盾構(gòu)機(jī)空推過(guò)礦山法段地鐵隧道施工技術(shù)

王春河

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083；2.中鐵六局集團(tuán)有限公司,北京 100036)

1 概述

城市地鐵通常為淺埋隧道,且穿越路線(xiàn)為城市繁華地段,上覆建筑物多、人口密集、交通繁忙,所以通常采用盾構(gòu)法施工以減少對(duì)地面影響。然而在開(kāi)挖過(guò)程中若遇到硬巖、孤石群或長(zhǎng)距離上軟下硬地段時(shí),仍采用盾構(gòu)法施工將會(huì)加速刀具磨損、降低掘進(jìn)速度,頻繁更換刀具將使人工成本及工程成本不斷上升,且施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大,對(duì)工程整體進(jìn)度產(chǎn)生影響。故在此類(lèi)地段可以考慮礦山法與盾構(gòu)法相結(jié)合進(jìn)行施工。如深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)某標(biāo)段,設(shè)計(jì)勘察過(guò)程中揭示隧道通過(guò)巖層巖性為基巖隆起和孤石群段,擬定施工方案即采用礦山法與盾構(gòu)法相結(jié)合進(jìn)行,以加快施工進(jìn)度。盾構(gòu)機(jī)由盾構(gòu)段進(jìn)入已開(kāi)挖好的礦山段是采用這種施工方案需要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題,結(jié)合深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)工程實(shí)際情況,對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中前方遇孤石群和基巖隆起的情況進(jìn)行分析,提出有效施工方案,為國(guó)內(nèi)地鐵施工提供一定技術(shù)支持。

2 工程概況

盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)為2條內(nèi)徑5.4 m的單線(xiàn)隧道,左右線(xiàn)線(xiàn)間距為13～18 m。盾構(gòu)區(qū)間右線(xiàn)設(shè)計(jì)里程范圍為YDK13+304.7～YDK14+237.85,全長(zhǎng)954.732 m。其中YDK13+304.7～YDK14+015為純盾構(gòu)法施工,長(zhǎng)710.294 m；YDK14+015～YDK14+237.85為礦山法開(kāi)挖+錨噴初支+管片襯砌的復(fù)合施工方法施工,長(zhǎng)244.438 m。隧道埋深7～21 m。盾構(gòu)區(qū)間右線(xiàn)采用1臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn),盾構(gòu)機(jī)由地鐵紅樹(shù)灣站東端始發(fā),沿東北向下穿白石三道、白石路、歡樂(lè)海岸到達(dá)區(qū)間豎井吊出。

根據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)鉆探資料顯示,隧道設(shè)計(jì)線(xiàn)路通過(guò)地層自上而下主要為素填土層、填石層、礫砂層、淤泥質(zhì)黏土層、礫質(zhì)黏土層、全(強(qiáng))風(fēng)化花崗巖；盾構(gòu)穿越地層主要為礫砂層、礫質(zhì)黏土層；盾構(gòu)與暗挖段接口上部為礫質(zhì)黏土層,下部為全風(fēng)化花崗巖。礦山法隧道開(kāi)挖前經(jīng)過(guò)注漿加固,初支后側(cè)壁穩(wěn)定,地表基本穩(wěn)定。

3 施工方案探討

3.1 施工總體思路

施工方案總體設(shè)計(jì)思路為紅世區(qū)間采用礦山法開(kāi)挖+錨噴初支+管片襯砌的復(fù)合施工方法,即先采用礦山法施工隧道初支,然后再利用盾構(gòu)拼裝管片空推通過(guò)礦山法隧道,空推的同時(shí)由盾構(gòu)拼裝管片形成礦山法隧道的二襯,二襯和初支之間的孔隙采用粒徑小于10 mm的碎石(細(xì)石)填充,然后注漿填充碎石間的空隙,最終由注漿體和管片共同構(gòu)成礦山法隧道的二襯。

3.2 盾構(gòu)前方堆土作用力計(jì)算

礦山法隧道施工完成后,盾構(gòu)過(guò)境采用空推工況下進(jìn)行管片拼裝,盾構(gòu)正面無(wú)土壓力作用,易造成管片環(huán)縫間隙較大,粘貼在管片上的三元乙丙橡膠止水條達(dá)不到最低的壓縮量,隧道防水效果不佳。為確保盾構(gòu)管片防水質(zhì)量,擬在礦山法隧道施工完成后在隧道內(nèi)堆填土體,以提供盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的反力。

由于隧道是礦山法先行開(kāi)挖支護(hù)后,在刀盤(pán)前方回填渣土以提供反力,所以按全部松土壓力作用于刀盤(pán)面板上,并且在礦山法開(kāi)挖支護(hù)后基本上沒(méi)有水作用于盾體。刀盤(pán)前方依次全斷面填土15 m,下半斷面填土10 m,則盾構(gòu)機(jī)的反作用力計(jì)算如下。

(1)推進(jìn)時(shí)混凝土導(dǎo)臺(tái)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的摩擦阻力

F1=μ摩·Wg=0.3×3 430=1 029kN

式中，Wg為盾構(gòu)及附屬物總重，取3 430kN；μ摩為摩擦系數(shù)，取0.3。

(2)回填土受到的摩擦阻力

2 087.66kN

式中，L為回填渣土的長(zhǎng)度,取15m；K為土的松散系數(shù)；γ土取18.6kN/m3。

(3)盾構(gòu)支撐土體所受的軸向阻力

681.21 kN

式中，Kg為土的側(cè)壓力系數(shù)。

(4)盾尾刷與管片之間的摩擦阻力(以2環(huán)管片計(jì)算)

F4=μ摩·2W管=0.5×2×200=200kN

其中，每環(huán)管片W管取200kN。

(5)后配套臺(tái)車(chē)的牽引阻力

F5=μ摩·W拖=0.5×1 700=850 kN

因此,土壓平衡掘進(jìn)時(shí)提供盾構(gòu)反作用力總計(jì)為

F=F1+F2+F3+F4+F5=4 847.87 kN>止水條擠壓力3 000 kN。故前方堆土滿(mǎn)足止水效果要求。

3.3 施工準(zhǔn)備

盾構(gòu)和礦山法隧道的分界面地表為空地,但是礦山法隧道開(kāi)挖及左線(xiàn)隧道掘進(jìn)過(guò)程中由于地層失水已經(jīng)導(dǎo)致鄰近建(構(gòu))筑物開(kāi)裂,所以盾構(gòu)機(jī)應(yīng)盡可能平穩(wěn)、安全地進(jìn)入暗挖空推段,降低地層二次擾動(dòng),保證地表安全。因此要提前做好空推準(zhǔn)備工作。首先礦山法段開(kāi)挖完成后,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)與礦山法分界面端頭墻和盾構(gòu)空推導(dǎo)臺(tái)的施工,復(fù)測(cè)礦山法段斷面情況,監(jiān)測(cè)暗挖段拱頂沉降量,檢查端頭墻洞門(mén)尺寸,確保凈空。待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求90%時(shí),在隧道內(nèi)依次從盾構(gòu)與礦山法分界面往豎井方向填土,在靠近端頭墻端15 m范圍內(nèi)采用全斷面隧道填土且前5 m的渣土要夯實(shí)。15 m至豎井地段采用半斷面隧道填土。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入暗挖空推前50 m時(shí)測(cè)定管片姿態(tài),人工測(cè)量檢查盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),校正VMT測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng),測(cè)定盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)偏差,開(kāi)始糾偏。在此段進(jìn)行二次注漿,保證二次注漿效果,穩(wěn)定管片姿態(tài),確保VMT導(dǎo)向系統(tǒng)能精確、高效工作,保證盾構(gòu)機(jī)能準(zhǔn)確安全進(jìn)入暗挖空推段隧道。

3.4 盾構(gòu)與暗挖空推段接口處理

礦山法隧道開(kāi)挖完成后,在端頭墻位置水平放置玻璃纖維筋格柵,玻璃纖維筋格柵隨隧道端頭最后兩榀密排格柵鋼架同步架設(shè),且玻璃纖維筋格柵與鋼筋格柵搭接部分至少采用12號(hào)鉛絲綁扎牢固,并采取適當(dāng)輔助連接措施,確保玻璃纖維筋格柵伸入鋼筋格柵長(zhǎng)度不小于300 mm,綁扎牢固的同時(shí)噴混凝土密實(shí)。掌子面開(kāi)挖后立即初噴40 mm厚C20混凝土,防止局部坍塌,且要求噴射混凝土與隧道最后三榀密排格柵的噴射混凝土同步施工,水平格柵及纖維筋網(wǎng)綁扎好后及時(shí)噴射混凝土。

在端頭設(shè)置三榀密排格柵,如圖1所示。

圖1 端頭墻加固平面(單位：mm)

另外在端頭墻處應(yīng)做好洞門(mén)預(yù)埋件,洞門(mén)預(yù)埋件必須符合設(shè)計(jì)要求,且要適當(dāng)加強(qiáng),嚴(yán)格控制預(yù)埋件尺寸,尤其要控制洞門(mén)鋼環(huán)的曲率,確保盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)入暗挖空推段。

3.5 鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)施工

由于該區(qū)間盾構(gòu)刀盤(pán)直徑6 280 mm,盾體直徑6 250 mm,而礦山法初期支護(hù)內(nèi)徑分別為6 400 mm(C-2、C-3型襯砌斷面)和6 700 mm(C-4型襯砌斷面)。為了保證盾構(gòu)安全、快速、高效、優(yōu)質(zhì)通過(guò)礦山法段,在礦山法開(kāi)挖段應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)為盾構(gòu)機(jī)提供精確導(dǎo)向,確保盾構(gòu)機(jī)保持良好的推進(jìn)姿態(tài),確保管片拼裝質(zhì)量、管片姿態(tài)良好,達(dá)到預(yù)期的防水效果。

礦山法開(kāi)挖完成初期支護(hù)后,在隧道底部60°范圍內(nèi)施工鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)。鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)的中心線(xiàn)與隧道中心線(xiàn)重合,且對(duì)稱(chēng)于隧道中心線(xiàn)。鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)示意如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)示意

3.6 盾構(gòu)空推施工過(guò)程

當(dāng)導(dǎo)臺(tái)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度,暗挖段渣土回填到位后,方可進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)施工。盾構(gòu)到達(dá)端頭墻,推斷端頭墻玻璃纖維筋,端頭墻完全破除后盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。盾構(gòu)機(jī)盡量不要推動(dòng)端頭墻處的砂袋,以保持砂袋的穩(wěn)定性。盾構(gòu)機(jī)推動(dòng)回填的渣土,渣土在刀盤(pán)前逐漸形成密實(shí)的土柱,盾構(gòu)機(jī)達(dá)到正常推進(jìn)模式。管片與已開(kāi)挖成形隧道間由回填土充填,同時(shí)開(kāi)啟同步注漿進(jìn)行止水,土倉(cāng)內(nèi)全部填滿(mǎn)土。當(dāng)土壓和推力提升至要求值后,開(kāi)啟螺旋輸送機(jī)出土。如果上部渣土不能完全填滿(mǎn)隧道,則只開(kāi)下部同步注漿系統(tǒng),上部用豆礫石回填及注水泥漿。暗挖空推段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 暗挖空推段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

3.6.1 堆土施工

渣土回填密封刀盤(pán)前方斷面,渣土充填盾體與暗挖初期支護(hù)間的間隙,同步注漿正常開(kāi)啟,管片止水條密封良好,此條件下的兩種工況示意如下。

(1)工況一

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)渣土回填斷面,未向前推進(jìn)。如圖4所示。

圖4 工況一示意(單位：m)

(2)工況二

盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn),管片拼裝和同步注漿與正常掘進(jìn)一樣,同樣采用錯(cuò)縫拼裝。如圖5所示。

圖5 工況二示意

3.6.2 管片背襯回填

當(dāng)堆土對(duì)刀盤(pán)密封效果良好,管片背后回填主要由同步注漿來(lái)完成。通過(guò)同步注漿漿液在管片脫離盾尾時(shí)對(duì)管片進(jìn)行支撐,以防管片下沉而產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。利用盾構(gòu)機(jī)自身的同步注漿系統(tǒng)壓注水泥砂漿,使管片與初支及地層間緊密接觸,以提高支護(hù)效果。根據(jù)同步注漿后的檢查結(jié)果,從管片注漿孔進(jìn)行二次注漿固結(jié)管片。同步注漿時(shí),要嚴(yán)格控制注漿壓力，既保證達(dá)到對(duì)環(huán)形空隙的有效填充,又確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生位移、變形和損壞,同時(shí)又要防止砂漿前竄至盾構(gòu)刀盤(pán)前方。當(dāng)?shù)侗P(pán)前方堆土不能密封刀盤(pán)面時(shí)，采取噴射豆礫石和注純水泥漿來(lái)完成管片背后回填,回填材料為豆礫石(粒徑為5～10 mm)。用高壓風(fēng)將豆礫石從吊裝孔噴入,填充管片與初支面間的空間,然后進(jìn)行灌漿,凝結(jié)豆礫石,使管片得到穩(wěn)定,同時(shí)承受?chē)鷰r壓力和水壓力。

4 施工關(guān)鍵部位質(zhì)量保證

4.1 鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)施工質(zhì)量

采用礦山法開(kāi)挖+錨噴初支+管片襯砌的復(fù)合施工方法通過(guò)硬巖段,必須在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前,完成礦山法隧道開(kāi)挖并做好空推段導(dǎo)臺(tái)、端頭墻等準(zhǔn)備工作。導(dǎo)臺(tái)的高程、弧度、中心線(xiàn)等是盾構(gòu)能否安全推進(jìn)的關(guān)鍵因素。導(dǎo)臺(tái)施工質(zhì)量不好,盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)難以控制,盾尾間隙變化大,將直接影響管片的拼裝,盾尾間隙過(guò)小,管片和盾尾刷會(huì)拉壞。導(dǎo)臺(tái)的質(zhì)量不高,還可能導(dǎo)致卡刀盤(pán)。在盾構(gòu)空推前,應(yīng)重點(diǎn)檢查導(dǎo)臺(tái)的高程、弧度、中心線(xiàn)等,如果不符合設(shè)計(jì)要求,要立即進(jìn)行處理,否則會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的步進(jìn)。

4.2 堆土效應(yīng)

回填的渣土松散,自穩(wěn)能力差,渣土能否充滿(mǎn)整個(gè)隧道面將直接影響盾構(gòu)空推過(guò)暗挖段的施工進(jìn)度和隧道成形質(zhì)量,如果渣土密封效果良好將減少吹填豆礫石量,管片背后充填可以直接通過(guò)同步注漿來(lái)完成?；靥畹脑令?lèi)型選擇合適,可以減少盾構(gòu)機(jī)出土量。減少出土量有兩方面好處,一方面,在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方需要回填的渣土將減少；另一方面,可以減少盾構(gòu)推進(jìn)出土工序,將節(jié)約大量時(shí)間。渣土的干濕、粒徑、孔隙率、黏聚力和顆粒成分等,將影響土的堆積效應(yīng)。選擇回填的渣土,一方面要能在刀盤(pán)前密封；另一方面要減少渣土對(duì)刀盤(pán)的粘結(jié),防止在土倉(cāng)中結(jié)泥餅、卡刀盤(pán)、土倉(cāng)壓力過(guò)高、增加出土量等。

4.3 礦山法斷面尺寸控制

隧道的開(kāi)挖斷面要滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)安全平穩(wěn)通過(guò)。考慮圍巖的類(lèi)型和施工誤差,并設(shè)置盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)臺(tái)。在施工暗挖段,除了注意施工安全外,還要特別控制好隧道的中心線(xiàn)，隧道的超挖、欠挖。在礦山法施工段,每次爆破清渣完成,鋼筋格柵架立前,進(jìn)行斷面檢查,對(duì)超挖和欠挖(尤其是欠挖)進(jìn)行處理,應(yīng)保證初期支護(hù)后的隧道凈空。初期支護(hù)施工必須要達(dá)到預(yù)期目的,由于初支后暫不進(jìn)行二次襯砌施工,所以要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),及時(shí)采取措施防止隧道變形,保證盾構(gòu)通過(guò)限界。

5 結(jié)論

城市地鐵隧道施工過(guò)程中若遇到硬巖、孤石群或長(zhǎng)距離上軟下硬地段時(shí),盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖貫通時(shí)間將大大延長(zhǎng),刀具磨損更加嚴(yán)重尤其是軟硬不均地層刀具極易出現(xiàn)非正常磨損,使推進(jìn)更加困難。采用這種礦山法開(kāi)挖+錨噴初支+管片襯砌的復(fù)合施工方法,一方面縮短了工期,使盾構(gòu)機(jī)能快速通過(guò)不良地質(zhì)部分,降低工程成本；另一方面對(duì)不良地質(zhì)開(kāi)挖工作量的減少直接降低了刀具磨損程度,避免不良地質(zhì)區(qū)掘進(jìn)過(guò)程中頻繁開(kāi)倉(cāng)換刀,有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn),確保工程安全順利進(jìn)行。

[1]徐干成，等.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2002.

[2]劉建航,侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1991.

[3]鐵建設(shè)[2007]106號(hào)，鐵路隧道全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)指南[S].