双护盾TBM分体始发技术研究与在青岛地铁1号线的实施

王小强，郭 志，王以栋，李长达，韩丽森，徐超群

(1.中船重工(青岛)轨道交通装备有限公司，山东 青岛 266111；2.中船重工第704研究所，上海 200031)

0 引言

随着双护盾TBM在岩石地质城市地铁隧道施工中的不断应用，各种新的工况及问题不断涌现。城市地铁隧道施工始发场地往往较小，但双护盾TBM整机长度较长，面对城市周边环境的复杂性或工期制约等客观条件限制，在始发场地不足的情况下不得不进行分体始发。

目前关于盾构分体始发的案例较多，文献[1]对短竖井盾构分体始发的经济性、设备安装、设备改造等相关技术和始发中应该注意的事项进行了分析和探讨；文献[2]对三菱盾构分体始发的几种方案进行了对比，并选出最佳分体始发方案；文献[3]介绍了盾构分体始发施工平房群沉降控制技术；文献[4-11]结合具体的工程实例，从设备选型、始发方案、实施方法、出碴方式、管片选型、始发基座、反力环和楔形环设计、列车编组及注浆控制等方面对土压盾构分体始发技术进行了详细探讨；文献[12-13]对泥水平衡盾构的分体始发难点与风险及技术要点进行了分析和探讨；文献[14-15]着重讨论了小半径隧道中盾构分体始发施工技术；文献[16]对冬季盾构分体始发技术进行了研究。以上文献对分体始发技术的研究大多集中在盾构设备上，关于TBM分体始发后配套系统的研究几乎为空白。本文研究了双护盾TBM分体始发技术，结合有限的始发场地条件，通过优化后配套设备布置，利用双护盾TBM自身配套设备实现最经济的分体始发。该技术在青岛地铁1号线青岛火车站至海泊桥站双护盾TBM区间工程中成功应用，可为今后同类工程提供实践经验。

1 工程概况

1.1 始发井概况

青岛地铁1号线2标02工区始发站为海泊桥站。该车站位于青岛老城区人民路与鞍山路十字交叉路口处，为明暗挖结合车站。其中，明挖段总长53.1 m(可以利用的长度为52.1 m)，暗挖段长125 m，为4台双护盾TBM的始发井。02工区的2台TBM自海泊桥站向青岛火车站始发，左线始发洞长38 m，右线始发洞长58 m。车站明挖段左右线分别设置3个吊装孔，结构尺寸为14.2 m × 8.5 m。隧道洞身为中风化—微风化花岗岩，局部为中风化—微风化煌斑岩岩脉，洞身上方为老城区居民区。因车站暗挖段工期滞后，明挖段及始发洞的长度小于双护盾TBM的整机长度，不具备整体始发的空间条件。若采用矿山法掘进延长始发洞，掘进段上方老城区建筑会受到影响，风险较大，所以综合考虑需采用双护盾TBM分体始发的方式进行隧道施工。分体始发场地平面及纵断面如图1所示。

(a) 平面图 (b) 纵断面图

图1分体始发场地平面图及纵断面图
Fig.1 Plan and longitudinal profile of separate launching site

1.2 周边环境情况

海泊桥站位于青岛老城区，市政管线密集，车站范围内管线较多。该站点西南侧为海慈医院，东南侧为住宅小区，西北侧为既有住宅楼，车站中部上跨杭鞍高架快速路。海泊桥站周边环境情况如图2所示。

图2 海泊桥站周边环境Fig.2 Surrounding environment of station

2 分体始发综述

TBM分体始发是指在无暗埋段或暗埋段不具备条件、竖井内作业空间不足等不具备整体始发条件的情况下，将TBM主机或主机和部分后配套台车放置在始发竖井内，另一部分临时放置在地面、竖井内中板或搭建在两侧的临时平台上，当TBM掘进一定距离后，将所有的后续配套台车按照原定顺序在隧道内安装就位，实现正常掘进的一种全断面掘进机始发方式。

2.1 双护盾TBM分体始发所需的基本配套系统

双护盾TBM具有隧道掘进、出碴、管片拼装及回填灌浆固结4项施工功能，分体始发需要TBM在设备功能及性能不完善的情况下完成与正常设备一样的施工功能。双护盾TBM由多个系统组成，直接或间接服务于上述4项功能，有些系统是实现上述功能无可替代的必要条件，有些系统可采用临时替代方案提供服务，有些系统对实现上述功能短期影响不大，可暂时不用，所以需研究为完成上述4项功能双护盾TBM必须具备的配套系统，进而研究分体始发的分体方案及分体位置。

双护盾TBM的掘进功能主要通过撑靴撑紧隧道壁、主推油缸推进、刀盘旋转破岩来实现。撑靴及主推油缸的工作通过液压系统实现，刀盘旋转破岩的工作通过主驱动系统实现。液压系统工作的前提条件为400 V供电、冷却水系统及相应控制系统工作；主驱动系统工作的前提条件为690 V供电及变频系统、冷却水系统、润滑系统、脂密封系统及相应控制系统工作。通过分析可知，冷却水系统工作的前提条件是400 V供电及相应控制系统工作；润滑系统工作的前提条件也是400 V供电及相应控制系统工作；脂密封系统工作的前提条件是空气压缩系统工作，空气压缩系统工作的前提条件为400 V供电及冷却水系统工作(风冷空压机无需冷却水)。以实现隧道掘进功能为导向，双护盾TBM为实现掘进功能需具备的基本配套系统为高(低)压供电系统及控制系统、冷却水系统、液压系统、润滑系统、脂密封系统、压缩空气系统。

双护盾TBM的出碴功能通过皮带机实现，皮带机的驱动方式通常有电驱和液驱2种方式。电驱皮带机工作的前提条件为400 V供电及相应控制系统工作；液驱皮带机工作的前提条件为液压系统工作，液压系统工作的前提条件为400 V供电及冷却水系统及相应控制系统工作。因此，为实现出碴功能，双护盾TBM需具备的基本配套系统为高(低)压供电系统及控制系统或高(低)压供电系统及控制系统、冷却水系统、液压系统。

管片拼装机实现管片拼装作业均由液压系统驱动，液压系统工作的前提条件为400 V供电、冷却水系统及相应控制系统工作。双护盾TBM的回填灌浆固结工艺主要包括豆砾石回填及注水泥浆，有些工程还需仰拱区域注砂浆。豆砾石回填由豆砾石泵实现，豆砾石泵由压缩空气系统提供动力；注水泥浆及砂浆由各自的注浆泵实现，注浆泵及相应配套储浆罐由400 V电源提供动力。综上所述，为实现回填灌浆固结功能，双护盾TBM需具备的基本配套系统为低压供电系统及控制系统、压缩空气系统、豆砾石回填系统及注浆系统。

2.2 双护盾TBM分体始发的基本方案

双护盾TBM的基本施工功能为隧道掘进、出碴、管片拼装及回填灌浆，除回填灌浆外其余3项功能均可由TBM主机部分完成。因双护盾TBM的回填灌浆工艺无需与掘进动作同步进行，所以在始发空间满足双护盾TBM主机长度及出碴情况下即可实施分体始发，也就是说双护盾TBM主机与后配套之间或主机与部分后配套之间任何位置断开均可实现分体始发。对于双护盾TBM，其分体始发需要具备的基本配套系统为高(低)压供电系统及控制系统(包括高压开关柜、变压器、功率补偿柜、变频柜、主电气柜、PLC控制柜及操控台等)、冷却水系统、液压系统、润滑系统、脂密封系统、压缩空气系统、豆砾石回填系统及注浆系统。此外，导向系统受分体始发影响不大，但也是TBM掘进必须具备的条件；因TBM施工环境多为岩石地层，掘进过程中粉尘较大，所以在分体始发时除尘系统也必须工作。

3 分体始发方案与实施

3.1 分体始发空间

海泊桥站具体始发空间为：左线始发洞长38 m，其中，14.10 m为管片衬砌；右线始发洞长58 m，其中，25 m为管片衬砌；左线可用于分体组装的长度为76 m；右线可用于分体组装的长度为83.5 m。分体始发空间尺寸如图3所示。

图3 分体始发空间尺寸(单位：m)Fig.3 Size for separate launching space (unit：m)

3.2 分体始发方案

青岛地铁1号线2标02工区使用的2台双护盾TBM为青岛地铁2号线施工时的既有设备，后配套设备布置难以满足分体始发需求，即使勉强实施也会带来始发费用增加、施工效率低及施工风险增加等问题。为实现安全、可行、经济、高效的分体始发，需对双护盾TBM的后配套进行适应性改造；同时，需结合TBM正常施工阶段采用连续皮带机+垂直皮带机出碴系统取代原来的有轨运输+龙门吊垂直提升出碴系统的出碴方案确定后配套改造方案。结合始发空间条件，双护盾TBM后配套改造时应尽量将分体始发必需的配套系统布置在前部台车上，既可减少改造过程中管线费用的增加，又可节约分体始发时管线的延长费用。后配套设备布置具体改造为：1)将台车右侧原5、6、7号台车上的VFD变频柜、690 V变压器前移至2、2+1号台车；原7号台车690 V变压器及8号台车主电气柜前移到3号台车；原9号台车400 V变压器、功率补偿柜及10号台车高压开关柜前移至3+1号台车；原4号台车的压缩空气系统及该系统新增的部分布置在4、5号台车，后续台车布置应急发电机、转碴皮带机驱动泵站、电缆托盘等；最后2节台车预留区域为连续皮带机接口区域。2)将台车左侧原1号台车润滑泵站前移至连接桥；原2号台车上的驾驶室及其内部操控台、PLC柜前移至1号台车；原4号台车液压泵站及5号台车主油箱前移至2号和2+1号台车；3、3+1号台车布置2套豆砾石系统；4、5号台车为新增洞内制浆及注浆系统；6号至10号台车维持原设计不变，主要布置供排水系统及除尘系统，其中，冷却水单元集成到一个托盘上，在分体始发时可移动位置摆放。后配套系统改造前后设备布置见表1。

表1 后配套系统改造前后设备布置Table 1 Equipment configuration before and after back-up system improvement

改造前设备总长度为135 m，改造后设备总长度为165 m，改造后双护盾TBM在3+1号台车处断开长度为88 m。除注浆、冷却水、压缩空气和除尘系统外，分体始发需要的配套系统均已具备。注浆可通过地面泵送，通过后配套尾部注浆实现；冷却水集成托盘可前移放置在3+1号台车豆砾石皮带机上并通过洞外直接供水对该系统实施换热；对于压缩空气及除尘系统，可将设备放置在竖井负4层中板上通过延长管线实现。左线因始发空间较短，还需将3+1号台车上右侧的400 V变压器、功率补偿柜及高压开关柜拆下临时安装在站厅层，安装临时电缆与3号台车的主电气柜相连接；同时，将冷却水集成托盘临时安装在站厅层，安装临时软管与3号台车的冷却水回路连接。掘进12延米后将3+1号台车下井连接并恢复变压器、功率补偿柜、高压开关柜及冷却水集成托盘至3+1号台车。5号台车上的后配套皮带机驱动端左线分体始发时移至3号台车尾部，右线分体始发时移至3+1号台车尾部，临时减短皮带架及皮带长度并硫化皮带。至此，改造后的双护盾TBM从3+1号台车处断开既能满足始发空间要求，又具备了完成施工所需的基本配套系统，具备始发条件，可以实施分体始发。双护盾TBM分体始发方案如图4所示。

图4 双护盾TBM分体始发方案Fig.4 Separate launching scheme of double-shield TBM

3.3 分体始发实施

分体始发期间在大里程端安装55 t龙门吊供矿车出碴使用，列车编组采用牵引机车中置，后侧为1节出碴矿车，前侧为1节豆砾石罐及2节管片运输平板车。掘进期间机车牵引矿车出碴，掘进完成后更换板车运输管片、豆砾石罐。出碴及管片运输现场如图5所示。水循环采用地面设置清水箱，由洞外向洞内直接供水。刀盘喷水增压泵、清洗用水直接连接供水管路，冷却水热交换器直接连通供水与回水管路，供水压力控制为0.3～0.4 MPa，回水直接连通车站内7 m3回水箱，回水箱抽排至冷却水箱(30 m3/h)，污水泵连通排水管直接排放至车站污水池再转排至地面沉淀池。供水管、回水管及排水管随着掘进逐渐延长连接钢管。除尘管路采用临时硬风筒延伸，压缩空气管路采用软管延伸。管线延伸现场图片如图6所示。

(a) 出碴

(b) 管片运输

(a)

(b)

高压电缆盘绕在站厅层钢支架上，随着掘进逐渐延伸放缆。分体始发后掘进里程逐渐增加，除尘及压缩空气管路相应延长，导致除尘临时风筒漏风严重，压缩空气压损增加，进而出现了隧道内除尘效果变差、豆砾石吹填频繁堵管的现象。随后，增加2节临时台车，把除尘系统及空压机、电缆托盘放置在此2节台车上，减小了除尘及供气距离，同时方便电缆收放，使得后续的分体始发得以顺利实施。

4 双护盾TBM分体始发实施效果

青岛地铁1号线2标02工区右线双护盾TBM(全线编号为4号TBM)自2017年10月正式分体始发，截至2017年12月累计掘进364.7延米，平均日进尺为5.7延米，最高日进尺为10.3延米，远高于始发前平均3延米的计划进度指标，并于2017年12月22日提前完成315延米的年度掘进指标。几乎同期施工的青岛地铁1号线1标01工区的2台双护盾TBM(全线编号为1号和2号TBM，与本工程结构相同)为整体始发，出碴条件与4号TBM类似，受空间限制均为单矿车出碴。1号TBM前2个月累计进尺为239.98延米，平均日进尺为3.87延米，最高日进尺为9.5延米；2号TBM前2个月累计进尺为310.57延米，平均日进尺为5.09延米，最高日进尺为13.34延米。通过对比可知，分体始发的4号TBM与整体始发的1、2号TBM各项进尺指标相比，基本一致或略高，由此验证了双护盾TBM分体始发方案的可行性。

5 结论及讨论

双护盾TBM分体始发需完成与正常始发同样的施工功能，这些功能除回填灌浆外均可由主机完成，所以分体始发时主机需就位且实现主机动作的基本配套系统能提供服务。

1)以实现施工功能为导向，双护盾TBM分体始发时需具备的基本配套系统为高(低)压供电系统及控制系统、冷却水系统、液压系统、润滑系统、脂密封系统、压缩空气系统、豆砾石回填系统、注浆系统、导向系统和除尘系统。

2)通过延伸管线、线缆，双护盾TBM可在主机与后配套之间或主机与部分后配套之间任何位置断开。

3)应用于城市地铁隧道施工的双护盾TBM后配套设计时需考虑分体始发工况，尽量将分体始发必备的配套系统布置在前部台车上，最大限度地利用设备自身配置实现最经济的分体始发。

双护盾TBM分体始发是在设备功能及性能不完备的情况下实现施工功能的始发方式，施工过程中需加强精细化管理，做好安全检查监督，结合地质条件做好施工预案。掘进过程中需适时调整掘进参数，控制好掘进姿态，勤测量并及时回填灌浆，同时，应用于城市地铁隧道施工的双护盾TBM配套件选型时需综合考虑分体始发与后续施工的需求，例如：控制及动力电缆尽量采用屏蔽电缆，避免信号干涉引起错误动作。后配套设备布置方面需提前考虑满足城市地铁施工的各种工况，在设计阶段做好预案，从安全性、可行性、效率及经济性等方面综合考虑，更好地为城市地铁隧道建设服务。