青岛地铁隧道施工采用TBM工法分析

唐志强

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人口城镇化趋势的加重，城市的规模也日益增大，城市人口的增加和机动车数量的日益增长，导致了城市交通状况的不断恶化。为了改善交通环境，政府采取了各种措施缓解交通压力，其中地下铁道的建设是目前较为有效的办法，且得到了普遍认可。由于在建筑物较为密集的城市中修建地铁，传统的施工方法受地面建筑、道路、城市交通、水文地质、环境保护、施工机具以及资金条件等因素的影响较大，随着施工技术的发展，安全、经济、高效、环保的机械化施工将在未来的地铁施工中越来越多的采用［1-5]。根据青岛市地下铁道沿线的水文地质特征、地面和地下环境情况及环保要求等因素，对TBM工法在青岛地铁施工中的应用进行分析研究［6-7]。

1 工法比较

在地铁施工中区间隧道主要采用明挖法和暗挖法2种施工形式，明挖法区间隧道适用于结构埋深较浅，施工场地开阔、建筑物稀少、交通及环境允许的地区，该法施工速度快，造价较低，结构形式一般为整体浇筑钢筋混凝土矩形框架结构，可设中墙或根据线路要求采用单跨结构。暗挖法适用于埋深较大，地面交通和建筑较为密集，且拆迁较为困难的地段。该法对地面构筑物和环境影响较小，且施工较为灵活，可根据地质条件、周边地表环境和工期要求等采用矿山法、TBM法和盾构法等形式。

由于地铁施工多在建筑密集、道路狭窄及交通复杂等地段修建，多采用暗挖法施工。

1.1 暗挖法的特点分析

暗挖法在地铁施工中应用较为广泛，技术较为成熟，暗挖法主要包括矿山法、盾构法、TBM法、浅埋暗挖法等，以下对几种方法进行分析。

1.1.1 矿山法

矿山法适用于结构埋置较深、具有一定自稳能力岩层中的隧道开挖，适用深埋于较坚硬岩体中隧道的开挖。矿山法施工技术成熟，灵活方便，尤其在地质条件较复杂的情况下，能够根据地质条件的变化，随时改变施工方案，并且投资较低。在目前国内的地铁施工中，青岛、重庆的地质特征比较适合采用矿山法施工。通过对目前重庆地铁和青岛地铁在建工程的施工情况分析，在城市中采用矿山法施工存在施工安全风险高、施工扰民、对既有建筑物的安全影响较大、对工期的影响较大等缺点。

1.1.2 盾构法

盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法。盾构法施工不仅施工进度快，而且噪声小，振动小，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。盾构法施工具有良好的隐蔽性，施工引起的噪声、振动的危害小，对城市居民的生活影响小，机械化程度高，劳动强度低等优点。盾构法适合在软弱地层施工，不适合岩石地层施工。

1.1.3 TBM法

全断面隧道掘进机(TBM)一般适用于岩石地层。在我国水利水电隧道、铁路隧道、公路隧道应用较为广泛，但是在地铁施工中采用TBM较少，目前国内重庆地铁属于首次采用，且取得了成功。

TBM法的优点:(1)掘进效率高、速度快。掘进机开挖时，TBM可以实现连续作业，从而可以实现破岩、出渣、初期支护一条龙作业，从而提高了掘进速度，一般情况下为矿山法施工速度的2.5～4倍。(2)TBM开挖施工质量好，且超挖量少。TBM开挖的隧道内壁较光滑，从而可以减少因超挖增加支护工程量，降低工程费用。(3)对岩石的扰动小。TBM施工可以大大改善开挖面的施工条件，而且周围岩层稳定性较好，从而保证了施工人员的健康和安全，同时隧道周边建筑受到的影响也较钻爆法小。(4)施工安全性高，TBM可在刀盘内进行刀具的更换，密闭式操控室和高性能使安全性和作业环境有了较大的改善。(5)施工环境污染小，TBM掘进施工中具有振动小、噪声低、粉尘少的特点，对周边环境影响很小。同时TBM可以连续掘进施工，一般不会出现为了避免影响居民休息、工作等在特定时间内不能施工的情况。

TBM法的缺点:(1)掘进机对多变的地质条件(断层、破碎带、挤压带、涌水及坚硬岩石等)的适应性差。(2)由于掘进机结构复杂，对材料、零部件的耐久性要求高，故其设备价格较高。在施工前需要花大量资金购买部件和制造机器，致使工程建设投资高，不适用于短隧道。(3)施工中不能改变开挖直径及形状，在应用上受到一定的制约。(4)对车站有始发、接收、调头和过站的要求，因此增加了车站土建造价，同时工期相互制约。

1.1.4 浅埋暗挖法

浅埋暗挖法为一种适用于较为松散地层施工的新奥法。它充分利用地层自身的自稳能力和开挖掌子面的空间约束，主要采用锚喷支护的形式对地层进行加固，约束围岩的松弛和变形。并通过对围岩和支护进行实时监控来指导工程的设计与施工的一种工法。新奥法主要应用于埋深较浅、松散不稳定的土层和软弱破碎的岩层中。在深圳、北京、西安等地区采用较为广泛［8-9]。

1.2 暗挖法在青岛地铁施工的适应性分析

根据青岛地铁的地勘报告显示，地铁区间隧道主要穿越地层为中等～微风化花岗岩，局部地段洞顶为强风化岩，部分地段发育煌斑岩、花岗斑岩等脉岩及碎裂岩等构造岩，该地区地下水类型按赋存方式分为第四系松散岩类孔隙水和块状基岩裂隙水2类，除构造发育段地下水富水性贫～中等外，其他地段地下水一般不发育。各岩层照片如图1所示。

图1 各岩层取样图片

如图1所示:强风化下亚带花岗岩的矿物成分主要为碱性长石、斜长石、石英，矿物蚀变强烈，长石多高岭土化，岩芯手搓呈砂状～角砾状，手掰易碎，岩体极破碎;中风化花岗岩构造节理及风化裂隙较发育，多为高角度节理，节理面呈闭合～微张开状，节理面见铁染现象，岩芯多呈块状～短柱状，取芯率为65%～75%，石英含量30%～35%。岩体单轴饱和抗压强度8～45 MPa，岩体完整性指数Kv为0.3～0.5，属破碎～较破碎的较软岩～较硬岩;微风化花岗岩节理裂隙较发育，沿节理面有铁锈色矿染，岩芯多呈短柱～柱状，取芯率为80%～100%，石英含量30%～35%。岩体单轴饱和抗压强度35～80 MPa，岩体完整性指数Kv为0.55～0.75，属较完整的较硬～坚硬岩，耐磨性指数为2.01～3.28，属极低～低耐磨性。

根据青岛地铁的水文地质特性，青岛地铁区间主要穿越花岗岩地层，所以施工时不宜采用盾构法和浅埋暗挖法施工。

区间线路大部分通过城市中心部分，沿线人口稠密、地面交通繁忙、穿越的地面建(构)筑物较多，青岛地铁不宜采用矿山法施工。

根据水文地质条件周边环境对地铁施工要求高，从技术、安全、环保等几方面综合考虑和已有的重庆地铁的施工经验，在青岛地铁采用TBM工法施工较为适宜。

2 TBM机型比选

常用的全断面隧道掘进机(TBM)有敞开式、单护盾、双护盾岩石掘进机。根据不同的地质岩层特性选用不同的形式的岩石掘进机［10-13]。现对各种岩石掘进机进行介绍如下。

(1)敞开式TBM

敞开式TBM是利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机，主要适应于硬岩。如遇有局部破碎带等地层时，可通过掘进机所附带的超前钻及注浆设备进行注浆加固，隧道支护采用模筑衬砌形式。

(2)改良型单护盾TBM

改良型单护盾复合TBM是以传统单护盾(TBM)为基础，吸取了土压平衡盾构的原理及优点后产生的一种岩石掘进机，适合于软岩及硬岩地层的施工，隧道支护采用同步管片衬砌。

(3)改良型双护盾TBM

改良型双护盾TBM针对传统双护盾TBM进行了改进，增加螺旋器出砟系统，采用敞开式和土压平衡2种掘进模式，增加了喷锚支护系统，支护结构可根据地质情况采用管片或复合衬砌。由于改良型双护盾TBM集合了敞开式TBM及单护盾TBM的优点，可以适应软硬地层的掘进施工;因为在掘进时可以同时安装管片，所以它的掘进速度也比较快。

在我国引水隧道和铁路隧道中双护盾TBM有很多成功施工的经验和实例，例如:新疆大阪输水隧洞工程采用1台双护盾施工19.7 km;青海“引大济湟”引水隧洞采用1台双护盾施工约20 km，在美国纽约地铁施工中也采用过1台直径为6.7 m的双护盾TBM施工。所以根据双护盾TBM已经施工完成的成功经验，在青岛地铁采用双护盾TBM是可行的。

TBM机型如图2所示。

图2 TBM机型

3 机型的适应性分析

3.1 3种机型特征分析

根据青岛区域地质特性，青岛地铁工程的设计技术特点，支护要求，施工的难易程度分别对3种机型的地层适应性，线路的适应性，支护形式，施工的灵活性和经济技术指标等方面进行了分析比较［7-8]，分析见表1。

3.2 比较分析结果

敞开式TBM适合于采用“先洞后站”的施工模式，这样可以充分发挥快速掘进的优势，对环境干扰较小;但是目前的施工组织设计，车站与区间同期进行建设，如采用敞开式TBM施工，场地占用、组装、拆卸相对困难，施工灵活性差，且设备造价高，摊销小，残余价值高。

改良型单护盾复合TBM只能采用支护同步管片衬砌，支护及时跟进，施工工序单一，机械化程度高，但在微风化花岗岩地层中采用管片衬砌造价较模筑衬砌稍高。

表1 掘进机比选对照

改良型双护盾TBM具有敞开式和土压平衡2种掘进模式，在中、微风化带采用敞开模式掘进，充分利用围岩的自承能力，采用造价相对较低的模筑衬砌支护结构，施工速度快;在地质条件较差的强风化岩层中掘进时，可采用土压平衡模式，采用同步管片衬砌，支护及时可靠。

4 结语

随着我国地铁建设事业的发展，已从传统的施工方法发展到安全、经济、高效、环保的机械化施工。在岩石地层中采用TBM施工将为我国岩石地层地铁修建技术开启新的篇章。根据青岛地铁的水文地质特点、环境要求、经济性要求等特征综合比选分析得出:改良型双护盾TBM较适合青岛地铁施工。因为它具有敞开式和土压平衡2种掘进模式，同时具备管片和模筑衬砌2种支护形式，可以根据不同的地质条件采用不同的掘进和支护形式，真正体现了机械化掘进的快速、高效、环保、经济、安全等优点。

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