安伊高铁BT26号隧道单护盾TBM洞口段施工技术

安伊高铁BT26号隧道单护盾TBM洞口段施工技术
刘知义
【摘要】土耳其安伊高速铁路二期第二标段BT26号隧道根据地质条件,选用单护盾TBM进行施工.介绍单护盾TBM通过洞口段约500 m不良地质采取的施工方法,以供类似工程借鉴.
【期刊名称】《铁道建筑技术》
【年(卷),期】2013(000)003
【总页数】3页(P14-16)
【关键词】单护盾;TBM;洞口段;软弱围岩
【作者】刘知义
【作者单位】中国土木工程集团有限公司北京100038
【正文语种】中文
【中图分类】U455.43
1 工程概况
土耳其安伊高速铁路是连接土耳其首都安卡拉和其最大城市伊斯坦布尔之间的快速通道，也是土耳其规划的东西高速铁路的重要一段，全长533 km。

项目分三期开发，其中第一期安卡拉—埃斯基谢希尔长250 km已建成通车;二期工程位于首都安卡拉至伊斯坦布尔中段，线路全长147 km。

二期分两个标段，其中第一标段93 km;第二标段全长54 km。

线路基本沿既有线走向，设计为双线，设计速度为
250 km/h，采用客货混跑、高速与低速混跑的运输模式，为跨区间无缝线路。

BT26号隧道全长6 100 m。

整座隧道设计坡度为2.25%的上坡，为第二标段工期控制性工程。

隧道穿过地层主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩。

其中进口洞口段约500 m
主要为松散石墨片岩，岩层裂隙极为发育，呈碎块状，围岩稳定性较差，隧道开挖拱部易塌方，侧壁易失稳，约相当国内铁路Ⅳ类围岩。

该段埋深30～60 m，最浅埋深仅为6 m。

BT26号隧道于2009年9月底采用常规钻爆法从进口开始进洞施工，到2010年
2月底掘进上半断面297 m。

施工过程中围岩量测发现开挖后隧道围岩变形超限
严重，大部分地段侵入二次衬砌限界30 cm以上。

隧道拱顶及两侧需要重新扩挖，扩挖速度十分缓慢，每天只能进约1 m，该隧道将严重影响项目的整体工期。

为
确保项目于2013年年底建成，业主建议和支持承包商考虑采用TBM进行施工，以加快施工进度。

因该隧道整体地质情况差，无可争议的选用了单护盾TBM施工。

经设备选型比选采用德国海瑞克公司产Her-renknecht S-627单护盾TBM施工(国内一般称为盾构)。

该设备开挖最大直径13.77 m，带土压平衡，螺旋输送机出碴，碴用皮带机运出洞外。

衬砌采用钢筋混凝土预制管片，采用7+1模式，每环
8片，管片厚度45 cm，每环2 m，衬砌内径12.5 m，管片采用C45混凝土。

2 洞口段施工方法
2.1 掘进前的洞口段处理
首先需按照TBM开挖的设计断面对上半断面已开挖的297 m隧道进行扩挖。

扩
挖有2个方案可以选取:一是对整个断面进行扩挖;另一种方法是只扩挖上半断面，下半断面留给TBM来开挖。

因开挖断面大，TBM开挖直径是13.77 m，扩挖考
虑围岩变形及初期支护需扩挖至直径约14.6 m，这么大的断面必须保证开挖和初
期支护圆顺，而且必须保证开挖后仰拱初期支护能承受TBM的重量，否则TBM
步进时将破坏初期支护的仰拱混凝土，引起隧道侧壁及拱顶坍塌，致使TBM无法
前进，所以最终选用了只扩挖上半断面的开挖方法。

上半断面扩挖直径采用14.6 m，扩挖后挂网喷射混凝土封闭，安装I 200钢拱架，每米一榀，再挂网喷锚，最终混凝土喷射总厚度为30 cm，确保拱顶的稳定。

2.2 进洞施工方案
施工进洞采用TBM在洞外进行组装，安装反力架为TBM提供反力将TBM推进
洞内。

TBM安装基础及反力架基础在TBM组装前已施工完毕，TBM主要部件组装完毕后安装反力架。

反力架主架采用600工字钢制作。

TBM设备组装及调试完毕后利用反力架在洞外开始拼装衬砌预制管片，通过反力架及衬砌预制管片为TBM向洞内步进提供反力推进洞内。

2.3 掘进遇到的问题
TBM进洞掘进约10 m发现前部刀盘及护盾开始下沉，调整不了TBM的掘进纵
向坡度。

对下沉原因进行了分析:一是围岩太软，遇水软化，TBM的重量集中在前部刀盘上，隧道仰拱承载不了TBM的重量，引起前部下沉;二是因掘进面上半断面已开挖，刀盘受力不均匀，TBM掘进时刀盘只有下半断面受力，引起TBM前部
下沉;三是掘进时推进油缸顶在后方拼装完毕的衬砌管片上，获得掘进推力，如果
上半断面的油缸和下半断面的油缸同时给TBM前进推力，则引起TBM刀盘前倾
而下沉。

如果上半断面的油缸不用力，只有下半断面的油缸给TBM前进推力，或者上下用力相差悬殊，都将引起衬砌管片变形移位。

施工立即采取加大掘进前方仰拱的超前注浆量，以增加仰拱的地基承载力，以此来调整掘进坡度。

又向前掘进了20 m，TBM前部继续下沉，掘进的坡度已变为－2%。

无法用注浆加固来等措施来调整TBM的掘进坡度，掘进被迫暂停。

经分析
如果不借助外力是很难调整TBM掘进的坡度。

2.4 掘进坡度调整
经反复考虑决定在TBM进洞使用的反力架上拱顶下约1 m的位置线路中线两侧分
别安装2个张拉千斤顶支座，2个千斤顶支座的距离约为4 m。

同时在TBM刀盘架上部相应位置焊接拉钩连接锚具，每套锚具锚固10根φ15.2 mm的低松弛高
强度钢绞线。

千斤顶支座安装位置见图1。

图1 千斤顶支座安装位置(单位:mm)
2.4.1 钢绞线长度及数量确定
洞口段浅埋及软弱围岩段长约500 m，此段TBM掘进坡度难以保证，因此决定选用钢绞线长度为500 m。

洞口段已采用钻爆法开挖上半断面297 m，洞口段地质
情况复杂，计算张拉力比较困难，只能用试验的方法来确定张拉力及钢绞线数量。

为安全考虑，首先选用150 m长钢绞线20根进行试验。

2.4.2 千斤顶张拉力确定
初期坡度调整张拉力最大200 t应该足够，随着掘进长度的增加，张拉力需要增加，为了保留一定的富余量，因此选用200 t张拉千斤顶4个，千斤顶行程为60 cm。

2.4.3 坡度调整
坡度调整4个千斤顶分为2组，分别固定在反力架千斤顶左右支座上。

两个千斤
顶前后串联，间距1 m，钢绞线穿过2个千斤顶后分别锚固到刀盘架上的锚具上。

张拉时左右分别有1个千斤顶工作，掘进时2个千斤顶各使用张拉力100～150 t 对TBM掘进坡度进行调整。

为保证衬砌管片的连接平顺，考虑在100 m范围内
将坡度从当前的－2%调整到2.25%，而且将TBM调整到位。

由于钢绞线安装时
有一定的松弛度及张拉后将伸长，因此先将钢绞线锚固到后面的千斤顶上进行张拉，如果张拉到千斤顶全部行程后千斤顶的张拉力不足100 t，将钢绞线锚固到前面的千斤顶上，后面的千斤顶稍回缩，前面的千斤顶的钢绞线即锚固。

前面的2个千
斤顶开始张拉至100 t后，TBM开始掘进，此时千斤顶的张拉力各为100 t。

随
着TBM的掘进，千斤顶的张拉力慢慢加大，钢绞线被拉长，TBM的掘进坡度慢
慢向上调整，当千斤顶的张拉力达到150 t时，千斤顶操作手将千斤顶慢慢往回调，
回调时千斤顶的张拉力保持在100 t至150 t之间。

TBM掘进过程中将后面的千
斤顶调到距最大行程约10 cm，前面的千斤顶行程回调到距最小行程10 cm时，安装后面千斤顶钢绞线的锚夹具，安装完后前面的千斤顶继续回调，此时钢绞线锚固在后面的千斤顶上，前面的千斤顶快速回调然后松开锚夹具。

TBM继续掘进，
后面的千斤顶回调保证张拉力在100至150 t之间。

如此反复循环至TBM掘进2 m后，开始管片衬砌，此时TBM的掘进坡度已调整为－1.80%。

完成管片衬砌后，TBM进入下一循环。

第二循环以后，每一循环TBM掘进坡度调回0.2%，到第
25循环TBM掘进坡度调整为2.8%，此时测量TBM距设计高程差23.2 cm，需
继续调整。

TBM以2.8%的坡度继续掘进40 m后将坡度进行慢慢回调，至掘进
50 m时此时TBM掘进坡度及高度调整到位，此时TBM坡度调整范围达到100 m。

根据现场实测，一般情况下，2个千斤顶张拉力大约为60～100 t时，TBM能保
证按既有坡度掘进不下沉;当2个千斤顶的张拉力为大于100 t时，TBM能对坡度进行调整。

同时调整需求的张拉力随隧道地质等情况变化上下波动，但最大张拉力不超过150 t。

2.5 TBM 步进
TBM掘进坡度调整完成后，为加快施工进度，掘进采用一组2个千斤顶张拉，另
一组2个千斤顶备用，使掘进可以连续作业。

为保证张拉时不偏心太多，在拱顶
下1 m位置左右线路中线两侧另安装2个张拉千斤顶支座，两千斤顶支座的距离
约为1 m(见图1)。

同时在TBM刀盘架上锚具位置做相应调整。

因为原使用的钢
绞线长度不够，将150 m长钢绞线更换为500 m长的钢绞线。

在衬砌的预制管片相应位置每隔20 m安装一个支架用以托放钢绞线，以保证钢绞线顺直。

钢绞线安装完成后，TBM按照设计坡度和方向继续掘进。

掘进方法和坡度调整方法相同，
千斤顶张拉力根据需要进行调整，现场实测一般在100～150 t之间。

3 结束语
BT26号隧道TBM施工虽然已顺利通过洞口段不良地质，但目前仅完成开挖及预
制管片衬砌1 050 m，远未达到预期的施工速度。

为抢工期，B26号隧道TBM上场仓促，施工风险分析不足。

根据地质勘察结论，并参照国内外TBM隧洞的施工经验，BT26号隧洞TBM施工还将遇到如下3类地质风险:
(1)穿越地质构造带的风险。

掘进前方有约50 m宽的断层，TBM在断层破碎带、褶皱带中掘进，往往会出现塌方、掘进方向难以控制、设计坡度难以保证、突发涌水涌泥等问题，导致无法正常施工。

(2)软岩大变形风险。

该隧道TBM将穿越基本上都是石墨片岩、绿泥石片岩等软弱围岩，隧道最大埋深达300余m，在高地应力背景下，这此岩类有可能发生较大
收敛变形，导致TBM卡机、预制管片衬砌破坏，严重时危及施工安全。

(3)地面塌陷风险。

隧道出口端浅埋地段超过1.5 km，浅埋地段将3次穿越KARASU河及2次穿越高速公路，隧道埋深都少于30 m。

这么小的埋深，洞顶
是河流冲积层，当TBM刀盘开挖时，其巨大截割力将扰动洞顶围岩，造成刀盘前方坍塌。

根据浅埋段的地质情况，需要进行预加固，单护盾TBM作业环境受到严重限制，将影响施工速度。

确定TBM的型式，仅是解决问题的第一步。

为保证TBM对工程具体条件的适应性，关键是要通过对施工风险进行详细分析，对TBM设备的功能和性能进行规划，使其具备风险应对能力。