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摘要：随着我国经济的发展和科学技术的进步，隧道工程进一步发展和推广,已经成为解决我国交通运输问题的重要设施。支洞步进技术在盾构隧道施工中占有极其重要的位置，复合式TBM隧道掘进机在小断面支洞内步进作为一种先进的技术在隧道施工过程中发挥了巨大的作用。文章通过复合式TBM 在重庆·西部会展中心配套市政交通工程的应用实践对复合式TBM的特点及其施工技术进行了详细阐述。
关键词：复合式TBM；步进；施工技术
Abstract: with the development of our national economy and the progress of science and technology, tunnel engineering further development and promotion, has become the solution of China's transportation problem important facilities. Tunnel stepping technique in shield tunnel construction occupies an extremely important position, composite TBM tunnel boring machine in small section supporting the step as a kind of advanced technology in tunnel construction process plays an important role in. This article through the TBM hybrid in Chongqing West convention center supporting municipal traffic engineering practice of composite TBM features and construction technology are described in detail.
Key words: composite type TBM; step; construction technology
中图分类号：TU-0文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言：复合式TBM 是以传统硬岩掘进机(TBM)为基础吸取了土压平衡盾构的原理及优点后产生的一种掘进机。一般用在复合地层隧道施工，施工工艺难度较大，在实际施工中往往会遇到少部分地段采用复合式TBM施工难度大，成本高。为了规避施工风险，对不适宜使用复合式TBM施工的地段采用矿山法施工，或者需要将复合式TBM通过预先打通的隧道移动至始发位置，这样就出现了复合式TBM空推步进的施工工序，如何防止在步进施工时出现设备倾斜、地面塌陷、由于摩擦力过大无法步进等事故是施工的重点。复合式TBM在步进施工中的施工工艺问题是保证施工顺利进行的重要内容。
1.工程概况
重庆·西部会展中心配套市政交通工程，位于重庆市经开区、渝北区范围内，由礼嘉到新建城市会展中心，沿途经过礼嘉镇、黄茅坪工业园区、高义口镇、终点会展中心，全长约12.116公里，共设5座车站，分别是礼嘉东站、黄茅坪站、高义口站、会展中心站、会展中心北站，其中经开区内全长7.774公里，分设2座车站，3个区间，分别是礼嘉东站、黄茅坪站、礼嘉站～礼嘉东站区间、礼嘉东站～黄茅坪站区间、黄茅坪站～高义口站区间的一部分，工程采用隧道上下下行双车道敷设方式。本工程初步设计线路平面为“S”型，曲线半径分别为R=650m、R=700m最大纵坡为29‰，最大埋深80m，其中礼嘉站～礼嘉东站区间、礼嘉东站～黄茅坪站区间，采用4台复合式TBM通过支洞到达掌子面施工。
2.复合式TBM及工程掘进机选择
复合式TBM 是以传统硬岩掘进机(TBM)为基础吸取了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的原理及优点后产生的一种掘进机。为适应复杂多变的地质情况复合式TBM 具有灵活多样的作业模式。通常情况下的作业模式有：敞开式、半敞开式及土压平衡式。比较常用的有敞开式和土压平衡式 ，可根据开挖地层条件进行两种模式的相互转换。敞开模式主要应用于微风化的岩层或稳定性很强的硬土地层，开挖面不需要支撑，有充分的稳定性。复合式TBM 在这种地层中掘进类似于硬岩掘进机,刀盘需配备大量的滚刀，这种模式也是重庆地区采用的主要掘进模式；土压平衡模式适用于土体软弱地下水丰富且压力较大的地层。土舱内需要充满一定压力的土体才能保证开挖面的稳定。此时与一般土压平衡盾构的工作状况相似，主要应用于进出洞段的强风化岩层与地表填土地段复合式。根据具体地质情况配置适合 实际地层条件的刀盘，使滚压破岩、切削破岩可单独或混合使用，滚刀和齿刀可互换或混装。多数情况下刀盘上以滚刀为主，以保证能够顺利破岩掘进。
重庆·西部会展中心配套市政交通工程施工段线路最大深埋80m，穿越地段以砂岩与砂质泥岩层为主，沿线地下水以地层孔隙潜水与基 岩裂隙水为主。重庆·西部会展中心配套市政交通工程施工路段的地质条件采用复合式TBM进行施工。
由于隧道区间正线埋深过大，不具备通过始发井安装设备的条件，为了规避风险，按照施工组织设计，在隧道侧面距正线直线距离400米处打一条支洞，将复合式TBM通过支洞步进到始发位置。所谓支洞步进就是将复合式TBM通过外力沿着预先打通的隧道移动到目的地。
3.施工准备
3.1步进小车的准备
TBM主机步进小车根据线路高程及线路走向参照始发架加工制作而成，步进小车在始发架的底座焊接4-δ20×500钢板组成，步进小车的具体型式如图1：
图1：步进小车示意图
3.2 洞内底板的准备工作
洞内底板的准备工作主要包括：洞内底板的平整、軌枕和钢轨的铺设，为TBM主机步进小车提供平整且强度足够的滑动面，根据需要间隔一定距离对钢轨进行整体加固以便于TBM大量调向。铺设示意如图2：
图2：轨枕及钢轨铺设示意图
3.3 TBM洞外组装
见另册：TBM主机组装方案，后配套与主机之间的所有管线均不连接，待TBM主机定好位及后配套到位后再连接、调试。
3.4 TBM主机固定
TBM主机洞外组装好后准备步进前，用钢板或型钢将TBM主机壳体之间相对有活动部分焊接成一体，再用型钢I20a或A2钢板（δ20×300×300mm）每隔一定距离并按一定角度把TBM主机与始发台焊接在一起。
3.5 TBM主机步进准备
在步进小车尾部焊接两个步进支承座，在场地铺设的钢轨上根据钢轨形式加工制作两个钢轨反力座，同时准备一组2×100T的油缸以用于TBM主机步进。为便于在步进时需要把TBM主机抬起；因此，在TBM主机两侧需焊接4个100T油缸支撑座，并准备4个100T油缸，在需要时把TBM主机顶升抬起。推、顶TBM前进的液压泵站放置在盾尾内或步进油缸与盾尾之间，同时准备8根足够长的高压油管（并配置备用油管）。示意如图3：
图3：TBM主机顶升和步进
4.步进阶段的施工
4.1步进阶段施工方案
复合式TBM段全长5230m（含礼嘉-平场、平场-黄茅坪2个区间），投入4台复合式TBM施工，复合式TBM采用支洞步进在正线始发,有轨运输出碴进料。1号、2号复合式TBM由1号施工支洞步进进入正线，从平场站站前始发向礼嘉方向掘进，掘进至礼嘉站站前竖井调出；3号、4号复合式TBM由3号施工支洞步进进入正线，从平场站站后始发向黄茅坪方向掘进，掘进至黄茅坪站在站后竖井调出。施工支洞采用钻爆施工，无轨运输出碴。礼嘉站复合式TBM调出井采用爆破法施工，竖井出碴，黄茅坪站复合式TBM调出井采用爆破法施工，钻孔漏碴。
区间隧道采用C50钢筋砼管片，管片外径6m，内径5.4m，每环长度1.5m，由六片管片组成。抗渗标号为S10，标准环由封顶块（XK）、邻接块（XL1）、邻接块（XL2）、标准块（XB1）、（XB2）、（XB3）及转弯环构成。纵、环向均采用M27螺栓连接，衬砌接缝防水采用遇水膨胀橡胶和三元乙丙橡胶制成的弹性密封垫，采用错缝拼装方式。
复合式TBM施工段示意图
4.2 TBM主机步进
先把TBM主机后面的2个油缸油缸及反力座安装好，再把泵站、油管及油缸安装好，启动泵站依次开启两边的步进油缸，使油缸伸出顶紧步进小车上的步进挡板，根据线路曲线走向控制油缸伸缩速度及伸缩量，以便于TBM主机沿设计轨线进行前进。
4.3 TBM主机步进过程中的纠偏
步进过程中TBM主机偏离预计中心线是不可避免的，重要的是及时发现，并及时纠正。经平时的总结及现场的具体情况，纠偏的方法主要有以下三种方法：
第一种：利用单边的步进油缸在步进过程中纠偏，这种方法只适合偏移量较小时。
第二种：利用步进油缸在小车的前后两端对角顶推小车以改变小车方向，顶推前需对小车移动范围内的轨枕及钢轨进行固定和加固，以防止钢轨侧翻。
第三种：在TBM主机侧面用千斤顶纠偏，利用边墙提供反力在TBM主机侧面用千斤顶推步进小车进行纠偏，顶推前需对小车移动范围内的轨枕及钢轨进行固定和加固，以提供足够的轨枕与地面摩擦力。若顶推力过大则可在小车与钢轨接触的范围涂抹黄油以减小摩擦力。
总之，在具体操作时可将第一、二种方法结合使用，如果第一、二种方法达不到纠偏目的时，可用第三种方法。
4.4后备套步进
4.4.1后配套步进轨道及轨枕
在主机步进时所设计轨枕宽度及铺设钢轨的尺寸均满足后配套拖车及电瓶车通过尺寸，故后配套拖车钢轨不需再行铺设，只需加铺电瓶车钢轨即可，铺设如示意图4：
图4：电瓶车及拖车钢轨铺设示意图
4.4.2后配套设备步进
电瓶车轨道铺设完成后，开始后配套设备的步进工作。在1#拖车上焊接加装一个横梁用于牵引设备的连接点，利用现场电瓶机车直接牽引整个后配套系统向前移动到所需位置。
5．施工质量及技术要求
5.1严格按照TBM步进相关的施工技术、安全交底进行施工。
5.2在安装、焊接步进小车时要严格按照相关的规范要求施工，确保小车质量。
5.3液压千斤顶的安装要符合施工要求，确保安装质量。
5.4步进轨枕及钢轨加固型钢位置要严格控制，尽量与线路法线平行。
5.5要保证油缸座的安装位置和焊接质量。
5.6TBM主机到始发位置的放点和准确到达、定位。
5.7步进轨枕及钢轨铺设严格按照交底施工，并必须经现场值班工程师检查确认。
6.步进相关推力计算
6.1 TBM推力、阻力计算
6.1.1 TBM主机重量确定
根据TBM设计初步参数，当主机全部组装好之后总重约300T左右，外加步进小车及钢板约20T，则需总推进重量取G=320T。
6.1.2TBM步进阻力
TBM主机步进阻力按下式计算：
f =μNcosθ
式中：μ--动摩擦因数，钢与钢之间的摩擦系数无润滑0.15
N--为正压力
θ—坡度夹角，此方案中tanθ=0.002
则理论推力为：
f =μNcosθ=0.15×320×0.999=48.25T
实际推进过程中，因为钢板的变形等原因造成磨擦力的增加，按安全系数1.5考虑，则：f实际=48.25×1.5=72.38T
6.1.3 推进油缸选择
根据现场实际步进距离较远，且线路曲线半径较小，为减少油缸的移动次数及调向，故液压油缸的伸缩长度相应的就要加大，此处取油缸伸缩量为1000mm。
根据以上计算可知，选择2个100T油缸，满足推力要求。
6.2 TBM主机顶升力计算
6.2.1 TBM主机重量确定
根据TBM设计初步参数，当主机全部组装好之后总重约300T左右，外加步进小车及钢板约20T，则需总推进重量取G=320T。
6.2.2 顶升油缸选择
根据现场实际步进情况，底部钢板移动前只要满足上面的重物不接触就可以移动的要求，故顶升油缸的伸缩长度要求不大，此处取油缸伸缩量为200mm。考虑顶升主机时的平衡和重量，故选择四根油缸同时顶升TBM主机进行换步。
根据以上的分析可知，选择4个100T油缸，满足顶升要求。
7.做好隧道保护工作
做好隧道的保护工作需要从两点入手，一是测量点的保护，二是预埋件的保护。如果在横洞底板范围内有测量控制点，测量组应根据现场情况进行保护或转点，并安排专人跟踪加强对测量控制点的保护。
结论：结合重庆•西部会展中心配套市政交通工程复合式TBM支洞步进施工，通过理论分析、现场试验、对比分析等方法，针对复合式TBM在成型隧道内步进面临的各种难点问题和关键技术的研究，形成了方法简单、成本低廉、安全可靠的复合式TBM步进施工技术及工艺，对今后类似工程具有十分重要的指导意义，值得推广运用。
参考文献：
[1]李孝荣.盾构工法的进洞技术浅谈[J].现代隧道技术，2003，（04）
[2]张泰.复合式TBM地下整体组装始发井浅谈[J].科技交流，2001，（01）
[3]周文波,丁志诚.泥水平衡盾构穿越冻结加固区施工技术[J].地下空间, 1998,(05)
关键词：复合式TBM；步进；施工技术
Abstract: with the development of our national economy and the progress of science and technology, tunnel engineering further development and promotion, has become the solution of China's transportation problem important facilities. Tunnel stepping technique in shield tunnel construction occupies an extremely important position, composite TBM tunnel boring machine in small section supporting the step as a kind of advanced technology in tunnel construction process plays an important role in. This article through the TBM hybrid in Chongqing West convention center supporting municipal traffic engineering practice of composite TBM features and construction technology are described in detail.
Key words: composite type TBM; step; construction technology
中图分类号：TU-0文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
前言：复合式TBM 是以传统硬岩掘进机(TBM)为基础吸取了土压平衡盾构的原理及优点后产生的一种掘进机。一般用在复合地层隧道施工，施工工艺难度较大，在实际施工中往往会遇到少部分地段采用复合式TBM施工难度大，成本高。为了规避施工风险，对不适宜使用复合式TBM施工的地段采用矿山法施工，或者需要将复合式TBM通过预先打通的隧道移动至始发位置，这样就出现了复合式TBM空推步进的施工工序，如何防止在步进施工时出现设备倾斜、地面塌陷、由于摩擦力过大无法步进等事故是施工的重点。复合式TBM在步进施工中的施工工艺问题是保证施工顺利进行的重要内容。
1.工程概况
重庆·西部会展中心配套市政交通工程，位于重庆市经开区、渝北区范围内，由礼嘉到新建城市会展中心，沿途经过礼嘉镇、黄茅坪工业园区、高义口镇、终点会展中心，全长约12.116公里，共设5座车站，分别是礼嘉东站、黄茅坪站、高义口站、会展中心站、会展中心北站，其中经开区内全长7.774公里，分设2座车站，3个区间，分别是礼嘉东站、黄茅坪站、礼嘉站～礼嘉东站区间、礼嘉东站～黄茅坪站区间、黄茅坪站～高义口站区间的一部分，工程采用隧道上下下行双车道敷设方式。本工程初步设计线路平面为“S”型，曲线半径分别为R=650m、R=700m最大纵坡为29‰，最大埋深80m，其中礼嘉站～礼嘉东站区间、礼嘉东站～黄茅坪站区间，采用4台复合式TBM通过支洞到达掌子面施工。
2.复合式TBM及工程掘进机选择
复合式TBM 是以传统硬岩掘进机(TBM)为基础吸取了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的原理及优点后产生的一种掘进机。为适应复杂多变的地质情况复合式TBM 具有灵活多样的作业模式。通常情况下的作业模式有：敞开式、半敞开式及土压平衡式。比较常用的有敞开式和土压平衡式 ，可根据开挖地层条件进行两种模式的相互转换。敞开模式主要应用于微风化的岩层或稳定性很强的硬土地层，开挖面不需要支撑，有充分的稳定性。复合式TBM 在这种地层中掘进类似于硬岩掘进机,刀盘需配备大量的滚刀，这种模式也是重庆地区采用的主要掘进模式；土压平衡模式适用于土体软弱地下水丰富且压力较大的地层。土舱内需要充满一定压力的土体才能保证开挖面的稳定。此时与一般土压平衡盾构的工作状况相似，主要应用于进出洞段的强风化岩层与地表填土地段复合式。根据具体地质情况配置适合 实际地层条件的刀盘，使滚压破岩、切削破岩可单独或混合使用，滚刀和齿刀可互换或混装。多数情况下刀盘上以滚刀为主，以保证能够顺利破岩掘进。
重庆·西部会展中心配套市政交通工程施工段线路最大深埋80m，穿越地段以砂岩与砂质泥岩层为主，沿线地下水以地层孔隙潜水与基 岩裂隙水为主。重庆·西部会展中心配套市政交通工程施工路段的地质条件采用复合式TBM进行施工。
由于隧道区间正线埋深过大，不具备通过始发井安装设备的条件，为了规避风险，按照施工组织设计，在隧道侧面距正线直线距离400米处打一条支洞，将复合式TBM通过支洞步进到始发位置。所谓支洞步进就是将复合式TBM通过外力沿着预先打通的隧道移动到目的地。
3.施工准备
3.1步进小车的准备
TBM主机步进小车根据线路高程及线路走向参照始发架加工制作而成，步进小车在始发架的底座焊接4-δ20×500钢板组成，步进小车的具体型式如图1：
图1：步进小车示意图
3.2 洞内底板的准备工作
洞内底板的准备工作主要包括：洞内底板的平整、軌枕和钢轨的铺设，为TBM主机步进小车提供平整且强度足够的滑动面，根据需要间隔一定距离对钢轨进行整体加固以便于TBM大量调向。铺设示意如图2：
图2：轨枕及钢轨铺设示意图
3.3 TBM洞外组装
见另册：TBM主机组装方案，后配套与主机之间的所有管线均不连接，待TBM主机定好位及后配套到位后再连接、调试。
3.4 TBM主机固定
TBM主机洞外组装好后准备步进前，用钢板或型钢将TBM主机壳体之间相对有活动部分焊接成一体，再用型钢I20a或A2钢板（δ20×300×300mm）每隔一定距离并按一定角度把TBM主机与始发台焊接在一起。
3.5 TBM主机步进准备
在步进小车尾部焊接两个步进支承座，在场地铺设的钢轨上根据钢轨形式加工制作两个钢轨反力座，同时准备一组2×100T的油缸以用于TBM主机步进。为便于在步进时需要把TBM主机抬起；因此，在TBM主机两侧需焊接4个100T油缸支撑座，并准备4个100T油缸，在需要时把TBM主机顶升抬起。推、顶TBM前进的液压泵站放置在盾尾内或步进油缸与盾尾之间，同时准备8根足够长的高压油管（并配置备用油管）。示意如图3：
图3：TBM主机顶升和步进
4.步进阶段的施工
4.1步进阶段施工方案
复合式TBM段全长5230m（含礼嘉-平场、平场-黄茅坪2个区间），投入4台复合式TBM施工，复合式TBM采用支洞步进在正线始发,有轨运输出碴进料。1号、2号复合式TBM由1号施工支洞步进进入正线，从平场站站前始发向礼嘉方向掘进，掘进至礼嘉站站前竖井调出；3号、4号复合式TBM由3号施工支洞步进进入正线，从平场站站后始发向黄茅坪方向掘进，掘进至黄茅坪站在站后竖井调出。施工支洞采用钻爆施工，无轨运输出碴。礼嘉站复合式TBM调出井采用爆破法施工，竖井出碴，黄茅坪站复合式TBM调出井采用爆破法施工，钻孔漏碴。
区间隧道采用C50钢筋砼管片，管片外径6m，内径5.4m，每环长度1.5m，由六片管片组成。抗渗标号为S10，标准环由封顶块（XK）、邻接块（XL1）、邻接块（XL2）、标准块（XB1）、（XB2）、（XB3）及转弯环构成。纵、环向均采用M27螺栓连接，衬砌接缝防水采用遇水膨胀橡胶和三元乙丙橡胶制成的弹性密封垫，采用错缝拼装方式。
复合式TBM施工段示意图
4.2 TBM主机步进
先把TBM主机后面的2个油缸油缸及反力座安装好，再把泵站、油管及油缸安装好，启动泵站依次开启两边的步进油缸，使油缸伸出顶紧步进小车上的步进挡板，根据线路曲线走向控制油缸伸缩速度及伸缩量，以便于TBM主机沿设计轨线进行前进。
4.3 TBM主机步进过程中的纠偏
步进过程中TBM主机偏离预计中心线是不可避免的，重要的是及时发现，并及时纠正。经平时的总结及现场的具体情况，纠偏的方法主要有以下三种方法：
第一种：利用单边的步进油缸在步进过程中纠偏，这种方法只适合偏移量较小时。
第二种：利用步进油缸在小车的前后两端对角顶推小车以改变小车方向，顶推前需对小车移动范围内的轨枕及钢轨进行固定和加固，以防止钢轨侧翻。
第三种：在TBM主机侧面用千斤顶纠偏，利用边墙提供反力在TBM主机侧面用千斤顶推步进小车进行纠偏，顶推前需对小车移动范围内的轨枕及钢轨进行固定和加固，以提供足够的轨枕与地面摩擦力。若顶推力过大则可在小车与钢轨接触的范围涂抹黄油以减小摩擦力。
总之，在具体操作时可将第一、二种方法结合使用，如果第一、二种方法达不到纠偏目的时，可用第三种方法。
4.4后备套步进
4.4.1后配套步进轨道及轨枕
在主机步进时所设计轨枕宽度及铺设钢轨的尺寸均满足后配套拖车及电瓶车通过尺寸，故后配套拖车钢轨不需再行铺设，只需加铺电瓶车钢轨即可，铺设如示意图4：
图4：电瓶车及拖车钢轨铺设示意图
4.4.2后配套设备步进
电瓶车轨道铺设完成后，开始后配套设备的步进工作。在1#拖车上焊接加装一个横梁用于牵引设备的连接点，利用现场电瓶机车直接牽引整个后配套系统向前移动到所需位置。
5．施工质量及技术要求
5.1严格按照TBM步进相关的施工技术、安全交底进行施工。
5.2在安装、焊接步进小车时要严格按照相关的规范要求施工，确保小车质量。
5.3液压千斤顶的安装要符合施工要求，确保安装质量。
5.4步进轨枕及钢轨加固型钢位置要严格控制，尽量与线路法线平行。
5.5要保证油缸座的安装位置和焊接质量。
5.6TBM主机到始发位置的放点和准确到达、定位。
5.7步进轨枕及钢轨铺设严格按照交底施工，并必须经现场值班工程师检查确认。
6.步进相关推力计算
6.1 TBM推力、阻力计算
6.1.1 TBM主机重量确定
根据TBM设计初步参数，当主机全部组装好之后总重约300T左右，外加步进小车及钢板约20T，则需总推进重量取G=320T。
6.1.2TBM步进阻力
TBM主机步进阻力按下式计算：
f =μNcosθ
式中：μ--动摩擦因数，钢与钢之间的摩擦系数无润滑0.15
N--为正压力
θ—坡度夹角，此方案中tanθ=0.002
则理论推力为：
f =μNcosθ=0.15×320×0.999=48.25T
实际推进过程中，因为钢板的变形等原因造成磨擦力的增加，按安全系数1.5考虑，则：f实际=48.25×1.5=72.38T
6.1.3 推进油缸选择
根据现场实际步进距离较远，且线路曲线半径较小，为减少油缸的移动次数及调向，故液压油缸的伸缩长度相应的就要加大，此处取油缸伸缩量为1000mm。
根据以上计算可知，选择2个100T油缸，满足推力要求。
6.2 TBM主机顶升力计算
6.2.1 TBM主机重量确定
根据TBM设计初步参数，当主机全部组装好之后总重约300T左右，外加步进小车及钢板约20T，则需总推进重量取G=320T。
6.2.2 顶升油缸选择
根据现场实际步进情况，底部钢板移动前只要满足上面的重物不接触就可以移动的要求，故顶升油缸的伸缩长度要求不大，此处取油缸伸缩量为200mm。考虑顶升主机时的平衡和重量，故选择四根油缸同时顶升TBM主机进行换步。
根据以上的分析可知，选择4个100T油缸，满足顶升要求。
7.做好隧道保护工作
做好隧道的保护工作需要从两点入手，一是测量点的保护，二是预埋件的保护。如果在横洞底板范围内有测量控制点，测量组应根据现场情况进行保护或转点，并安排专人跟踪加强对测量控制点的保护。
结论：结合重庆•西部会展中心配套市政交通工程复合式TBM支洞步进施工，通过理论分析、现场试验、对比分析等方法，针对复合式TBM在成型隧道内步进面临的各种难点问题和关键技术的研究，形成了方法简单、成本低廉、安全可靠的复合式TBM步进施工技术及工艺，对今后类似工程具有十分重要的指导意义，值得推广运用。
参考文献：
[1]李孝荣.盾构工法的进洞技术浅谈[J].现代隧道技术，2003，（04）
[2]张泰.复合式TBM地下整体组装始发井浅谈[J].科技交流，2001，（01）
[3]周文波,丁志诚.泥水平衡盾构穿越冻结加固区施工技术[J].地下空间, 1998,(05)