徐德岭
（重庆城市交通开发投资（集团）有限公司 重庆 400000）
【摘 要】本文针对重庆的地质特点，对选择适当的TBM类型修建重庆地铁进行简要分析。
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关键词 重庆轨道；地铁；施工方法；掘进机；特点；TBM
建设“畅通重庆”让重庆轨道交通的建设进入了快速发展期，必须选择优质、快速、安全、高效的施工方法按时完成轨道项目的建设，才能确保“十二五”末通车总里程的目标。TBM工法与普通的隧道工法相比有较多的优点，本文针对重庆的地质特点，对选择适当的TBM类型修建重庆地铁进行简要分析。
1. 重庆轨道在“十二五”后期建设任务繁重?
（1）城市轨道交通是促进城市经济发展，改善城市生态环境、优化城市结构、实现城市可持续发展的关键。随着我市经济持续快速发展、城市化进程的不断加快，我市城市轨道交通建设进入了快速发展时期。?
（2）为确保圆满完成“十二五” 期间的各项目标任务，根据国家和重庆市有关部门的工作部署，重庆轨道集团结合实际情况，编制了“十二五” 发展规划。围绕轨道交通网络化发展的要求，以组织为保障、以项目为平台、以人才为基础、以重点关键技术为突破口，构建轨道交通网络化经营机制，完善轨道交通换乘枢纽建设，形成以快速轨道交通为骨干，各类公共客运交通方式有效结合的现代化交通体系。为实现“达到国内先进水平、稳居西部一流地位、体现重庆特色文化”的国内一流轨道交通品牌企业而努力，为城市经济总量增长提供新的空间。 ?
（3）轨道交通建设规划为：在“十二五”期间，除继续做好二号线的运营工作，以及一、二、三、六号线及六号线支线建设、运营管理工作外，同时将陆续启动轨道交通中期建设规划中四号线、五号线、九号线、环线、一号线璧山段、空港线等工程的建设，新开工建设轨道交通 250公里。“十二五”末实现通车总里程 252 公里。新开工建设轨道交通 250公里，与目前在建178公里相比，“十二五”后期重庆轨道的建设任务将更加繁重。
2. 地铁主要施工方法?
由于在城市中修建地下铁道，其施工方法受到地面建筑物、道路、水文地质、环境保护、施工机具等因素的影响较大，因此采用的施工方法也不尽相同。施工方法的选择应根据工程的性质、规模、地质和水文条件、以及地面和地下障碍物、施工设备、环保和工期要求等因素，经全面的技术经济比较后确定。按规划四号线、五号线、九号线、环线、一号线璧山段、空港线等均为地铁，为了确保“十二五”末通车总里程目标的实现，优质、快速、安全的修建地铁隧道，选择恰当的施工方法是必须考虑的问题之一。目前国内修建地铁的施工方法主要有钻爆法、浅埋暗挖法、明挖法、掘进机法等。?
2.1 明挖法。
明挖法是指挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上顺作施工，最后回填基坑或恢复地面的施工方法。
明挖法是地铁区间隧道施工的首选方法，在地面条件允许的情况下宜采用明挖法施工。明挖法的优点是施工技术简单、快速、经济、安全，常被作为首选方案。但缺点也明显，如阻断交通时间较长，噪声与震动等对环境的影响。因此仅适合在无人、无交通、管线较少之地应用。?
2.2 暗挖法。
暗挖法是在特定条件下，不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工方法。暗挖法的优点是不影响城市交通，缺点就是进度慢、安全风险大。钻爆法、浅埋暗挖法、掘进机法均属于暗挖法。?
（1）浅埋暗挖法和钻爆法是采用爆破或适宜的方法开挖，以锚喷作一次支护，必要时加钢拱支架，再合理进行二次支护。 浅埋暗挖法和钻爆法施工作业均在地下进行，但对地面有噪声和振动影响，工作面环境恶劣。?
（2）掘进机法是利用集掘进、出渣、支护和通风、防尘等多功能为一体的高效隧道施工机械(TBM)施工的方法。与钻爆法相比，具有施工快速、优质、安全、高效、环保等突出优点，是地铁隧道施工方法的主要发展方向。
3. 掘进机分类及特点?
3.1 全断面掘进机是一种集掘进、出渣、支护和通风、防尘等多功能为一体的高效隧道施工机械。TBM是隧道掘进机的英文名称Tunnel Boring Machine缩写。?
3.2 目前在国内对全断面隧道掘进机有两种提法：一是岩石掘进机（TBM），二是盾构机。?
3.2.1 岩石掘进机。?
3.2.1.1 岩石掘进机（TBM）就是适合硬岩掘进的隧道掘进机，适用于山岭隧道硬岩掘进，代替传统的钻爆法，在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的3～5倍，最佳日进尺可达150m。具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点。?
3.2.1.2 根据掘进机的结构形式，可将其分为开敞（敞开）式掘进机、单护盾式掘进机、双护盾式掘进机。六号线一期TBM试验段工程使用的就是罗宾斯公司制造的敞开式TBM。?
3.2.1.3 敞开式掘进机（开敞式TBM）是一种旋转的岩石隧道开挖设备，并以一定的速度将开挖下来的碴土从刀盘工作面转运出去。该掘进机包括三个主要部件：(1) 刀盘 ；（2）机头架和大梁 ；（3）支撑和推进系统。其他的部件为包括变频调速（VFD）电机、主轴承及其密封系统、润滑及其密封系统、挡尘板、操作控制台、刀盘水喷雾系统、碴土铲斗和皮带运输系统以及电气和液压系统。将所有这些系统组合在一起形成一台机器，这台机器能够完成开挖岩石、围岩支护，并将破碎的碴土转运出去。?
3.2.1.4 敞开式TBM的核心部分是主机系统，主机系统主要由带刀具的刀盘、刀盘驱动和推进系统组成。主机刀盘上安装有一定数量的盘形滚刀，当刀盘旋转时，盘形滚刀划出的痕迹是以刀盘中心为圆心、间距均匀的同心圆切槽。在掘进时，支撑系统把主机架牢固地锁定在开挖的隧道洞壁上，承受刀盘扭矩和推进力的反力。推进油缸以支撑系统为支点，把推力施加给主机架和刀盘，推动刀盘破岩掘进。在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转，并绕自身轴线自转。在刀盘强大的推力、扭矩作用下，滚刀在掌子面固定同心圆切缝上滚动，当推力超过岩石的强度时，盘形刀下的岩石直接破碎，盘形刀贯入岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落。崩落在隧底的岩碴被随刀盘旋转的均布在刀盘上的铲斗、刮板收集到主机内的皮带机上，通过皮带机系统转载后，运送至后配套将石碴转载于矿车上运出。?
3.2.1.5 敞开式TBM鞍架上装有超前钻机、锚杆注浆系统、应急喷射砼设备和钢拱架安装机等。超前钻机可以完成超前小导管或超前锚杆等超前支护工作，锚杆钻机可快速前后移动，可以靠近工作面安装锚杆，钢拱架安装机可及时安装钢拱架。钻锚杆孔和安装锚杆、钢拱架安装、混凝土喷射等初期支护作业可以与掘进作业同时进行，即初期支护可以与掘进作业同时进行。初支完成后采用混凝土衬砌施作二衬。?
3.2.2 盾构机。?
（1）盾构机是适于在土中的隧道掘进机，适用于软弱性围岩施工的隧道掘进。?
（2）盾构机是盾构隧道掘进机的简称。是一种用于软岩、软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行开挖、出碴、整机推进和管片安装等作业，使隧道一次成形的机械。是目前城市地铁建设中速度快、质量好、安全性能高的先进技术。采用盾构机施工的区间隧道，可以做到对土体弱扰动，不影响地面建筑物和交通，减少地上、地下的大量拆迁，使整体工期明显压缩。?
（3）盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。?
（4）盾构机的分类方法很多，可按盾构切削断面的形状、盾构自身构造的特征、尺寸的大小、功能、挖掘土体的方式、开挖面的挡土形式、稳定开挖面的加压方式、施工方法、适用土质的状况等多种方式分类，但根本区别是其应用的设计原理。根据开挖面稳定以及掘进、出土模式的不同，盾构可分为敞开式、半敞开式、土压平衡式、泥水式等，它们都适用于相应的土层结构。?
（5）当某一段隧道穿越不同地层结构时，用以上任一形式的盾构都不适于单独将此段隧道掘进贯通，而根据相应土层情况要用两台或多台盾构， 在隧道段掘进长度较短时很不经济， 或由于条件限制使布置多台盾构非常困难。此时需将以上不同形式的盾构进行组合，在结构空间允许的情况下，将不同形式盾构的功能部件同时布置在一台盾构上，掘进过程中可根据地质情况进行功能或工作模式的切换；这种在不同的地层经转换后可以以不同的工作模式运行的盾构称为复合（混合）式盾构或复合式TBM。复合式TBM可以根据土层地质和水文条件作调整，其本质上是对开挖面支撑方式以及刀具布置、排土机构进行调整。复合式盾构的组合模式有压缩空气／敞开式、泥水式／敞开式、土压平衡式／敞开式、泥水式／土压平衡式、敞开式／泥水式／土压平衡式等。?
（6）复合式TBM的适应性较大，能用于粘结性、非粘结性、有水或无水、软土或软岩、砂卵石、硬岩等多种复杂的地层，施工速度较高，能有效的控制地表沉降。随着TBM机和辅助功能的完善与发展，如局部气压平衡系统的采用，加泥加泡沫系统的采用，以及防喷涌功能系统和保压泵碴装置的应用等，已使复合式TBM具有了十分完善的功能和先进的技术性能。?
（7）复合式TBM可以根据地层的不同特性分别采用不同的掘进模式进行开挖。在不稳定的地层中开挖时复合式TBM可以采用泥水式／土压平衡式掘进；在稳定性比较好的地层中可以采用敞开式掘进；根据实际地层的不同还可以采用半敞开式掘进，并且各种掘进模式可以灵活可靠地相互转换。通过各种工作模式的组合工作，复合式TBM机能够适应工程中的各种地段，确保安全可靠掘进。?
（8）在会展支线施工使用的复合式TBM就是可以采用敞开式、半敞开式、土压平衡式三种模式掘进的复合土压平衡式TBM。
4. 敞开式TBM与复合式TBM的比较?
4.1 工作环境不一样。?
（1）敞开式TBM一般用在岩石整体较完整，有较好的自稳性、地下水较少的硬岩及软岩地层。?
（2）复合式TBM主要用于软土地层；但随着技术的进步，通过设计选择恰当的刀盘开口率，合理的刀具布置和刀具可以根据地层软硬不同进行互换以及工作模式的转换，复合式TBM已经可适应各种地层的掘进。?
（3）从工作环境的角度来看，复合式TBM的适应性要强一些。?
4.2 支护方式不同。?
（1）敞开式TBM采用复合式衬砌。在TBM掘进的同时利用TBM设备自带的锚杆钻机、拱架安装设备及喷射混凝土等设备完成区间隧道的初期支护施工，二次衬砌在隧道开挖、初支完成，全线贯通后集中进行施工。复合式衬砌质量较好，防水效果较好。?
（2）复合式TBM采用管片衬砌。利用TBM设备自带的管片安装机安装管片，然后通过盾尾的注浆管道将砂浆注入到开挖直径和管片外径之间的环形间隙（简称超挖间隙）。实现边掘进边衬砌，隧洞贯通衬砌也完成，不过掘进与衬砌是交替进行，也不能同时并举。?
（3）从会展支线的实际情况看，由于岩层强度均在20MPa以上，有很强的自稳能力，复合式TBM掘进经过后，超挖间隙不象在软土层能及时收敛变小，使管片有较大的自由度，同时因超挖间隙收敛小，环形间隙大，同步注浆的浆液注入量大于理论注浆量，且在初凝前给管片一个上升的浮力，使得管片上浮，造成管片轴线偏位、管片间错台、管片接头部位止水条被破坏或不起作用，易发生渗漏水，需进行整治。?
（4）管片是在工厂预制，质量有保障，但因安装问题容易出现错台等现象，发生渗漏水。复合式衬砌质量较容易控制，防水效果较好。因此，从防水的角度，复合式衬砌较好，即敞开式TBM法较好。?
4.3 工期不同。?
（1）敞开式TBM采用复合式衬砌。掘进的同时完成隧道的初期支护，等隧道全线贯通后再进行二次衬砌，不能同步施工，没有有效利用时间，工期相对较长。同时在隧道较长时，初支完成后较长时间才施作二衬，存在初支垮塌的安全风险。?
（2）复合式TBM采用管片衬砌。实现边掘进边衬砌，隧洞贯通衬砌也完成，工期相对较短且无安全风险。?
（3）为了解决敞开式TBM掘进与衬砌不能同步施工、工期较长的问题，中铁十八局在中天山隧道施工中已经开发并成功地应用了敞开式 TBM掘进与二次衬砌同步施工技术，在重庆今后的敞开式TBM施工中可以引进该技术，掘进与衬砌同步施工，实现有效利用时间、缩短工期。 ?
（4）从工期上比较，一般情况下复合式TBM工期较敞开式TBM短；如果敞开式 TBM采用掘进与二次衬砌同步施工技术，工期可能与复合式TBM没有较大差别，或者比复合式TBM更快。?
4.4 灵活性不同。?
（1）敞开式TBM长度/直径≤1，灵敏度高，易精确调整方向，可在±30mm以内。盾壳较短，掘进时摩擦力较小，不易出现卡机现象。?
（2）复合式TBM盾壳较长，调整方向不易，掘进时摩擦力较大，易出现卡机现象。
5. 建议意见?
（1）虽然重庆仅在会展支线使用了复合式TBM，且工期、质量等与钻爆法相比并不明显，但国内许多城市已经使用复合式TBM用于地铁建设的事例，证明复合式TBM确实可适应各种地层的掘进，在地质条件复杂的情况下，为了保证掘进的顺利，宜优先选用复合式TBM。但在有较好的自稳性、地下水较少的硬岩及软岩地层，为了避免复合式TBM超挖间隙收敛慢、小，导致同步注浆量大、管片轴线偏位、管片错台、管片接头部位止水条被破坏或不起作用，发生渗漏水等现象，应尽量使用敞开式TBM，因为复合式衬砌质量有保障，防水效果好，如果能采用掘进与二次衬砌同步施工技术，工期也可缩短。如果选用复合式TBM，就需要认真研究分析注浆液的配比和恰当的初凝时间，控制好掘进进度，确保管片位置的稳定和接头部位的防水效果。?
（2）国内外地铁及隧道施工的大量事例已经证明敞开式TBM和复合式TBM在技术上都是成熟的技术设备，不存在孰优孰劣，关键是根据地质情况选择适当的TBM。因此，在确定具体的施工方法和施工设备前，一定要进行详细的地质勘查，根据地质情况选择适当的工法和施工设备，才能优质高效的完成建设目标。
［文章编号］1006-7619（2015）06-28-600