双护盾TBM施工工艺

双护盾TBM施工工艺

吴波

广州轨道交通建设监理有限公司 广东 广州 510010

摘要：TBM掘进技术引入我国已有一段时间，目前主要应用于引水隧道、铁路隧道等工程中。而城市地铁修建过程中，重庆地铁采用复合式TBM施工。青岛地铁采用双护盾TBM工法，采用Ⅱ、Ⅲ级围岩采用喷锚+模筑衬砌支护形式，Ⅳ、V级围岩采用管片衬砌的支护形式。深圳轨道交通8号线一期主体工程8132标梧桐山南站～沙头角站区间及深圳城市轨道交通8号线二期8141标盐田食街站～大梅沙区间两台双护盾TBM为国内较为先进的TBM，全区间衬砌采用预制管片拼装方式，掘进速度快，为TBM在地铁施工领域提供了宝贵的施工经验。

关键词：双护盾TBM；优缺点；施工工艺

前言

    TBM即Tunnel Boring Machine，中文名称为隧道掘进机。根据支护形式分为开敞式、双护盾式、单护盾式3种类型。开敞式TBM常用于硬岩施工；单护盾TBM常用于软岩及地下水位较高的不稳定地层施工；双护盾TBM 又称伸缩护盾式TBM，具有两种掘进模式，既可用于硬岩又可用于软岩，常用于混合地层施工，适应性非常广泛，其能安全地穿过断层破碎地带。双护盾TBM硬岩掘进机又称伸缩护盾式TBM，是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。

1、双护盾TBM工作原理

TBM 的破岩刀具均采用盘形滚刀（简称滚刀）。安装在刀盘上的滚刀在推进油缸推力作用下将刀刃压入岩面，随着刀盘的旋转，滚刀绕刀盘中心轴公转，并绕自身轴线自转。双护盾TBM 采用单刃滚刀破岩，在刀盘强大的推力、扭矩作用下，滚刀在掌子面中心切缝上滚动，当推力超过岩石的强度时，滚刀下的岩石直接破碎，滚刀贯入岩石，掌子面被滚刀挤压碎裂而形成隧道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落，形成石碴。

（1）双护盾掘进模式

在围岩稳定性较好的地层中掘进时，位于后护盾的撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘掘进提供反力，在主推进油缸的作用下使TBM 向前推进。此时TBM作业循环为：掘进与安装管片—撑靴收回换步—再支撑—再掘进与安装管片。双护盾掘进模式适用于稳定性较好的硬岩地层施工，在此模式下，掘进与安装管片同时进行，施工速度快。

（2）单护盾掘进模式

单护盾掘进模式适应于不稳定及不良地质地段。在软弱围岩地层中掘进时,洞壁不能提供足够的支撑反力。这时,不再使用支撑靴与主推进系统,伸缩护盾处于收缩位置,双护盾TBM就相当于一台简单的盾构。刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上提供, TBM掘进与管片安装不能同步。作业循环为:掘进→辅助油缸回收→安装管片→再掘进。

2、双护盾TBM优缺点

2.1使用双护盾TBM的优点

（1）安全、高效、快速

双护盾TBM置有前后护盾，在前后护盾之间设计有伸缩盾，后护盾配置支撑靴。在地质条件良好时，通过支撑靴支撑洞壁来提供推进反力，掘进和安装管片同时进行，具有较快的进度。如在引黄入晋工程使用双护盾TBM施工时，最高月进尺达1637m。双护盾TBM施工使隧道掘进、衬砌、出碴、运输作业完全在护盾的保护下连续一次完成，实现了安全、高效、快速施工。

（2）对不良地质地段具有较强的适应性

1)对富水地段，采用红外探测为主、超前地质钻探为辅的综合超前地质预报方法进行涌水预报。对涌水可实施堵、排结合的防水技术：TBM主机区域配置潜水泵，将水抽至后配套台车上的污水箱内，同时TBM配置有超前钻机，可以利用超前钻机钻孔，利用注浆设备进行超前地层加固堵水。

2)对断层破碎带，双护盾TBM能采用单护盾模式掘进。同时可利用TSP203系统对断层破碎带进行超前地质预报，利用红外探水仪和配置的超前钻机探水。利用配置的超前钻机和注浆设备对地层进行超前加固，同时刀盘面板预留注浆孔的设计能满足对掌子面加固的需要。

3)对深埋隧道，因地质构造复杂，在深埋条件下不可避免地会引起围岩应力的强烈集中和同岩的应力型破坏。双护盾TBM掘进时因掌子面较圆顺，对岩体的损伤可以降低到很低的程度，保护了围岩的原始状态，不易发生应力集中。

4)对岩爆地段，由于TBM 盘设有喷水装置，在预测的地应力高、易发生岩爆地段，利用TBM配置的超前钻机钻孔，在钻孔中往水湿化岩石，喷水对掌子面岩石能起到软化的作用，提前将应力释放。同时，通过管片安装、豆砾石回填和水泥浆灌注，使TBM能快速支护并通过岩爆地段。

5)对岩溶地段，先停机，然后通过机头上的人孔对岩溶情况进行观察。首先对底部进行豆砾石或砼回填并使其密实，当填至开挖直径高程时，边前进边安装管片，在两边管片对两侧及顶拱进行填筑灌浆或填筑砼，使岩溶部分都被填密实，并且和安装的管片结合成整体。为了预防因岩溶造成 TMB机头下沉，双护盾TBM配有超前钻探设备，而对于一些小溶洞的处理，可在TBM通过后向管片与围岩间回填豆砾石后，再通过灌浆固结即可。对规模较大的溶洞，因管片接缝不易闭合，应采用钢板将安装的管片进行纵向连接。

6)对膨胀岩及软岩塑性变形地段，由于双护盾TBM 刀盘的偏心布置及刀盘设置的超挖刀能增大TBM开挖直径，为TBM在围岩变形量小的情况下快速通过围岩变形地段预留了变形量。在围岩变形量大时，可利用TBM配置的超前钻机和注浆设备加固地层。同时双护盾TBM的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证TBM不易被变形的围岩卡住。

7)对塌方地段，由于双护盾TBM 采用了封闭式的刀盘设计，能有效地支撑掌子面，防止围岩发生大面积坍塌。TBM撑靴压力能根据地质条件调整，以免支撑力过大而破坏洞壁岩石。同时，双护盾TBM 的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证TBM 不易被坍塌的围岩卡住。

（3）实现了工厂化作业

双护盾TBM施工，由刀盘开挖地层，在护盾的保护下完成掘进、出碴、管片拼装等工序而形成隧道，豆砾石的喷灌、注浆、通风、供电等辅助作业也实施了平行作业，充分利用了洞内空间。双护盾TBM施工具有机械化程度高，施工工序连续的特点。隧道衬砌采用管片衬砌技术，管片采用工厂化预制生产，运到现场进行装配施工，预制钢筋砼管片具有质量好、精度高的特点，与传统的现浇砼隧道衬砌方法相比，施工进度快、周期短，无须支模、绑筋、浇筑、养护、拆模等工艺；避免了湿作业，施工现场噪声小，减少了环境污染。隧道衬砌的装配式施工，不仅实现了隧道施工的工厂化，且更方便隧道运营后的更换与维修。

（4）自动化、信息化程度高

双护盾TBM采用了计算机控制、遥控、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高、对周围地层影响小、有利于环境保护的优点。施工中用人少，且降低了劳动强度和材料消耗。双护盾TBM具有施工数据采集功能、TBM姿态管理功能、施工数据管理功能、施工数据实时远传功能，实现了信息化施工。

2.2双护盾TBM的缺点

1)双护盾TBM价格较贵，设备一次性投入较大。

2)开挖中遇到不稳定或稳定性差的围岩时，会发生局部围岩松动塌落，需采用超前钻探提前了解前方地层情况并采取预防措施。

3)在深埋软岩隧洞施工时，高地应力可能引起软岩塑性变形，易卡住护盾，施工前需准确勘探地质，并先行释放地应力，施工成本较高。

4)对深埋硬岩隧洞，地应力较大，由于TBM掘进的表面比较光滑，因此地应力不容易释放，与钻爆法相比，更容易诱发岩爆。

5)在通过膨胀岩时，由于膨胀岩的膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良的工程特性，在进行管片的结构设计时，应充分考虑围岩膨胀力对管片可能施加的荷载，确保衬砌结构安全。应注意管片的止水防渗，防止膨胀岩因含水量损失而发生崩解或软化而造成TBM 下沉事故。

6)在断层破碎带，因松散岩层对TBM护盾的压力较大，易发生卡机事故；在岩溶地段，易发生TBM 机头下沉事故，施工中应采取相应对策。

7)由于隧道管片接缝多，在不良地质洞段其不漏水性和运行安全性还是个较薄弱的环节。

8)由于护盾将围岩隔绝，只能从护盾侧面的观察窗了解围岩情况，不能系统地进行施工地质描述，也难以进行收敛变形量测。

9)双护盾TBM掘进时产生的岩粉易沉积在隧道底部约120°范围内，且岩粉被主机自重压得十分密实，水泥灌浆难以灌人岩粉层，易形成强度低于灌浆后豆砾石层的一个弱层。

10)双护盾TBM属岩石隧道掘进机，不适宜在软土地层施工。通过软土段时，土体易粘结在刀具上，不能顺利从出碴漏斗排出。

对高地应力软岩塑性变形及易塌方地段，为防止双护盾TBM被卡住，双护盾TBM除了高强度的结构设计外，还应具有足够的推力储备及扭矩储备。为防止TBM整机转动，支撑系统应具有足够的支撑力。对双护盾TBM进行相关计算，是双护盾TBM选型的依据，也是TBM在不良地质地段顺利掘进的重要保证。

3、TBM空推及掘进

3.1空推及掘进前准备

TBM始发掘进完成后，井口的负环管片和始发托架全部拆除，井口安装道岔，变频机车由单列改为双列编组。车站底板的原TBM台车、变频机车轨道全部拆除，改为双线。

3.2 施工方法

3.2.1 TBM试掘进

TBM空推至风井的始发段隧道内后，进行试掘进（即始发作业-单护盾模式逐渐转入双护盾模式），本工程采用双护盾TBM施工，掘进模式的选择是施工的关键，在试掘进时确定各种掘进模式下的掘进参数是施工的关键，同时撑靴的接地比压的设定是双护盾TBM的重要参数，TBM推进过程中，要依据超前地质预报结果，根据不同地质、埋深判断围岩的稳定性、可掘性及时选择掘进模式，调整掘进参数。在掘进时推进速度要保持相对平稳，控制好每次的纠偏量，为管片拼装创造良好的条件。灌浆量要根据围岩情况、推进速度、出渣量等及时调整。施工轴线、管片安装轴线与设计轴线的偏差控制在允许的范围内。

3.2.2 TBM正常掘进

TBM掘进模式的选择，主要根据TBM的施工特点，结合所在地层围岩的完整性、围岩强度等选择不同的掘进模式。通过对本工程的地质资料的分析和推断，TBM拟在IV类以上围岩洞段选用双护盾模式掘进，Ⅴ、VI类围岩洞段选用单护盾掘进模式掘进。

（1）TBM空推掘进

矿山法空推段多为IV、V级围岩，这两类围岩开挖面暂未进行砼衬砌，这样TBM主机通过时的摩阻力较大。为了减少TBM盾壳底部与隧底的摩阻力，根据TBM通过空推段成功的施工经验，拟在隧洞底部施做C30素混凝土导台，并在混凝土导台上加装两条43轨以满足隧底圆顺要求。导台工作完成后使用断面仪对矿山法段净空进行测量，布置测点间距为5～10m。若有围岩侵限，立即提前处理，确保TBM快速顺利通过。

TBM在矿山法段内的步进采用单护盾掘进模式空推步进，刀盘和前体依靠辅助推进油缸前进，利用安装好的导向系统控制隧洞轴线偏差，保证TBM与矿山法隧洞间的间隙，使TBM沿隧洞方向前进，每步进一个行程后，进行矿山法段衬砌管片的安装、豆砾石回填及灌浆等工作。步进时，步进速度应控制不能过快，且要派专人在TBM前方检查、监测TBM步进情况，主要检查TBM前盾下部耐磨条与导台和导轨之间的运行状态，同时在前盾底与导台面的轨道之间涂黄油进行润滑降糙，减小摩阻力。刀盘前方的监测人员与TBM主司机要紧密配合，使TBM沿设计轴线前移。

TBM主机步进后，后配套跟紧主机同步前进，依序铺设钢枕梁、三角支腿和钢轨，钢轨铺设为运输轨及后配套轨。同时进行洞内风、水、电的延伸。从这时开始，即进入设备操作预演阶段，工作人员从此将有条不紊的开始工作。

（2）TBM单护盾模式掘进

① TBM掘进

刀盘在主推进油缸的推力作用下，伸缩盾伸开，刀盘向前推进，辅助推进油缸顶推到已安装好的管片上为掘进机提供掘进反力，后配套台车停在隧洞中，刀盘破岩切削下来的渣土随着刀盘铲斗和刮板转动从底部到顶部然后沿溜渣槽到达刀盘顶部后进入刀盘中心的皮带输送机上，主机皮带机和后配套皮带机将渣土运送到等候在后配套上的编组渣车上，与此同时，成洞段进行豆砾石充填及回填灌浆等工作。当刀盘向前掘进1.5m时，完成一个循环的掘进。

②管片安装

当刀盘推进完成一个行程后(1.5m),完成一个循环的掘进,TBM停止掘进,在尾盾的保护下,开始进行管片的安装。管片安装利用TBM上的管片安装吊机进行。

③换步

管片安装时，辅助推进油缸缩回，每安装完成一块管片后，辅助推进油缸伸出顶推到已安装完成的管片上，直至该环全圆管片拼装完成，辅助推进油缸全部顶推到位，如此一来，换步完成。

（3）TBM双护盾模式掘进

①TBM掘进

刀盘在主推进油缸的推力作用下，伸缩盾伸开，刀盘向前推进，撑靴撑紧在洞壁上为掘进机提供掘进反力，后配套台车停在隧洞中，刀盘破岩切削下来的渣土随着刀盘铲斗和刮板转动从底部到顶部然后沿溜渣槽到达刀盘顶部后进入刀盘中心的皮带输送机上，主机皮带机和后配套皮带机将渣土运送到等候在后配套上的编组渣车上，与此同时，在盾尾的保护下进行预制管片的安装、豆砾石充填工作。当刀盘向前掘进1.5m时，完成一个循环的掘进。

②换步

当主推进油缸达到最大掘进行程时，TBM需要停机换步。此时刀盘停止转动，将撑靴慢慢收回，主推进油缸牵引和辅助推进油缸顶推提供反力使TBM向前移动，后配套随主机同时前移，直至主推进油缸完全处以收缩状态，然后撑靴再度撑紧洞壁，开始下一个循环的掘进，换步完成。

3.3 管片拼装

（1）止水条及垫片粘贴

止水条、垫片材料的安装要制定专门的作业指导书，并要求在施工中必须严格执行。2）在存放管片进行止水条粘贴的场地配备防雨、防潮设备，避免止水条或垫片淋雨、受潮而损坏。

（2）管片的运输

1）管片从存放区利用吊机吊装到管片车上。

2）施工前制定管片运输作业指导书，在管片运输或吊装过程中应特别注意对管片的保护，避免造成损坏。；

3）管片供应的型号必须根据施工需要按工程师下达的管片运送指令进行，避免因管片运送错误导致工序时间的耽误。

3.4豆砾石吹填及注浆

在双护盾TBM掘进过程中，脱出盾尾的管片在掘进过程中即时进行豆砾石吹填。随着双护盾TBM掘进，主机前移，管片露出盾尾，此时开始豆砾石吹填工作，首先将管片吊装孔凿开，将豆砾石吹填管路的喷头与吊装孔连接，然后用高压风将豆砾石从吊装孔吹入。

在豆砾石吹填时为防止产生偏压使管片发生错台或损坏，必须做到自下而上，并两侧对称吹填，最后吹填拱顶，压力控制在0.2～0.4MPa，当感觉到管道内没有豆砾石流动时关闭风压，取下喷头进行临时封堵。在灌注过程中要密切配合，尤其是要认真观察吹填情况，完成一个循环豆砾石吹填作业。

3.4.1 水泥浆灌注

双护盾TBM刀盘前部没有压力，注浆过程中，在注浆压力的作用下，浆液沿盾壳与围岩之间的间隙窜到刀盘前部，为了防止双护盾TBM盾壳被浆液包裹并出现卡住盾壳的情况，灌浆点离盾尾的距离暂定为20～25环。将注浆头同吊装孔连接。启动注浆泵开始灌注，依次将底部、两侧、顶拱进行灌注，在灌注过程中要严密观察窜浆情况，如发现其它吊装孔、管片环缝和纵缝、螺栓孔有水泥浆液漏出时将注浆阀门关闭。通常情况下注浆压力控制在0.3～0.6MPa，达到压力后关闭注浆阀门，等待 5分钟后，取掉注浆头，按图纸要求进行永久封堵。按照此方法依次向前每环灌注。

3.4.2 豆砾石吹填灌浆效果检查

豆砾石吹填灌浆效果检查结合管片、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断，必要时采用无损探测法进行取芯。

3.4.3 二次补注浆

二次补注浆一般在管片与围岩间的空隙充填密实性差，致使隧道变形得不到有效控制或管片衬砌出现渗漏的情况下才实施。根据监测信息反馈，分析注浆效果，综合判断是否需要进行二次补注浆，二次补注浆采用水泥浆+水玻璃的双液浆。

本文以深圳城市轨道交通8号线二期8141标盐田食街站～大梅沙区间TBM施工为依托，从双护盾TBM工作原理、双护盾TBM优缺点、TBM空推及掘进、个方面全方位的对双护盾TBM施工工艺进行总结介绍。