重庆轨道交通开敞式TBM施工问题及对策

引言

　　开敞式TBM具有高效、高速、安全、环保、优质等优点，在国外已被广泛地应用于地铁、城市给排水、铁路、公路等重大工程建设中，国内开敞式TBM也已应用于引水、铁路隧道的建设中，特别是在长大隧道建设中，开敞式TBM已成为首选施工方法。
　　在国内城市轨道交通建设中，对于长距离岩层区间隧道，前期大多采用钻爆法施工，如已经开通运营的重庆轨道交通二号线、轨道交通一号线朝天门—沙坪坝段和沙坪坝—大学城段、轨道交通三号线鱼洞—江北机场段，地下区间隧道全部采用钻爆法施工。但钻爆法施工存在诸多不足，如扰民、对既有建筑物的影响及对环境的影响等。
　　对于国内普遍采用的可行工法———盾构法，在长距离的硬岩地层条件下，存在刀具磨损严重、管片错台等问题，即使采取了改进盾构掘进施工参数和加强刀具等处理措施，但仍然存在掘进速度慢、成洞时间长等缺点。
　　比较盾构法和开敞式TBM，开敞式TBM不仅具有高效、安全、环保、优质等诸多优点，而且还具有掘进速度快、成洞时间短等优势。鉴于开敞式TBM的优点和优势，重庆轨道交通进行了专题研究，并在重庆轨道交通六号线一期五里店—山羊沟水库敞开段TBM试验段工程中进行了工程实践。该试验段工程为开敞式TBM在国内城市轨道交通工程中的首次应用，为城市轨道交通地下区间隧道开创了新的施工工法，也积累了宝贵的经验和资料。
1　开敞式TBM实践
　　1.1试验段工程概况
　　重庆轨道交通六号线一期五里店一一山羊沟水库敞开段TBM试验段工程位于长江、嘉陵江两大地表水系汇合的狭长地带，呈深切割地貌景观。穿越地层为侏罗系中统沙溪苗组泥岩、砂岩，岩层受构造作用较轻微，构造节理裂隙为较发育至不发育、局部发育，基岩完整性较好;隧道围岩级别为III～IV级，III级围岩主要为砂岩，饱和抗压强度为29.9～36.7MPa，IV级围岩主要为泥质砂岩，饱和抗压强度为12.6～17.2MPa;地表未发现不良地质现象，场地总体稳定;水文地质条件简单，主要为基岩裂隙水和大气降水补给。
　　试验段工程线路全长约11.69km，采用2台美国罗宾斯生产的Φ6.36m开敞式TBM施工，每台开敞式TBM计划施工长度为8261m(不含步进长度)，出碴采用轨道运输。试验段起点位于五里店站始端，终点为山羊沟水库敞开段。线路位于江北区、渝北区和北部新区3大主城区境内，主要沿主干道五红路、红石路和龙山大道地下敷设，途经红土地站、黄泥磅站、红旗河沟站、花卉园站、光电园5个暗挖车站和五里店站、大龙山站、冉家坝站3个明挖车站，全部为地下站。
　　试验段工程TBM区间开挖断面设计为圆形，洞室开挖直径为6.36m(新刀6.39m)，采用“锚-网-拱架-喷射混凝土”初期支护+750px厚强度为C40、防水等级为P10的钢筋混凝土二次衬砌。
　　1.2试验段工程实践
　　试验段工程于2008年12月进场施工，2011年12月主体工程全部完工。工程实施过程中，由于未完全达到预定目标，故启动了既定的钻爆接应预案，即将光电园—山羊沟水库敞开段调整为钻爆法施工，基本完成了项目总体建设目标。2台开敞式TBM从五里店明挖车站始发，到达大龙山车站进行一次转场，最后在光电站站前吊出井拆机吊出，沿途共6次过站。试验段实施过程中，打破了全国城市轨道交通盾构施工月掘进783.6m的纪录，而且还创造了全国城市轨道交通TBM日掘进46.807m、月掘进861.984m、月平均日掘进27.8m的3项全国新纪录。试验段预期月掘进目标为600m，但经过综合计算，左、右线掘进平均月进尺分别为406.76m和518m，未达到预期目标。
　　表1为开敞式TBM通过试验段沿线各车站的方式。


2　试验段工程中存在的问题及对策
　　2.1初期支护较强
　　2.1.1存在的问题
　　试验段工程为开敞式TBM在国内城市轨道交通项目中的首次应用，没有类似的项目建设经验。开敞式TBM区间初期支护设计主要根据既有铁道设计规范。IV级围岩初期支护统一采用全环375px厚喷射混凝土+仰拱以上3m长锚杆(间距为1.2m×0.75m(环×纵))+间距为1875px的I14工字钢。本试验段工程TBM隧道IV级围岩段达掘进长度的99%以上，致使初期支护的工作量过大，不但增加了工程投资，也导致拱架安装作业工作量大、作业劳动强度大，喷射混凝土不平、拱架背后易形成空腔、外观质量差、需要进行二次补喷、喷射混凝土作业环境差等，从而对开敞式TBM的掘进速度有很大影响，也使施工难以达到预期效果。
　　TB10003—2005J449—2005《铁路隧道设计规范》和GB50157—2003《地铁设计规范》主要统计长期钻爆法铁路隧道的项目建设经验，但开敞式TBM区间隧道施工在围岩扰动、围岩损伤等方面较钻爆法小很多，且隧道为圆形隧道，受力条件好。依据既有铁道设计规范进行市政工程开敞式TBM区间隧道的初期支护设计偏于保守。
　　2.1.2试验段监控量测成果分析试验段施工过程中进行了监控量测，监控量测段长300m。根据监控量测成果，总结出开敞式TBM区间隧道施工有以下特点:
　　1)锚杆轴力在径向深度为0.8m处最大;在2.0m处就已经较小，且随着时间的推移逐渐趋于稳定;3.5m处的锚杆轴力从初测开始就非常小。
　　2)围岩变形一般在5mm以内，开挖前3d变形达到最大，7d后变形基本趋于稳定，钻爆法施工围岩变形为开敞式TBM施工的1.5～2.0倍。
　　3)通过对泥岩、沙岩和泥质砂岩这3种不同地质条件下各断面的拱顶沉降、水平收敛、锚杆轴力、围岩位移、围岩土压力、混凝土应力、初期支护拱架内力等监测数据进行分析，发现其变化差异很小。
　　4)初期支护拱架拱顶处的内力最大值为56.7MPa，比钢筋应力规范的警戒值和标准值小很多，有较大的安全储备。
　　2.1.3对策
　　根据调查了解，在铁路、水工项目采用开敞式TBM施工的隧道完整岩层段基本仅施作锚杆和喷射混凝土，且采用“动态设计、动态施工”。
　　鉴于上述情况，建议对城市轨道交通开敞式TBM区间隧道初期支护设计进行优化，必要时成立课题组，依托设计单位和试验监测单位，针对开敞式TBM施工的特点，通过调查国内外开敞式TBM施工经验，同时在后续开敞式TBM项目中开展相关试验研究，并结合理论分析，研究城市轨道交通开敞式TBM区间隧道初期支护设计，甚至编制并发布专项设计规范。设计优化主要考虑以下几方面:
　　1)适当加大拱架间距，在围岩完整性好、岩石强度较高的砂岩地段甚至可以取消拱架;
　　2)喷射混凝土厚度可以适当减小;
　　3)系统锚杆布置范围和长度可以适当减小;
　　4)初期支护可以采用“动态设计、动态施工”。优化初期支护后，可以大大减少作业工作量和缩短作业时间，提高施工质量和TBM掘进速度，缩短施工工期，降低项目建设投资，但会增加施工过程控制的难度。
　　2.2单工序作业二次衬砌施工难度大
　　2.2.1存在的问题
　　TBM试验段工程采用单工序作业(即初期支护和二次衬砌不同步)，在大龙山站进行一次转场。工程实施过程中，由于未完全达到预定目标，启动了既定的钻爆接应预案，基本完成了项目总体建设目标，但也暴露出二次衬砌施工难度极大的突出问题。
　　TBM在大龙山站转场后，第1区段掘进施工完成的五里店站—红土地站—黄泥磅站—红旗河沟站—花卉园站—大龙山站共10个单洞单线区间隧道需同一时间段集中进行二次衬砌施工，设备、机具、劳动力和混凝土供应等集中组织进场，较短时间内完成后集中退场，各种资源配置不连续，从而导致施工组织难度非常大，工期也很难保证;特别是第2区间大龙山站—冉家坝站—光电园站4个单洞单线区间，由于总体节点工期需要，组织了10台模板台车的施工能力(含相适应的设备、机具、劳动力和混凝土供应)，在短短的2个月内集中组织并完成了二次衬砌施工。
　　2.2.2对策
　　研究城市轨道交通开敞式TBM区间隧道采用双工序作业的可行性(即采用仰拱预制块，二次衬砌滞后初期支护约300m进行同步衬砌)，如新疆中天山隧道、西秦岭隧道均采用2台开敞式TBM双工序作业。双工序作业既能解决TBM转场后或完成掘进后，多个单洞单线区间需要同一时间段集中组织二次衬砌施工的难题;也能大大缩短初期支护暴露时间，有利于初期支护更进一步优化。但研究时需要重点考虑以下问题:
　　1)由于轨道交通隧道断面相对于铁路隧道断面较小，如采用双工序作业，运输风险会增大，运输组织难度加大;
　　2)安装仰拱块占用掘进工序时间和二次衬砌同步施工对掘进速度有一定影响，掘进速度会适当降低，综合掘进速度预计为450～500m/月;
　　3)需要设置仰拱预制块厂，并在TBM掘进前4～5个月开始仰拱预制块预制工作;
　　4)需要解决隧道防水和设备前方安装仰拱预制块所需的空间问题。
　　2.3总体工期控制难度大
　　2.3.1存在的问题
　　TBM试验段工程由于TBM区间与沿线车站开工时间相差不多，TBM区间施工与车站施工相互干扰，TBM掘进轨道运输与车站开挖、主体结构施工交叉，无法实现区间与车站平行作业，致使沿线各车站长时间停工或调整工法，总体工期控制难度大。如红土地车站采用掘进过站，TBM掘进期间无法进行车站下部和二次衬砌施工，致使红土地车站主体开挖停工13个月;同时，由于TBM试验段项目全长约12km，沿线8站8区间，施工过程中的各种变化因素较多，整条线路的工期控制难度大。
　　2.3.2对策
　　1)城市轨道交通开敞式TBM项目较沿线车站提前1～1.5年开工，可大大降低TBM区间施工与车站施工间的干扰，利于项目投资控制和工期控制。
　　2)城市轨道交通开敞式TBM项目线路长度不宜过长，在4站4区间或3站4区间(线路长6～7km、掘进长5～6km)为宜，过程中不组织转场，施工工期控制在1.5年内;始发应尽量选择在敞开段，以便开敞式TBM快速始发掘进，在工作量较小的明挖段或者敞开段吊出，以减少受影响车站的数量。
　　3)做好区域内轨道交通线网开敞式TBM项目总体工程筹划工作，充分利用既有开敞式TBM设备。
3　结论与讨论
　　通过重庆轨道交通六号线一期五里店—山羊沟水库敞开段TBM试验段工程实践，证明了重庆轨道交通地下区间隧道采用开敞式TBM施工的可行性。开敞式TBM在城市轨道交通工程中的成功应用，对类似工程有很好的借鉴意义，但在TBM试验段工程实践中也出现了一些问题。针对这些问题，提出了基于“动态设计、动态施工”优化初期支护设计，采用“同步衬砌”方案组织二次衬砌施工，优化开敞式TBM项目工程筹划等措施，确保开敞式TBM在试验段及后期工程中的顺利掘进。该试验段工程的顺利掘进，可更好地推进开敞式TBM在城市轨道交通工程中的应用，从而进一步推进我国的轨道交通建设事业