块化设计理念。针对刀盘、盾体等大型结构件采用了分块设计理念，刀盘采用4边块加1中心块设计，盾体分3块设计，同时外伸缩盾与前盾之间、尾盾与支撑盾之间通过环形法兰由螺栓连接、再通过环形焊缝加固，各分块现场组装后焊接纵向焊缝为一体。通过模块化设计，既可以满足在场地及起吊能力受限的情况下进行大件组装，又可以在场地及起吊能力具备条件的情况下模块化下井组装。TBM模块化下井组装及分块下井组装。一般情况下，组装竖井只需预留15m×8m的竖向净空即可满足后配套台车的模块化下井以及主机在井口净空内的模块化组装。采用模块化理念设计的双护盾TBM还为洞内拆机提供了便利性和可实施性。地铁隧道一般埋深较浅，某市地铁2号线隧道拱顶覆土厚3．5～48m，平均厚约13m。在埋深较浅的隧道内实现洞内拆机，拆机扩大洞室开挖以及大件起吊拆卸是一大难题。采用模块化设计的双护盾TBM可实现台车沿原道返回始发井吊出，主机洞内拆解后分块起吊并沿原道返回始发井吊出，充分满足特殊拆机工况的需求。

3.2主机适应性设计

本工程双护盾TBM的刀盘采用面板式结构设计，本工程TBM刀盘正面采用300mm厚锻轧钢板整体加工成型，可有效避免大量焊接造成的结构变形、应力集中等风险，提高刀盘的整体可靠性，且直接在钢板上镂空并焊接刀座，避免采用过多焊接引起的热变形。护盾直径整体呈前大后小的阶梯型圆柱设计，加之适当的功率、转矩、推力及扩挖等设计，以应对断层破碎带、塌方掉块等不良地质工况，充分发挥设备的性能。主推油缸采用V型布置，既可以为设备掘进提供推力，又可以实现防滚动功能，防止盾体滚动并能在滚动发生后通过调节奇数缸和偶数缸的伸缩长度实现调滚动。采用V型布置的主推缸还能够节约主机内部空间，为主机内部维护保养及清碴工作提供便利。拼装机预留锚杆钻机及超前钻机安装接口，连接桥预留喷混机械手安装接口，采用“撑靴+锚喷”的支护模式时可安装相应锚喷设备实现锚喷支护。

3.3梭式皮带机设计

一般地铁隧道施工，出渣多采用有轨运输＋龙门吊垂直提升的方式，后配套皮带机的出料口是固定的，装渣及卸料（管片、豆砾石、水泥浆等）不能同时进行，需通过列车编组的移动来实现。工序繁琐、人员投入多，机车频繁移动，存在较大的安全风险。DSUC型双护盾TBM后配套出渣配置了梭式皮带机，又称移动式布料皮带机。列车编组在运输的物料到位后，不用移动矿车，而通过梭式皮带机的来回移动和正反向旋转实现卸渣，简化了工序步骤，提高了工作效率，降低了安全风险。

3.4管片吊运系统设计

某市地铁隧道施工过站方式为整机空推过站。TBM空推时采用TBM底部2根辅助推进缸，通过设备自带的液压泵站提供动力，并利用安装在弧形导台预埋P43钢轨上的专用反力装置和4块标准块B1循环来实现快速过站。为满足整机空推过站的需求，管片吊运系统在设计上采用了管片吊机+管片拼装机的吊运方案，取消喂片机等中间环节，管片吊机可直接将管片喂送到拼装机抓取区域，既节约了管片吊运时间又节约了空间，为牛腿及B1管片的安装提供了便利，同时有利于空推步进过站的快速实施。

结语

双护盾TBM在某市地铁隧道施工的成功应用，不仅验证了双护盾TBM选型的正确性以及应用于城市地铁隧道施工的适应性，而且丰富了城市地铁隧道施工的方式，为其他类似地质及工况的隧道施工提供了经验和借鉴依据。

参考文献

［1］赵文松．重庆地铁单护盾TBM掘进性能研究［D］．石家庄:石家庄铁道大学，2015．

[2]唐志强．某市地铁隧道施工采用TBM工法分析［J］．铁道标准设计，2015(5):90．