全斷面隧道掘進機在城軌項目中適用性及施工進度影響因素探討

【摘? ? 要】：為了研究全斷面隧道掘進機在城軌項目的適用性，通過查閱相關資料、調研相關案例，分析了全斷面隧道掘進機應用于城市軌道交通中的優勢和劣勢，并分析始發、掘進、過站3方面因素對施工進度的影響。

【關鍵詞】：全斷面隧道掘進機；城軌項目；適用性；施工進度

【中圖分類號】：U455.3【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-19-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.006

收稿日期：2023-03-06

作者簡介：楊守峰（1989 - ）， 男， 碩士， 工程師， 從事隧道與地下工程設計工作。

Applicability and Construction Schedule Impact Discussion of Tunnel Boring Machine for Urban Rail Projects

YANG Shoufeng

（China Railway Design Corpration，Tianjin 300308，China）

【Abstract】：In order to study the applicability and progress of tunnel boring machine in urban rail projects， the advantages and disadvantages of using tunnel boring machine in urban rail transit were analyzed by consulting relevant materials and researching relevant cases. The impact of three factors： departure， excavation， and station crossing on construction progress was also analyzed.

【Key words】：tunnel boring machine;urban rail projects; applicability; construction progress

相比于傳統的鉆爆法，全斷面隧道掘進機（TBM）施工具有安全、高效的優勢。隨著技術不斷發展，TBM工法逐步成熟，但是其在城軌項目中的適用性及施工進度影響因素的分析不多。本文調研國內TBM在城軌建設中的案例，根據實際情況分析TBM工法在城軌項目中的適用性及施工進度影響因素，為國內相關工程提供參考。

1 TBM應用于城軌項目中的優劣勢分析

城軌交通項目不同于水利水電、煤礦、山嶺隧道等工程，其隧道洞址往往位于城市繁華區域，埋深淺、地質差，隧道周邊環境復雜，地表、市政管線、建筑物等對沉降非常敏感；線路站間距較短，一般不超過2 km；因此，TBM在城軌項目中的優勢主要體現如下。

1）施工噪音小，更加環保。城軌項目多在居民區、商業區施工，傳統鉆爆法施工噪音大，對居民影響極大，如青島等硬巖環境，爆破震動影響尤為顯著，施工信訪壓力極大；青島地鐵8號線五四廣場站采用拱蓋法施工，與周邊居民樓水平距離20 m，爆破振速控制極低，信訪壓力依然巨大。TBM工法避免爆破作業，掘進過程中的震動對周邊環境影響幾乎可忽略不計。

2）安全且質量有保證。目前城軌項目多采用非敞開式TBM，工程人員在護盾的保護下作業，現場安全有保證。城軌項目一般埋深淺、地質差，采用傳統暗挖法，地表沉降往往難以控制；而TBM工法產生的地表沉降小，一般在6 mm以內[1]；TBM隧道襯砌采用預制管片拼裝，二襯施作及時，避免了鉆爆法初支結構長時間暴露，施工更安全；預制拼裝避免混凝土現場澆筑時由于振搗不均勻、鋼筋保護層厚度控制差、施工縫處防水作業不規范等問題，工程質量有保證。

3）施工效率高。相比于傳統鉆爆法，TBM施工效率可提高4～7倍。城軌項目中，為控制地表沉降及加強風險應對措施，鉆爆法施工每循環進尺1～2榀格柵，限于爆破時間、出渣效率等影響，一般每天1循環或2天3循環，進度約0.5～3 m/d；TBM施工效率為10 m/d，重慶軌道交通6號線采用TBM施工曾創造47 m/d、862 m/月的掘進記錄[2]。

同時，采用TBM硬巖掘進機的局限性主要體現在以下方面。

1）對復雜地層適應差。TBM對于單一、均質地層能較好適應，對于破碎帶、上軟下硬等復雜地層的適應性較差。針對這一情況，可采取的措施有：采用多種勘探手段，局部區域可加密地質探孔，充分掌握地質資料，對于破碎帶，可采取地面預加固、TBM洞內預加固措施，改良地層；對于上軟下硬地層，在選線階段調整線路，讓隧道有合理覆巖厚度，局部無法實現的，采用有針對性的刀具并控制油缸壓力、掘進參數等措施控制掘進姿態。

2）隧道過短，無法體現出造價優勢。根據經驗，長度＞3 km的隧道采用TBM施工才具有造價優勢，較短隧道設備費攤銷過大。針對此情況，可采用TBM過站方式應對，如青島地鐵8號線閆南、南嘉、嘉鞍區間，采用雙護盾TBM，3個區間左右線總長度約9 km。此外，隨著快線工程發展，站間距逐步加長，如青島地鐵8號線平均站間距為3.6 km，最大站間距約8.6 km，TBM工法在城軌工程中的應用越來越廣。

2 TBM在城軌項目中的應用

國內TBM研發制造始于20世紀60年代中期，但前期主要用于水利水電、煤礦井巷、山嶺隧道工程，如采用敞開式TBM的工程有遼寧大伙房引水工程、西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道、西安南京鐵路桃花鋪1號隧道、磨溝嶺隧道、南疆鐵路吐庫二線的天山隧道、蘭渝鐵路中西秦嶺隧道；采用雙護盾TBM的有甘肅水磨溝輸水隧道、引黃入晉輸水隧道、青海引大濟湟總干渠工程、新疆大阪輸水工程等。

在城市軌道交通方面，國內首次采用敞開式TBM工法為重慶市地鐵6號線一期工程，也是敞開式TBM唯一一次在城軌項目中應用。隧道開挖直徑6.36 m，掘進長度（左右線）約13.5 km；圍巖主要以IV、V級砂巖、砂紙泥巖、泥巖為主，巖石飽和抗壓強度12.6～37 MPa，地下水主要為裂隙水，不甚發育，圍巖自穩能力好；石英含量約22.8%～80.8%；為避免拱頂掉塊，TBM加裝了Mcnally系統，即在鋼拱架和圍巖的間隙密排鋼筋；區間采用先初支、后永久襯砌的結構方案，掘進進度較快，曾創造47 m/d、862 m/月的記錄，但后期拆軌清底、施作襯砌與車站主體同時施工，交叉作業相互嚴重，區間因施工通道受阻而減慢進度，綜合進尺降為420 m/月，效率幾乎降低一半 [2] 。重慶后續建設的線路中采用復合式TBM。

國內首次采用雙護盾TBM工法為青島地鐵2號線一期工程[3]。該線路有8個區間采用TBM施工，線路雙延米總長約8.5 km，穿越地層主要以中、微風化花崗巖為主，巖石平均強度60～80 MPa、最高為120 MPa，其中TBM二工區線路雙延米總長約5.2 km，綜合進尺平均260 m/月、最高384 m/月 [4] 。青島后續1號線、4號線、8號線及其他地區也采用該方法；如深圳地鐵10號線孖雅區間，區間雙延米長度約2.96 km，穿越地層主要以微風化花崗巖為主，巖石強度約100 MPa、最高達120 MPa，地下水位較淺，埋深0.6～9.9 m，綜合進尺最高24 m/d、468 m/月 [5] 。

重慶軌道交通6號線二期工程為國內首次采用復合式TBM施工，該工法還可稱為雙模式TBM（青島）、雙模式盾構（南京等）。重慶的環線、5號線、10號線等工程均采用了復合式TBM；青島地鐵8號線工程鞍山路站—山東路南站—五四廣場站兩個區間采用雙模式TBM。一般而言，TBM切換模式需要15 d時間。

三模式TBM/盾構目前尚未有成功案例，但是由廣州地鐵集團、中鐵裝備集團、中鐵華隧共同研發“中鐵820號”三模TBM/盾構機已經組裝完成，即將投入到廣州地鐵7號線二期工程蘿崗—水西區間。該區間長為1 086 m，埋深約19～73 m，地質變化較大，全斷面硬巖地層、軟土層、上軟下硬地層在施工區域內密集分布且孤石探明率高達66.7%，對機械要求非常高。三模TBM/盾構機集合泥水、土壓、TBM三種模式于一體，與以往機械需要開倉改造、切換模式不同，技術人員只需在主控室內就能完成快速切換，提高了盾構機在復雜地質工況的適應性，也節省工期。

3 TBM施工進度分析

TBM施工工序主要有始發（吊裝、進洞）、掘進、接收（出洞、吊出與拆解）、過站。

3.1 始發進度

根據目前調研，TBM始發工序基本相同，所用工期較為固定，一般為1個月左右，如青島地鐵8號線閆南區間吊裝始發時間為25～28 d。見表1。

3.2 掘進進度

一般來講，敞開式TBM由于不用拼裝管片，掘進速度較快，如重慶6號線掘進速度達到了862 m/月；而護盾式TBM因拼裝管片，掘進速度一般為300～350 m/月。影響TBM掘進速度的還有以下因素。

1）巖石強度。一般來講，巖石強度越高，刀盤貫入度越低，掘進速度相應降低；尤其石英含量較多、粒徑較大時，刀具磨耗增加，換刀次數增多，平均掘進指標下降。

2）軟巖或破碎帶等惡劣條件。在破碎帶、風化帶等圍巖難以自穩條件下進行機械開挖，應采取輔助施工方法配合施工；特別是在有涌水的條件下，拱頂崩塌、機體下沉、支承反力降低、卡機等問題時有發生，因此掘進速度較低。

3）巖層裂隙。巖層節理、層理、片理對開挖效率影響極大，裂隙適度發育的巖層，即使抗壓強度大也能進行較為有效的開挖。

4）TBM出渣效率。青島地鐵2號線、1號線部分區間掘進指標約220～250 m/月，主要是因為出渣效率不高、出渣車配置過少、龍門吊效率不高等原因。

3.3 過站進度

因城軌項目站間距一般較小，為滿足TBM經濟掘進長度、避免頻繁拆機與吊出，通常采取過站施工，可分為掘進過站、空推過站。掘進過站有重慶軌道交通6號線一期工程的紅土地站；空推過站有重慶軌道交通6號線一期工程的黃泥滂站、大龍山站、冉家壩站，青島地鐵2號線的泰山路站、利津路站、臺東站等。一般而言，TBM吊出、轉場時間為1～2月，而空推過站的時間一般為10～15 d [6] ，如青島地鐵2號線利津路站，采用TBM整機曲線過站，時間為10 d。青島地鐵8號線閆南區間采用新型平移設備，在TBM基座上增加液動移位裝置，移動過程中僅需3～4名工人，移動速度約1.11 m/min [7] ，能更加節省工期。

4 結語

本文通過調研，分析了TBM應用于城市軌道交通中的優劣勢與適用性，探究了TBM施工過程中進度影響因素，為后續城軌項目TBM選型與造價分析提供參考。

參考文獻：

[1]羅勇，吳圣智，王明年，等.城市軌道交通隧道雙護盾TBM施工適應性研究[J].地下空間與工程學報，2019，15（2）：525-532.

[2]張紅耀，劉東亮.敞開式TBM在重慶軌道交通6號線的應用分析[J].隧道建設，2013，33（2）：160-164.

[3]郭志，王小強，王以棟，等.青島地鐵隧道雙護盾TBM適應性設計及應用[J].隧道建設（中英文），2018，38（1）：135-141.

[4]胡衛星.青島地鐵2號線TBM設計特點和工程驗證[J].國防交通工程與技術，2018，16（1）：36-38+27.

[5]王杜娟，寧向可.城市地鐵雙護盾TBM設計及應用[J].隧道建設（中英文），2018，38（6）：1052-1059.

[6]唐志強.青島地鐵采用TBM施工的可行性研究[C].中國土木工程學會隧道及地下工程分會.2014中國隧道與地下工程大會（CTUC）暨中國土木工程學會隧道及地下工程分會第十八屆年會論文集.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2014.

[7]朱朋金，趙康林，肖利星.TBM側向平移、空推新設備的研發及應用[J].隧道建設（中英文），2020，40（3）：417-425.