城市轨道交通隧道双护盾TBM过站施工技术

司玉迪

(中铁隧道集团二处有限公司,山东青岛　266000)

摘要:为解决双护盾TBM在城市轨道交通隧道施工中频繁过站的问题,以青岛地铁2号线双护盾TBM施工为背景,根据TBM所经车站的具体情况,结合车站施工条件及TBM过站影响,研究并实施了空推和平移2种双护盾TBM过站方式,制订了合理可行的TBM过站方案和关键措施,解决了双护盾TBM过站多次拆解、组装、调试以及对车站影响的技术难题,为青岛地铁1号线、4号线、8

号线采用双护盾TBM施工提供了参考和借鉴。

关键词:青岛地铁;双护盾TBM;过站;空推;平移DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2019.S1.056

中图分类号:U45　　　　　文献标志码:B　　　　　文章编号:2096-4498(2019)S1-0411-09

ConstructionTechnologyofDouble-shieldTBMPassingthroughStation

inUrbanRailTransitTunnel

Abstract:Inordertosolvethestation-crossingproblemfordoubleshieldTBMintheconstructionofurbanrailtransit

(ErchuCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Qingdao266000,Shandong,China)

SIYudi

tunnel,thedouble-shieldTBMconstructionofQingdaoMetroLine2istakenasthestudybackground.Accordingtothe

specificsituationofthestationwheretheTBMisbased,combinedwiththeconstructionconditionsofthestationandthe

impactoftheTBMdrivingthroughstation,twoconstructionmethods,i.e.emptypushandmovementareresearchedandimplemented.Areasonableplanandkeymeasuresareformulated.Thetechnicalproblemssuchasmultiple

disassembly,assembly,commissioningandtheimpactofthedouble-shieldTBMonthestationaresolved,whichprovidesreferencefordoubleshieldTBMconstructionofQingdaometroline1,line4andline8inthenextstage.

Keywords:Qingdaometro;double-shieldTBM;station-crossing;emptypush;movement

0　引言

随着国家经济建设和城市建设的快速发展,我国城市轨道交通呈大规模、快速发展态势。目前我国正处于城市轨道交通建设的高峰期,是世界上最大的城市轨道交通建设市场,已初步形成了城市轨道交通产业[1]。

我国地域辽阔,各城市之间地质条件相差很大,既有以上海为代表的软土地层,也有以青岛、重庆、厦门为代表的岩石地层。地质条件不同,修建隧道所采用的施工方法也有所差别。软土地层目前主要采用盾构法施工,以往岩石地层主要采用矿山法施工,如今更多地采用TBM掘进技术[2-5]。敞开式TBM和复合式单护盾TBM已应用于重庆轨道交通工程建设[6-8],青岛地铁2号线采用双护盾TBM施工是我国首次将双护盾TBM应用于城市地铁建设[9],随后深圳地铁10号线和青岛

地铁1号线也采用了双护盾TBM施工[10-11]。

城市轨道交通系统一般每隔1~1.5km设1座车站,当采用TBM施工时,根据其施工方式及工程筹划,不可避免要遇到经过车站的问题,如何保证TBM顺利的通过车站并发挥其快速、长距离连续掘进施工的优势是TBM在城市轨道交通应用中的一大难题。文献[12-14]针对城市轨道交通敞开式TBM和复合式TBM过站技术进行了分析和研究,而青岛地铁2号线1期在双护盾TBM过站施工上取得了很多成功的经验和有益的探索。

1　TBM过站原则

TBM应用于城市轨道交通工程,具有快速、安全、高效、优质、环保等优点。相比于TBM在山岭及水工隧道的长距离连续掘进,中间较为频繁的经过车站,导

收稿日期:2019-01-18;修回日期:2019-05-21

作者简介:司玉迪(1990—),男,河南洛阳人,2012年毕业于河南工业大学,机械设计制造及其自动化专业,本科,工程师,现从事设备管理工作。E-mail:735881586@qq.com。

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隧道建设(中英文)

第39卷　

致TBM受车站间隔性影响而不能连续掘进,这是TBM在城市轨道交通中应用的一大特点和难点TBM掘进施工具有重要的意义顺利地通过车站,对于发挥其快速。如何保证。TBM过站应遵循、长距离连续

“快速、安全、影响小、投资省”的原则,综合考虑车站及TBM掘进施工,既要保证TBM的顺利通过,又要确保车站工期,TBMTBM过站的主要原则如下。

过站方案结合TBM施工标段内车站进行综合考虑1),技术必须先进、实用、可靠、经济合理。

施工尽量为2)TBM的过站方式与车站开挖统筹协调,车站TBM通过创造条件,TBM过站应减少对车站施工的影响3)。

具备TBM空推过站的车站,尽量选择整机过

站,避免TBM。

的多次拆解、组装、调试,同时减少对车

2　站的影响TBM[9]从区间与车站的施工先后顺序来区分过站方式

,TBM过站

主要分先隧后站和先站后隧2种方式。一般情况下,距离始发车站或始发井较近的车站,因TBM到达车站时间短,所以会采用先隧后站;距离较远的车站,有更多的时间进行车站施工,能实现先站后隧,为TBM步进过站提供条件。

考虑到先隧后站情况下,区间施工出渣将会长期占用车站范围,对后期车站施工影响和干扰较大,所以,在全线工程筹划阶段,应尽量按照先站后隧的方式施工组织,综合平衡区间和车站的施工进度,以缩短工2.程总工期1　先隧后站。

先隧后站即先施工TBM区间隧道,后施工车站结

构2.。1.根据1　TBM隧道特点,先隧后站方式主要有以下3种。主要适用于车站范围地质条件较好的情况掘进过站+喷锚支护

。TBM直接掘进通过车站,对开挖形成的“临时隧道”,视围岩条件可全环或局部设置系统锚杆,挂网喷射混凝土进行临时支护。待TBM区间施工完成后,后期车站施工时将2.1.2　“临时隧道”直接破除和开挖。主要适用于车站范围地质条件较差的情况掘进过站+混凝土管片支护

,TBM直接掘进时,开挖后的围岩不具备自稳性。故采用和区间相同的支护衬砌方式,通过拼装管片保证隧道安全2.。1.后期车站施工时3　在车站施工前临时导洞+步进过站

,将管片破除。,通过设置临时施工竖井,将TBM过站路由通过矿山法施工完成。当TBM过站时,只需空推步进通过车站即可。此种先隧后站的方式是将隧道开挖部分由TBM机械开挖,变为矿山法开挖。青岛

地铁2号线TBM2.2　先站后隧

通过台东站采用此种过站方式。

先完成车站结构施工,提供TBM通过车站的条

件。根据TBM通过车站的不同方式,先站后隧方式主2.要有以下2.1　站外转场过站4种。

由于受到车站条件限制,双护盾TBM需完全解

体,从车站的一端吊出,地面运输至车站的另一端拼装后再始发。这种方法需拆解和重新组装调试TBM,施工工期长,施工费用高,工序复杂,施工作业面较大,吊出和吊入安全性低,故适用于周边条件允许,车站完全2.不具备站内过站的条件下使用2.2　解体牵引过站

。

双护盾TBM主机和后配套台车解体后过站,即主

机与后配套台车分开,然后分别用额外千斤顶或牵引设备推动或拉动TBM主机和后配套台车。此种方式经常用于普通盾构站内过站施工,其主要优点是不需要整体加宽车站,只需设置端头扩大段,节约土建投资;缺点是需要对TBM设备进行拆除解体,同时结合平移TBM、旋转等措施一并使用,用此办法拆解难度比盾构大,在条件受限的情况下工期长。考虑到双护盾,才采2.2.3　此种过站方式整机空推直线过站。

,是将车站全部加宽(针对青岛地

铁mm2号线工程是将线路中心线距侧墙距离由2加宽至3150

距离1车站后640,直接步进通过mm400和mm)、1690全部加深(轨面距底板、顶面。此种过站方式使用方便mm),后期TBM从区间进入,但需2.对车站加宽加深2.4　整机空推曲线过站

,增加了车站实施难度和工程投资。

这种过站方式是在整机空推直线过站的基础上,

为避免加宽车站造成工程投资增大,在车站两端设置矿山法导洞,车站两端约15范围内完成TBM的偏移,避免整个车站的加宽m范围设置扩大端。,在此青岛

3　地铁工程概况

2号线工程大量采用此种过站方式。

青岛地铁2号线1期工程土建一标施工地处青岛

市市北区和市南区,起于泰山路,线路沿辽宁路、台东一路经海信立交桥后拐向延安三路南下,向东沿香港中路,过五四广场到浮山所站止。

青岛市地铁2号线一期土建一标包含泰山路站站

前停车线、泰山路站路站、利津路站—台东站区间、泰山路站、台东站—利津路站区间、台东站—、利津

海信桥站区间、海信桥站、海信桥站—芝泉路站区间、芝泉路站、芝泉路站—五四广场站区间、五四广场站—浮山所站区间、不含五四广场站,线路长约6.78km,共5

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站6区间,双线TBM掘进长度共4811.63m,采用2

后配套3部分。主机主要由刀盘、前盾、伸缩盾、支撑盾、尾盾组成。后配套系统由轨行式台车组成,后配套台车上布置有注浆系统、豆砾石吹填系统、液压动力站、变压器、配电柜、电缆水管卷筒、除尘通风设备等。TBM整机长度129m,其中主机长度为12m,整机质

台改良型双护盾TBM施工,2台TBM代号分别为3#和4#。

青岛地铁2号线施工所用双护盾TBM为中船重

工(青岛)轨道交通装备公司与意大利塞利公司共同设计制造,开挖直径为6300mm,分为主机、连接桥和

量约为850t。TBM施工工筹方案设计见图1。

图1　TBM施工工筹方案设计

　　TBM先从泰利区间始发竖井始发掘进至泰山路站解体吊出,转运至始发井后进行二次始发,向利津路站

Fig.1　TBMconstructionworkplandesign

油缸提供推力,反力则由安装于弧形导台上的反力架提供。导台采用C30素混凝土浇筑而成,导台内预埋的250mm×250mm方钢来提供安装TBM步进反力

方向掘进,空推过利津路站后继续向台东站方向掘进。TBM平移过利台区间单洞双线隧道和台东站后,平移至台海区间重新始发掘进施工,空推过海信桥站,最后掘将TBM解体并吊出。工程施工的2台双护盾TBM在中间始发井开始掘进,经历1次转场、2次下井始发、3次平移空推过站,施工过程艰难,经历曲折,是青岛地铁2号线全线重点控制性工程。4.1　空推过站

进到达海芝区间,平移空推过该段隧道至3号风井处,

架。反力架加工设计图如图3所示。

4　双护盾TBM空推和平移过站方式比选

主机,同时也减少TBM步进时产生的摩擦力。轨道安装高程偏差宜控制在±20mm,左右偏差宜控制在±20

TBM空推前,安设TBM空推钢轨用以支撑TBM

Fig.3　Designofreactionframeprocessing(unit:mm)

图3　反力架加工设计图(单位:mm)

mm,TBM坡度较设计坡度略大0.2%。曲线地段空推高程、混凝土质量等,并认真测量导轨[15]。完成浇筑后的导台照片见图2。

留孔内,将TBM步进反力传递至弧形导台。完成1个步进循环后(1m),拔出反力架,移动1m后重新进行安

TBM步进时,将反力架4个支腿插入弧形导台预

弧形导台应根据曲线在该位置的切线方向进行定位。弧形导台施工完后,应进行导台检查几何尺寸、轴线、

装即可进行下1个步进循环。弧形导台预留孔布置如图4所示。弧形导台空推示意图如图5所示。

图2　完成浇筑后导台照片

TBM在弧形导台步进时,将使用TBM辅助推进

Fig.2　Guideplatformafterpouring

Fig.4　Layoutofholesreservedforcurvedguideplatform(unit:

图4　弧形导台预留孔布置(单位:mm)

mm)

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第39卷　

4.2　方铺设TBM平移过站

5根钢轨主机接收基座提前将基座安装固定,既支撑TBM主机,同时减少步进推,基座下力。接收基座示意图见图6。TBM整机步进通过台东站两端的大断面隧道时,因为台东站为侧式站台,故左右线需在同一个导台上完成步进,通过台东站两端的矿山法隧道时,需要将主机与后配套台车进行拆解,采用分体过站的方式,将TBM主机全部推上接收基座后,开始对主机与后配套拆分。主要拆卸:主机皮带机驱动部分、2#皮带机缓冲床、液压管、风管、水管、主驱动电机电缆及其他控制电缆等。拆分完毕后,开始单独平移TBM主机,TBM主机将采用平移—沿弧形导台空推—平移—沿过站导洞弧形导台空推的方式。

图5　弧形导台空推示意图

Fig.5　Schematicdiagramofemptypushofthearcguideplatform

图6　接收基座示意图(单位:mm)

动主机平移至过站预定线路TBMFig.主机固定于接收基座后6　Receivingbasediagram。滑行至台东站过站导洞,使用液压千斤顶推

(unit:mm)

入口,沿过站导洞空推至台海大断面接收基座,平移经过台海大断面到达台海区间始发导洞。台东站TBM主机平移线路如图7所示。

图7　台东站TBM主机平移线路

Fig.7　MovementcircuitofTBMmainenginethroughTaidongStation

TBM因进系统以及反力装置自身动力以及液压系统TBM主机与后配套台车分体过站。TBM,,则不能使用主机质量约主机空推须新增4501套推座接收,推动TBM主机前进的推力须大于基座与钢轨t,采用基

间的摩擦力。按照滑动系数0.3、安全系数1.2计算,基座与钢轨间摩擦力F=450×0.3×1.2=162用2只300t液压千斤顶提供推力,可满足推力要求t,现场采

。

由于TBM主机行进线路为曲线,反力装置采用现

场制作。在底板使用取芯机施工直径为259为300mm、深度

满足TBMmm主机平移要求的孔,以ϕ250。mmTBM钢棒插入孔内提供反力主机反力提供示意图,见图8,添加顶筒图见图9。

图8　TBM主机反力提供示意图

Fig.8　SchematicdiagramofTBMmainenginereaction

图9　添加顶筒图

Fig.9　Addingatoptube

液压千斤顶推进行程为600程,需要在液压千斤顶与TBM基座间增加一定长度的mm,每推进一个行

顶筒,将TBM主机继续推进,直至TBM主机空推完毕。TBM主机平移施工流程见图10。

图10　TBM主机平移施工流程图

Fig.10　MovementflowchartofTBMmainengine

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后配套台车将整体沿着预先铺设的轨道,采用电瓶机车顶推的方式前行,重复主机平移过程,到达与主机连接位置,恢复整机连接。后配套台车和电瓶机车轨道辅设见图11。台东站后配套台车平移线路见图12。

表1　2种过站模式优劣对比

Table1　Comparisonofadvantagesanddisadvantagesofthetwo

typesofstation-crossingmodes

对比参数过站速度/(m/d)安全性可操作性经济性/(元/m)

导台空推30安全操作方便2000

基座平移12有风险操作复杂1500

5　双护盾TBM过站方案详述

5.1　TBM步进过站前准备

根据全线工程筹划,TBM空推过的各个车站和矿山法段落在TBM到达时已完成开挖,故TBM直接步进通过,并在TBM过站后再进行车站后续工序的施工。在TBM到达接收洞之前,在接收洞内施工接收导5.2　TBM通过明挖车站

台和过站步进导台,以便TBM空推步进。

利津路站为地下2层明挖车站,TBM通过明挖车

站利津路站采用的是整机空推曲线过站。TBM整机

图11　后配套台车和电瓶机车轨道铺设

Fig.11　

Tracklayingforrearsupportingtrolleyandbattery

过站时通过调整行进线路,过站时TBM不沿线路中心

locomotive

线行进。车站负2层主体结构先施作底板、侧墙、结构柱和中板,然后浇筑底板弧形导台达到TBM过站条件,站台板和轨顶风道过站后再施工。

主体结构边墙至线路中心线设计尺寸为2550mm,为

利津路站车站总长度为136.5m。根据利津路站

满足TBM顺利通过,车站标准段内TBM空推过站线

图12　台东站后配套台车平移线路

Fig.12　

Movementcircuitofrearsupportingtrolleythrough

路将偏移设计线路中线800mm,即边墙至线路中心线

4.3　分析对比

TaidongStation

距离3350mm。TBM过站导台的转弯半径按照350m

考虑,TBM空推线路中线调整后如图13所示。图13

中红色虚线为TBM过站线路中线,也作为浇筑弧形导台的线路中线;红色实线为TBM盾体轮廓线,两端为矿山法空推洞。TBM过站时,利津路站底板加深,以满足过站导台设置,横断面如图14所示,TBM曲线过站横断面图如图15所示,实景图如图16所示。

对导台空推和基座平移进行对比,如表1所示。表1显示,TBM导台空推要明显优于基座平移,

建议后续城市TBM空推施工中,多采用导台空推,尽可能不采用基座平移。

Fig.13　TBMcurvestation-crossingplanthroughLijinRoadStation(unit:mm)

图13　利津路站TBM曲线过站平面图(单位:mm)

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第39卷　

Fig.14　Schematicofemptypushtunnelwithminemethod(unit:

图14　矿山法空推洞断面示意图(单位:mm)

mm)

5.3　TBM通过盖挖车站

台东站位于青岛市市北区台东一路与人和路交叉口,为1号线和2号线换乘站。其中:1号线为地下3层岛式站台车站,采用明挖法施工;2号线为地下2层侧式站台车站,采用半盖挖顺筑法施工[16]。因台东站地处繁华市中心,车站前期拆迁工作滞后,造成车站工期不能满足TBM先站后隧通过条件;TBM先隧后站,同时考虑到台东站2号线方向为侧式站台,故TBM通过台东站时,采用临时导洞过站。为满足TBM空推过站要求,在车站范围内首先开挖1条供TBM通过的过站导洞,车站两端分别开挖一段扩大断面,供TBM空推渡线。台东站过站导洞长度为178.5m,利台区间大断面长度为160m,台海区间大断面长度为48m。台东站土建平面示意图如图17所示。

Fig.15　CrosssectionofTBMcurvestation-crossingthroughLijinRoadStation(unit:mm)

图15　利津路站TBM曲线过站横断面图(单位:mm)

(a)　

图16　TBM步进通过利津路站实景

　(b)

　　过站导洞的开挖施工利用位于威海路和台东一路交叉口东南角的施工竖井和台东一路与万达广场交汇TBM区间的平面位置关系如图18所示。

Fig.16　RealmapofTBMsteppingthroughLijinRoadStation

配套拆解,平移至过站导台,通过导台步进通过台东站,通过之后,再平移至TBM单线区间隧道始发洞内与后配套进行连接,调试后重新始发,向海信桥站(原延安路站)掘进。TBM通过台东站实景如图19所示。

处新增竖井。过站导洞与台东站、两端矿山法区间、

TBM施工到矿山法大断面隧道时,将主机和后

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中破除过站导洞安全可控,过站导洞破除如图20所示。

Fig.17　PlansketchofthecivilworksofTaidongStation(unit:m)

图17　台东站土建平面示意图(单位:m)

(a)

图18　TBM过站导洞平面布置图

Fig.18　FloorplanofTBMstation-crossingguidehole

台海区间始发导洞。根据2台TBM施工进度,考虑施工难度及过站工期等因素,2台TBM过站顺序见表2。

台东车站完成场地拆迁工作时,TBM已施工完毕,过站导洞已废弃,此时可直接进行基坑开挖,开挖过程

表2　TBM过站顺序

左线TBM主机(4#)　　

2台TBM均需要沿台东站过站导洞空推过站,抵达

图19　TBM通过台东站实景

Fig.19　TBMthroughTaidongStationrealmap

(b)

利台大断面空推(18d)过站导洞空推(6d)

右线TBM主机(3#)　　利台大断面空推(18d)

Table2　TBMstation-crossingsequence

左线TBM后配套台车(4#)

右线TBM后配套台车(3#)

台海大断面空推(4d)始发导洞空推(2d)

过站导洞空推(6d)

铺设台车轨道(16d)

空推完毕

台海大断面空推(3d)始发导洞空推(1d)

利台大断面空推(5d)过站导洞空推(2d)

空推完毕

台海大断面空推(1d)与主机连接(5d)

掘进100m后停机(10d)

铺设台车轨道(16d)

空推(12d)

掘进100m后停机(10d)

4#TBM正常掘进3#TBM正常掘进

调整轨道、安装道岔(4d)

(a)

图20　过站导洞破除

Fig.20　BreakingTBMstation-crossingguidehole

(b)

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5.4　TBM通过暗挖车站

海信桥站为暗挖车站,根据海信桥站(原延安路

过站线路将偏移设计线路中线850mm,TBM转弯半径按照350m考虑,TBM空推线路中线调整后如图21

站)主体结构及车站进度情况,TBM过站时,车站中隔壁及中部土层尚未开挖完成,TBM仅利用左右导洞过站。为满足TBM顺利通过,车站标准段内TBM空推

所示。图21中红色虚线为TBM过站线路中线,也作为浇筑弧形导台的线路中线;红色实线为TBM盾体轮廓线。

　　海信桥站待车站两侧二次衬砌施工完成达到设计强度后采用整机曲线过站,车站提前预埋钢轨供TBM

Fig.21　TBMcurvecrossingstationplanofHisenseBridgeStation(unit:mm)

图21　海信桥站TBM曲线过站平面图(单位:mm)

6　结论及建议

过站使用,托架应与钢轨顺直,间距1500mm,焊缝高度不小于8mm,在导台变截面处可适当进行加密,也可根据车站断面弧线对托架钢筋进行适当调整。TBM

导台混凝土采用C30素混凝土,临近中隔壁一侧,先采用50mm细砂铺底确保防水板无破损,上部采用碎石+细砂进行回填,确保回填密实,同时应保护好防水板及二次衬砌钢筋接头。海信桥站TBM曲线过站横断面图见图22。

针对双护盾TBM在城市轨道交通隧道施工中频繁过站问题,结合青岛地铁2号线具体案例,详细阐述了双护盾TBM过站施工工法与车站结构设计的融合。主要的结论及建议如下。

1)为充分发挥TBM掘进优势以及避免反复拆解对TBM造成的损伤,建议TBM过站时,尽量避免TBM拆解平移的情况,采取整机空推的方式。

2)整机空推直线过站要求整机过站时沿线路中心线行进,此方式车站需全长加宽,但接收洞和始发洞无需加宽、加长;整机空推曲线过站要求整机过站时通过调整行进线路,过站时不沿线路中心线行进,此方式

车站无需全长加宽,但接收洞和始发洞需加宽、加长,具体尺寸需结合线路条件、车站布置、地质条件等因素综合考虑确定。

3)采用整机曲线过站的技术过站时间平均为10d/站,减少了车站端部的扩挖和对车站的影响,同时避免了对TBM机械的多次拆解,经过初步估算,每经过1个站节省投资约200万元。

4)对于工期不可控、对TBM过站有影响的车站,可根据车站的工法采取导洞辅助过站的方式有利于对全线整体工期的把控。

5)今后城市地铁施工中,TBM将面临频繁的拆机、转场、平移,甚至需要进行洞内拆解等工作,可针对双护盾TBM设备结构设计方面进行优化研究,或使用增加区间长度方式,或采取“先洞后站”施工工艺,以

Fig.22　CrosssectionofTBMcurvecrossingstationofHisense

图22　海信桥站TBM曲线过站横断面图(单位:mm)

BridgeStation(unit:mm)

方便城市地铁能够更快施工。

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