双护盾TBM曲线空推始发关键技术应用

时间：2024-07-28

张飞, 刘忠, 杜成, 陈寿根

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川成都 610031；2.中铁五局集团有限公司城市轨道交通分工程, 湖南长沙 410000)

硬岩隧道掘进机在铁路工程、公路工程和引水工程中已经得到了广泛的运用，近两年双护盾TBM开始活跃在城市地铁建设中，青岛地铁2号线首次运用，随后深圳地铁隧道建设开始引进双护盾TBM。

TBM地铁施工，需要提前采用矿山法施作导洞，在导洞内空推转掘进。针对TBM施工关键技术，唐志强[1]对双护盾TBM的适应性、支护形式、不同支护间的接口设计、过站技术方案、管片壁后注浆、下穿建筑和不良地质段等方面进行研究；徐延召[2]对盾构到达、盾构推进和盾构接收阶段的关键技术和质量控制措施；邓洋[3]采取分阶段制定施工组织措施，通过优化施工工艺、人、料、机和环境等方面落实质量控制措施；宋天田[4]为解决双护盾TBM在城市地铁施工中始发困难、极限小转弯半径、穿越极硬岩及断层破碎带等工程难题。

综上，空推段的关键技术研究较少，本文依托深圳市轨道交通6号线地铁隧道，详细地描述了双护盾TBM空推转掘进，掘进转空推以及在各种掘进模式下(试掘进、双护盾掘进模式、单护盾掘进模式)的施工关键技术及其质量控制。

1 工程概况

深圳地铁6号线二期民乐停车场出入线隧道，区间为避免爆破对既有线的不利影响，牵出线段(长175 m)及洞口段(长89 m)采用矿山法结合TBM空推施工，下穿牛咀大桥段采用明挖法施工(长73.05 m)结合TBM拼装二衬。TBM始发于民乐广场，依次步进通过三线大断面矿山法隧道(89 m)、明挖段结构(73 m)和单洞双线矿山法隧道(160 m)后在矿山法隧道内始发，如图1所示。空推位于半径R=300 m的曲线及其缓和曲线段空推，并在曲线段空推转掘进始发；为满足曲线模拟和施工纠偏的需要，设计了1.5 m宽楔形量为38 mm的通用环，和1.2 m宽楔形量为40 mm的通用环。

图1 深圳6号线二期民乐广场出入线工程示意

2 空推工艺

TBM从矿山法三线洞口组装导台始发步进。由于矿山法开挖隧道内径7 m，撑靴无法支撑到位为推进提供推力，故采用单护盾模式，步进时使用TBM辅助推进油缸提供推力，反力则由安装于弧形导台上的反力架提供，依次空推通过矿山法隧道，直至主机到达始发导洞为止。空推流程如图2所示。空推时，刀盘与二衬最小距离仅10 cm左右，矿山法段断面形似切花频繁以及小半径空推都极大地增加了空推步进施工难度。

3 空推关键技术控制

3.1 空推始发控制

TBM从始发架顶推进至导台钢轨面，存在剐蹭和不同轴的风险；故在空推始发过程中，保证施工导台精确施工以及采用合适的施工技术是必要的。为避免剐蹭和不同轴的风险，导台工作完成后用断面仪对矿山法段净空进行测量和TBM在步进前，对步进导台重点部位再次进行验收检查，若有围岩侵限，立即提前处理，确保TBM快速顺利通过。合理的施工技术，空推时可利用主推油缸抬高前盾，通过剐蹭区域；还可利用前盾底部起升油缸抬起前盾，在前盾临时加垫块，收回起升油缸，然后向前推进通过剐蹭区域。

图2 空推流程

3.2 负环管片安装

负环管片参数及安装，直接影响到空推的轴线偏差和TBM步进偏差问题，故负环管片安装极为重要。TBM长度LTBM=8.3 m，安装井长度LAS=12 m，洞口围护结构第一次凿除后的里程DF，第一环管片起始里程D1S，环宽WS=1.5 m，反力架与负环钢管片长WR=1.1 m，DR为反力架端部里程，N为负环管片环数。故反力架端部里程DR=D1S-N×WS。在安装井内的始发时最少负环管片环数确定N=(D1S-DF+8.3)/WS环。为保证负环管片的施工质量，在盾壳内安设方木或型钢，第一环负环管片拼装成圆后，用4～5组油缸完成管片的后移，保证每组推进油缸的行程差小于10 mm。在负环管片与负环钢管片之间的空隙用早强砂浆或钢板填满，且通常采取通缝拼装的方法安装井内的负环管片在被推出盾尾时，要及时支撑加固，防止管片下沉、失圆或推进时可能产生的偏心力。如图3所示。

图3 负环管片安装

3.3 首环管片安装

首环管片是负环之后拼装，其拼装质量对于整条隧道的拼装具有基准面的作用，因此严格控制第一环管片的拼装高程、方向、坡度等是保证轴线偏差不超限的必要条件。首环管片拼装前，需在盾尾焊接6道直径为50 mm的圆钢，以保证盾尾间隙；第一环拼装9点位，拼装第一环的B2块时，需用水平尺进行定位调整，并用扇形钢板对B2块进行固定，防止其转动；拼装B1、B3、L1、L2块时，需分别用两个L形钢板将其固定在盾尾，防止其掉落。如图4所示。

图4 管片支撑剖面示意

3.4 小半径空推步进控制

小半径空推采用切线始发技术，推进时，应使TBM当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切，纠偏幅度每环不超过6 mm，防止幅度过大导致错台。进入曲线段空推前，尽量减小TBM中心轴线与隧道中心轴线的夹角和偏移量，精确计算每一推进循环的偏离量与偏转角的大小，合理调整推进油缸的推力、分区与组合方法。为防止管片移动错位，要求分组油缸的推力差尽量减小，并尽量缩短同步注浆浆液的凝胶时间，减少管片的损坏与位移。步进时，步进速度应控制在20～30 mm/min，且要对TBM前方检查导台是否有下沉等异常情况，使TBM沿设计轴线前移。步进过程中，若初支断面出现超挖或侵限情况，会使TBM管片拼装施工过程中的衬砌断面尺寸难以保证，甚至导致错台和轴线超限问题，因此，需提前处理。如图4所示。

图5 小半径空推步进施工

3.5 空推推力控制

TBM空推步进时，若没有及时清除刀盘前方障碍物，盾构强行空推将使刀盘受到局部偏载，造成主轴承超过其工作载荷而破坏。故要在保证TBM主轴承安全下正常推进。

3.5.1 空推始发推力计算

设F1为TBM始发时盾体与始发托架的最大摩擦力，F2为TBM后配套的牵引力即后配套系统与轨道之间的摩擦力，设F3为TBM与负环管片的摩擦；TBM与涂抹黄油的托架之间的摩擦系数μ1=0.1～0.12，后配套台车与轨道之间的滚动摩擦系数μ2为0.05，盾体与管片的摩擦系数μ3为0.3；盾体对始发托架的压力G0，盾体重量G1为541 t，拼装机重量G2为28 t、双轨梁重量G3为15 t、负环管片重量G4为7.8 t，盾体对混凝土导台存在压力G6，后配套设备的重量G5为231.5 t，盾尾管片(1.5环管片)的重量G7为40.5 t；则：

F1=u0×G0=57.3～68.44 t

本文选用ATmega128L作为主处理器。ATmega128L是基于AVR RISC结构的8 bit低功耗CMOS微处理器，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，可缓解系统在功耗和处理器之间的矛盾。芯片自带128kB的可编程Flash，在本应用中无需外扩存储器。ATmega128L有丰富的接口资源(如SPI，USART，TWI，ADC等)，为本应用提供了重要支持[5-6]。

F2=u2×G5=11.58 t

F3=u3×G4=2.34 t

设F0为空推始发时的推力，F为空推步进时的推力，则：

F0=F1+F2+F3=71～82.4 t

F=F1+F2+F3=83.41～95.33 t

从上述计算得出TBM空推始发时最大推力为82.4 t，步进时最大推力为95.33 t。

3.5.2 负环管片受力计算

TBM辅推油缸型号：200/180×2600，每根独立油缸正常负荷下的推力为F，共有4根辅助油缸顶推于底块管片，TBM油缸能提供的最大始发总推力为Fz，则

F=P×A=31.5×100×3.14×0.182/4=80.1 t

Fz=4×80.1=320.4 t

TBM空推始发阶段不需要转动刀盘，推力较小，管片经过应力验算，只安装下部一块负环管片就完全能满足TBM始发要求。

3.6 空推始发量测控制

在小半径曲线段空推步进，由于初期支护和导台侵限、残留土渣以及操作等因素的影响，TBM推进不可能完全按照设计的隧洞轴线前进，而会产生一定的偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧洞衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化，甚至造成管片开裂，因此TBM施工中必须采取有效的量测技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。TBM曲线段始发的控制测量，最大特点是步进过程中所有的控制导线点和控制水准点均处运动状态，所以TBM控制测量显得尤为重要。TBM组装前的控制测量包括TBM模拟定位测量，TBM空推段的导台的测量、TBM模拟姿态初始测量等。量测时，对矿山法成形隧道5 m一个断面，采用全站仪进行断面测量,根据测量结果进行TBM与二衬结构相对位置关系模拟，得出实际模拟值。

(1)导台测量包括空推段导台及隧道的测量，确保导台的延伸曲线平缓及隧道内TBM通过的畅通，确保TBM放置在导台内嵌的滑轨上时的中轴线与隧道设计的中轴线偏差不超过2 cm。

(2)导轨定位测量主要控制导轨的中线与设计隧道中线偏差不能超限，导轨的前后高与设计高程不能超限，导轨下面是否坚实平整，TBM放置在始发架上时始发架的轨道比隧道内导台的轨道高2～3 cm等。

(3)TBM姿态初始测量包括测量水平偏差、垂直偏差、俯仰角、滚动角、里程、趋向。用来判断TBM在以后掘进过程中是否在隧道设计中线上前进以及是否在容许范围内发生扭转。

(4)步进控制导线由洞外联系测量所确定的导线点DZ1、DZ2直接延伸而来量，采用双支导线即主、副导线的方法。以主导线进副导线出的形式将主、副导线连接起来，再与起算边DZ1～DZ2联测，构成单边控制的闭合导线。量测时，由悬挂固定在隧道顶部的吊篮构成，以满足自动测量系统中的测量机器人与TBM的目标靶通视。