地鐵盾構(gòu)過(guò)硬巖施工技術(shù)

章新華

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

1 工程概況

深圳市地鐵3號(hào)線翠竹站—田貝站區(qū)間位于深圳市羅湖區(qū)翠竹片區(qū)。

本區(qū)間右線長(zhǎng)1 207.6 m，左線長(zhǎng)1 192.7 m，為單洞單線隧道。線路自翠竹站東側(cè)端頭向北側(cè)左轉(zhuǎn)穿過(guò)東門北路北側(cè)住宅小區(qū)(翠竹苑)，到達(dá)大頭嶺南側(cè)，繼續(xù)向西北左轉(zhuǎn)穿越大頭嶺，過(guò)大頭嶺后右轉(zhuǎn)延翠竹路北行至田貝站南側(cè)端頭。

翠竹苑和大頭嶺段隧道基本處于微風(fēng)化層中，該微風(fēng)化巖層圍巖強(qiáng)度較高，最大飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)到127.1 MPa。而剩余區(qū)段地質(zhì)條件差，且地面建筑物多，地面交通流量大。

根據(jù)隧道施工原則，圍巖強(qiáng)度高的地段適合礦山法施工，地質(zhì)條件差、下穿建筑物以及下穿道路等地段適合盾構(gòu)法施工。

綜合盾構(gòu)法和礦山法的優(yōu)點(diǎn)，本區(qū)間在大頭嶺硬巖段采用礦山法開挖，盾構(gòu)空推二次襯砌的工法。而在過(guò)翠竹苑大約200 m(雙線延米)的硬巖段為保障地面建筑物的安全仍采用常規(guī)盾構(gòu)法施工，針對(duì)盾構(gòu)過(guò)硬巖狀況，采用相對(duì)應(yīng)特殊措施。其余地段采取常規(guī)盾構(gòu)法施工。

右線前482.8 m為常規(guī)盾構(gòu)法隧道，中間394.5 m為礦山法開挖盾構(gòu)襯砌隧道，最后330.3 m為常規(guī)盾構(gòu)法隧道。

左線前469.0 m為常規(guī)盾構(gòu)法隧道，中間387.0 m為礦山法開挖盾構(gòu)襯砌隧道，最后336.7 m為常規(guī)盾構(gòu)法隧道。

常規(guī)盾構(gòu)法隧道長(zhǎng)1 618.762 m(單洞);礦山法開挖盾構(gòu)襯砌隧道長(zhǎng)781.500 m(單洞)。

本區(qū)間共設(shè)2處聯(lián)絡(luò)通道，一處聯(lián)絡(luò)通道中間設(shè)區(qū)間排水泵房，另一處聯(lián)絡(luò)通道設(shè)在礦山法施工橫通道內(nèi)，在橫通道端頭設(shè)施工豎井。

2 工程措施

本區(qū)間硬巖段位于過(guò)東門北路北側(cè)的翠竹苑住宅小區(qū)段和過(guò)大頭嶺段。采取的措施如下:

過(guò)大頭嶺段，地面無(wú)建筑物，從工期和經(jīng)濟(jì)考慮，采用礦山法開挖，盾構(gòu)空推拼裝管片作為二次襯砌。

過(guò)翠竹苑段，因地面建筑物密集，為保障建筑物的安全采用盾構(gòu)法，并采取一些特殊的盾構(gòu)過(guò)硬巖措施。

3 礦山法開挖盾構(gòu)襯砌隧道

3.1 礦山法開挖

區(qū)間過(guò)大頭嶺段，因礦山法施工的需要，在翠竹公園正門平臺(tái)處設(shè)臨時(shí)施工豎井一座，在豎井與左右線隧道間設(shè)施工橫通道。

礦山法隧道按照新奧法原理設(shè)計(jì)，隧道襯砌及支護(hù)參數(shù)主要根據(jù)結(jié)構(gòu)斷面、圍巖級(jí)別、水文地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)受力特性等因素，類比同類工程，并經(jīng)計(jì)算分析及優(yōu)化綜合確定。區(qū)間結(jié)構(gòu)支護(hù)形式為初期襯砌和盾構(gòu)混凝土管片相結(jié)合，初期支護(hù)主要由砂漿錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土組成初期襯砌支護(hù)體系。

礦山法隧道采用鉆爆法開挖，全斷面法施工。

3.2 盾構(gòu)空推拼裝管片

礦山法隧道開挖完成后，利用盾構(gòu)拼裝管片空推通過(guò)本段隧道，通過(guò)的同時(shí)由盾構(gòu)拼裝管片形成礦山法隧道的二次襯砌，二次襯砌和初支之間的孔隙采用同步注漿填充。

盾構(gòu)機(jī)空推通過(guò)暗挖段的主要工序?yàn)?導(dǎo)臺(tái)施工、隧道內(nèi)回填土、盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)，拼裝管片、管片背填注漿。

1)盾構(gòu)到達(dá)段施工 為確保盾構(gòu)空推的順利進(jìn)行，防止盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中由于推力過(guò)大造成原施工好的初期襯砌破損，對(duì)盾構(gòu)與礦山法分界的端頭墻3 m范圍內(nèi)的礦山法初支進(jìn)行加強(qiáng)，具體為加密加長(zhǎng)打設(shè)錨桿，采用雙層鋼筋網(wǎng)，加厚噴混凝土支護(hù)。

導(dǎo)臺(tái)半徑為3.15 m，故在盾構(gòu)上導(dǎo)臺(tái)之前應(yīng)拆除2把鏟刀，為確保盾構(gòu)順利通過(guò)分界墻，在盾構(gòu)到達(dá)分界墻前8環(huán)位置時(shí)，停止掘進(jìn)，開倉(cāng)將2把鏟刀拆除。

根據(jù)到達(dá)段的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件和到達(dá)段對(duì)掘進(jìn)施工的特殊要求，在到達(dá)段(前30 m)盾構(gòu)掘進(jìn)采用敞開式模式進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入到達(dá)段時(shí)，首先逐步減小推力、降低推進(jìn)速度，加強(qiáng)每一環(huán)掘進(jìn)的出土量的監(jiān)控頻次。在貫通前的最后3環(huán)，要進(jìn)一步減小推力、降低推進(jìn)速度。盾構(gòu)機(jī)采用小推力、低速度掘進(jìn)完到達(dá)段，進(jìn)入盾構(gòu)接收段。

每環(huán)按照設(shè)計(jì)方量進(jìn)行同步注漿，為確保在盾構(gòu)到達(dá)空推段后，純盾構(gòu)段隧道地下水及同步注漿的漿液不往空推段涌入，在盾構(gòu)刀盤距分界墻3環(huán)時(shí)，停止掘進(jìn)，自盾尾向大里程方向后退2環(huán)開始通過(guò)管片吊裝孔進(jìn)行二次注漿，確保連續(xù)5環(huán)全斷面注滿，以切斷后續(xù)水源或漿液涌入刀盤位置。

為確保隧道貫通后的管片接縫防水要求，在到達(dá)礦山與盾構(gòu)分界里程后開始，安裝每一片管片時(shí)，先用人工將每片管片連接螺栓進(jìn)行初步緊固;待安裝完一環(huán)后，用風(fēng)動(dòng)扳手對(duì)螺栓進(jìn)行進(jìn)一步的緊固;待管片出盾尾之后，重新用風(fēng)動(dòng)扳手進(jìn)行緊固。

2)盾構(gòu)機(jī)步入導(dǎo)臺(tái)及堆土施工 盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)入接收段，在隧道貫通時(shí)，貫通面渣土將會(huì)堆積在導(dǎo)臺(tái)上，采用人工清理。

盾構(gòu)步入導(dǎo)臺(tái)6環(huán)后，停止掘進(jìn)，用砂袋封閉隧道初支與盾體之間的空隙，通過(guò)管片注漿孔對(duì)管片背后進(jìn)行注漿回填;漿液采用雙液漿，注漿壓力控制在0.1 MPa內(nèi)。

堆土采用人工配合機(jī)械進(jìn)行堆積，堆積長(zhǎng)度為25 m，靠盾構(gòu)與礦山分界端頭15 m采用全斷面堆積，后10 m采用半斷面堆積。土質(zhì)采用黏性土，黏土內(nèi)雜物最大粒徑不得大于5 cm。

3)盾構(gòu)空推段施工 隧道內(nèi)堆土完成后，啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)往前掘進(jìn)，根據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺(tái)之間的關(guān)系，調(diào)整各組推進(jìn)油缸的行程，使盾構(gòu)姿態(tài)沿線路方向進(jìn)行推進(jìn)。然后開始進(jìn)行管片拼裝、管片背襯回填工作。推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度不能過(guò)快，控制在10～25 mm/min之間。

盾構(gòu)機(jī)推動(dòng)回填的渣土，渣土在刀盤前逐漸形成密實(shí)的土柱，封閉刀盤位置的隧道橫斷面，盾構(gòu)機(jī)達(dá)到正常推進(jìn)模式。管片與已開挖成型隧道間由回填土充填，同時(shí)開啟同步注漿進(jìn)行止水、土倉(cāng)內(nèi)全部填滿土，當(dāng)土壓(1號(hào)位置達(dá)到80 kPa)或推力達(dá)到8 000 kN，開啟螺旋輸送機(jī)進(jìn)行出土。

盾構(gòu)掘進(jìn)模式采用不加壓模式，掘進(jìn)推力控制在8 000 kN以內(nèi)(主要以掘進(jìn)速度為10～25 mm/min來(lái)控制推力大小)，當(dāng)掘進(jìn)推力大于8 000 kN以后，可啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)出土，但要控制出土量，掘進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)不加氣壓和泡沫。

盾構(gòu)在推進(jìn)時(shí)，保持上下推進(jìn)油缸油壓相等，使盾構(gòu)機(jī)在導(dǎo)臺(tái)的導(dǎo)向下往前推進(jìn)。在軸線高程中推進(jìn)。通過(guò)控制盾構(gòu)盾尾與管片外圍間隙的控制，控制管片符合設(shè)計(jì)軸線要求。管片拼裝工藝與正常掘進(jìn)時(shí)的工藝相同。管片選型時(shí)要根據(jù)盾尾間隙與油缸行程差結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)選擇合適的管片。

在安裝每一片管片時(shí)，先用人工將每片管片連接螺栓進(jìn)行初步緊固;待安裝完一環(huán)后，用風(fēng)動(dòng)扳手對(duì)螺栓進(jìn)行進(jìn)一步的緊固;待管片出盾尾之后，重新用風(fēng)動(dòng)扳手進(jìn)行緊固。在安裝管片時(shí)，推進(jìn)油缸的壓力設(shè)定為6 000 kPa。在完成管片拼裝之后，用∠60 mm×60 mm×6 mm的角鋼或 φ22 mm鋼筋與上一環(huán)管片相連，并點(diǎn)焊連接牢固。

當(dāng)推力大于6 000 kN時(shí)，可取消管片之間的角鋼或鋼筋等輔助連接。

管片背后回填采用同步注漿。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)注漿后的檢查結(jié)果，從管片注漿孔注漿固結(jié)管片。管片背后通過(guò)盾構(gòu)機(jī)自身的同步注漿系統(tǒng)注漿。注漿采用水泥砂漿，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)刀盤前方。

該漿液采用水泥砂漿，水泥、膨潤(rùn)土、粉煤灰、砂、水的配合比為 150∶40∶440∶720∶470。

盾構(gòu)空推地段每隔6環(huán)在管片注漿孔處開口檢查注漿效果，根據(jù)注漿效果檢查情況，確定是否需要二次補(bǔ)充注漿。

4)盾構(gòu)過(guò)橫通道位置 盾構(gòu)在掘進(jìn)至橫通道前15 m，前方土體已全斷面封堵了橫通道，為保證橫通道位置臨時(shí)堆土的帷幕穩(wěn)定，應(yīng)開始減少掘進(jìn)推力和速度，掘進(jìn)推力控制在5 000 kN以內(nèi)，掘進(jìn)速度控制在10 mm/min左右。

同時(shí)專人觀察橫通道堆碼沙袋帷幕是否穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)傾斜或者崩塌，應(yīng)停止掘進(jìn)。同時(shí)在橫通道位置加大注漿量，填充管片與橫通道之間的空隙。

5)盾構(gòu)二次始發(fā) 盾構(gòu)到達(dá)礦山與盾構(gòu)分界里程后，停止掘進(jìn)，啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)將土倉(cāng)內(nèi)土全部出完，將原拆除的39#和40#刀具安裝就位后進(jìn)入正常掘進(jìn)狀態(tài)。

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，避免出現(xiàn)大的突變。起始3環(huán)掘進(jìn)推力控制在8 000 kN以內(nèi)，刀盤旋轉(zhuǎn)速度為2.5 r/min，以減少管片的旋轉(zhuǎn)。掘進(jìn)3環(huán)之后掘進(jìn)為正常掘進(jìn)模式。

4 盾構(gòu)硬巖段掘進(jìn)

本區(qū)間穿越約200 m(雙線延米)微風(fēng)化角巖地段，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備要求較高，根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，微風(fēng)化角巖抗壓強(qiáng)度最高達(dá)94.1 MPa，為確保盾構(gòu)掘進(jìn)的順利進(jìn)行，投入本工程的盾構(gòu)機(jī)破巖能力至少達(dá)到100 MPa以上。盾構(gòu)長(zhǎng)距離通過(guò)硬巖地段，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀盤磨損較大，換刀頻率將大幅度增加。

為保證盾構(gòu)順利通過(guò)硬巖段采取處理措施如下:

1)控制盾構(gòu)推進(jìn)速度，盾構(gòu)盡可能以同一坡度推進(jìn)，以減小盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)，控制盾構(gòu)通過(guò)后地面后期沉降。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)加快或放慢推進(jìn)速度。

2)優(yōu)化盾尾油脂注入時(shí)段，定量、均勻地壓注盾尾油脂，針對(duì)漏漿部位集中壓注盾尾油脂，以保證其密封性能，避免因漏漿而導(dǎo)致注漿量不足造成地表沉降超限。

3)增加泡沫劑摻入量改良渣土的可塑性、使出土順暢，更好地形成土塞來(lái)控制土倉(cāng)的土壓力。同時(shí)盾構(gòu)機(jī)在硬巖地段推進(jìn)時(shí)刀盤、刀具磨損大，溫度高，需增加泡沫劑摻入量降低刀盤溫度，起到潤(rùn)滑作用，減小對(duì)盾構(gòu)機(jī)的損耗。

4)在到達(dá)硬巖段前，對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行全面檢查。盾構(gòu)機(jī)在硬巖地段推進(jìn)時(shí)刀盤、刀具磨損大，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行刀具更換，保證盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程刀具配置的完整性，保證刀具有效切削圍巖。

5)針對(duì)普通刀具磨損較快的狀況，應(yīng)選用一定數(shù)量的重型刀具及重型刀圈專門用于極硬巖地層的盾構(gòu)掘進(jìn)施工。中心刀全部采用雙刃刀具，周邊刀具采用江鉆重型單刃滾刀，其余面刀采用普通單刃滾刀，并保證有足夠的刀具儲(chǔ)備。

6)由于隧道通過(guò)斷面地層自穩(wěn)性強(qiáng)，全斷面微風(fēng)化，掌子面土體不易坍落，因此為了提高推進(jìn)速度，降低刀盤扭矩以及增加對(duì)刀具的保護(hù)，選擇敞開式模式空倉(cāng)推進(jìn)。有效推力控制在7 500 kN左右，不大于8 500 kN，泡沫劑流量不小于40 L/min，刀盤轉(zhuǎn)速不小于2 r/min，刀盤工作壓力控制在12 000 kPa以內(nèi)。

7)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，原則上每2環(huán)必須開倉(cāng)檢查刀具，如出現(xiàn)刀盤扭矩波動(dòng)大等異常情況，需立即停機(jī)開倉(cāng)檢查。檢查刀具時(shí)需要格外注意周邊刀，在極硬巖地段，周邊刀磨損超限或非正常磨損，若未及時(shí)更換極易導(dǎo)致卡盾構(gòu)機(jī)，刀具磨損超限的必須更換。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前中國(guó)正處于城市地鐵建設(shè)高潮，地鐵盾構(gòu)法隧道越來(lái)越多，相應(yīng)的，盾構(gòu)在硬巖中掘進(jìn)的情況也會(huì)越來(lái)越頻繁，因此怎樣讓盾構(gòu)更適應(yīng)于硬巖掘進(jìn)成為一個(gè)重要課題。

目前本工程開挖、襯砌已全部完成，施工過(guò)程控制良好。通過(guò)本工程的實(shí)踐，文章中提出的盾構(gòu)過(guò)硬巖的處理措施開拓了思路，較好解決一些盾構(gòu)過(guò)硬巖的難題。對(duì)以后類似工程具有一定的參考價(jià)值。

［1］張志偉，賈艷敏，趙艷娟．地鐵盾構(gòu)法施工事故及處理措施［J］．鐵道建筑，2010(11):50-53．

［2］鮑永亮，鄭七振，唐建忠．地鐵盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)［J］．鐵道建筑，2009(5):44-47．

［3］袁振國(guó)．盾構(gòu)穿越北京地鐵國(guó)貿(mào)站—雙井站區(qū)間施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2008(6):41-43．

［4］包世波，劉寶許，王建軍．盾構(gòu)機(jī)到達(dá)富水砂層時(shí)的技術(shù)措施［J］．鐵道建筑，2011(1):27-29．

［5］周禾，張慶賀，徐飛．盾構(gòu)通過(guò)礦山法隧道段數(shù)值模擬研究［J］．鐵道建筑，2011(1):36-40．