鄭州地鐵1號線盾構(gòu)隧道穿越人防隧道施工技術(shù)

李培增 楊紅軍

(1.中鐵中原投資發(fā)展有限公司，河南鄭州 450016;2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003)

鄭州市軌道交通1號線(火車站站—中原東路站)區(qū)間從火車站至京廣北路沿著中原東路下穿過金水河橋到中原東路站。鄭州火車站盾構(gòu)區(qū)間隧道端頭處下部有人防隧道，人防隧道與區(qū)間隧道在設(shè)計位置上形成嚴重干涉，必須在隧道修筑前對人防隧道進行處理。根據(jù)對現(xiàn)場情況的踏勘，人防隧道建于20世紀70年代。該人防隧道頂部為混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為磚混結(jié)構(gòu)，埋深約20m，內(nèi)部灌滿污水，結(jié)構(gòu)尺寸及其他狀況不詳，給區(qū)間隧道施工帶來隱患，需對該處進行處理，才能進行盾構(gòu)隧道施工，確保隧道后期安全。具體位置見圖1。

圖1 盾構(gòu)隧道人防隧道的平面關(guān)系

1 人防隧道處理

1.1 人防隧道探測

該人防隧道修建年代久遠，且屬于廢棄的帶軍事性質(zhì)的設(shè)施，無法找到詳細的平面位置和結(jié)構(gòu)圖。通過人防隧道通風口發(fā)現(xiàn)，人防隧道內(nèi)全是水，初步計劃在合適的位置將人防隧道截斷，通過通風口將人防隧道內(nèi)的水抽干，然后人員進入其中，詳細確認隧道的結(jié)構(gòu)形式。截斷人防隧道后，用2臺100m3/h的水泵抽了一周，水位基本上沒有變化，初步判斷該人防通道內(nèi)的水與地下水相通，通過沿線加密地質(zhì)鉆孔取芯探測人防隧道位置和形式，探測到并詳細確認了人防隧道的基本空間位置和深度:人防隧道兩側(cè)為磚結(jié)構(gòu)，頂板為無筋混凝土結(jié)構(gòu)(2m×2.8m)。位置及結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 人防與盾構(gòu)隧道的關(guān)系

1.2 人防隧道處理

(1)地面截斷開孔

根據(jù)現(xiàn)有掌握的人防隧道情況，在合適地段設(shè)置人防隧道截斷位置，截斷位置內(nèi)用沖擊鉆在人防隧道頂部位置成3個直徑為1.2m孔，孔中心距離1.4m。并用沖擊鉆將人防隧道頂部破除。待孔打穿后立即下入連接好的φ50注漿管(在盾構(gòu)隧道方位外用鋼花管)。

(2)填料

地面開孔完成、φ50注漿管安裝完成后，利用自制料斗向孔內(nèi)填入級配良好，含泥量較小的碎石、砂，填入高度為人防隧道頂面1m以上，灌碎石時應(yīng)注意保護注漿管不被破壞。在盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)注漿管采用塑料管。

(3)人防隧道截斷處注漿

當碎石填止規(guī)定高程后，在碎石處注雙液漿，直至形成截斷人防隧道的止水帷幕。

(4)抽水

人防隧道兩端封堵完成，且達到截斷、封閉人防隧道的要求后，在火車站站內(nèi)人防隧道出口處下入水泵將截斷的人防隧道內(nèi)的水抽干，派專人下去了解人防隧道的內(nèi)部情況。然后在人防隧道與區(qū)間隧道平面位置相交處人工填沙袋，以提高人防隧道的承載力，確保區(qū)間隧道的施工安全。

(5)填料

根據(jù)現(xiàn)場抽水情況和后期詳細勘測情況看，由于人防隧道修建年代久遠，且兩側(cè)為磚結(jié)構(gòu)，人防隧道內(nèi)的水已經(jīng)與地下水連通，人員無法下去。

因此，在截斷內(nèi)的人防隧道部位上方用沖擊鉆重新開孔，該孔沿人防隧道軸線間隔3m布置，開孔深度為地面至人防隧道底部，開孔完成后用φ250 mm導(dǎo)管從孔口部位填入級配良好的砂石料。

(6)注漿

待人防隧道內(nèi)砂石料填充完成后，在填充砂石料的孔內(nèi)，沿人防隧道軸線，在人防隧道位置間隔1m、梅花形布置(人防隧道橫向布置2個)，使用KBY-50雙液注漿機(必要時可使用大功率的水泥單液注漿機)通過袖閥管(主要利用其可重復(fù)多次注漿原理)向人防隧道內(nèi)壓密注漿。先注雙液漿，后注單液漿(純水泥漿)。將人防隧道填充密實，周圍土體加固。

1.3 處理效果檢查

待回填、注漿完成，盾構(gòu)機通過前，需要對該人防隧道在現(xiàn)場多方見證下檢查其處理效果，檢查使用地質(zhì)鉆進行鉆孔、取芯、取樣，并檢查其強度。根據(jù)盾構(gòu)施工需要，人防回填處理后需能打到原狀土狀態(tài)，無側(cè)限抗壓強度不小于100 kPa。在人防隧道處理范圍內(nèi)，每個盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)現(xiàn)場隨機抽取3個點，鉆孔、取芯、送檢(第三方有資質(zhì)的監(jiān)測機構(gòu))，均達到設(shè)計要求。

2 盾構(gòu)隧道掘進

2.1 掘進過程

主要是針對左線8～16環(huán)，右線11～17環(huán)、21～31環(huán)掘進，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)穿越人防隧道平面示意

(1)土倉壓力選定

土倉壓力值應(yīng)與地層的土壓力和靜水壓力應(yīng)相平衡，穿越人防段掘進，土倉中部壓力應(yīng)建立在1.5～1.6 bar左右，可使刀盤前方地表略有隆起，隆起量控制在2～3 mm為宜。

(2)碴土改良

穿越人防段掘進主要向刀盤、土倉、螺旋機內(nèi)添加泡沫劑(泡沫比例2%，掘進一環(huán)泡沫原液使用量為30～40 L)和水，對碴土進行改良，將土體盡量的改良呈牙膏狀。

(3)出碴量的控制

本盾構(gòu)區(qū)間單環(huán)管片設(shè)計長度為1.5m，刀盤設(shè)計外徑為6.28m，每環(huán)理論出碴量(實方)為46.4m3，施工過程中可根據(jù)碴車的儲存量(每節(jié)碴車的容量為18m3)及碴土的松散系數(shù)綜合評估，每環(huán)實際出碴量為3～3.5節(jié)碴車(60m3左右)，掘進過程中主司機根據(jù)推進油缸行程進行分析，1節(jié)碴車需掘進400～450 mm。

(4)推進速度、刀盤扭矩及推力控制

穿越人防段掘進速度控制在20～30 mm/min，勻速推進，刀盤扭矩最高峰值不得大于150 bar，總推力小于1000 t;推進過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況可做適當調(diào)整。

(5)刀盤轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向的控制

盾構(gòu)掘進過程中刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.5～1.8轉(zhuǎn)/min，以低檔位掘進。

刀盤轉(zhuǎn)速主要以掘進左線介紹:第4～7環(huán)掘進時刀盤轉(zhuǎn)向盡可能的選用逆時針(根據(jù)主機滾動角度必要時選用順時針)，以加大掘進方向右側(cè)的土壓力;第8～12環(huán)掘進刀盤轉(zhuǎn)向盡可能的選用順時針(根據(jù)主機滾動角度必要時選用逆時針)，以加大掘進方向左側(cè)的土壓力;第13～17環(huán)掘進刀盤轉(zhuǎn)速仍控制在1.8轉(zhuǎn)/min低檔位掘進，刀盤旋轉(zhuǎn)方向根據(jù)主機滾動角度主司機自行控制;

(6)盾構(gòu)軸線、地表沉降要求

盾構(gòu)軸線偏離設(shè)計軸線不大于±50 mm，推進過程中根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)及時調(diào)整各組油缸推進力，確保盾構(gòu)姿態(tài)偏差在允許范圍內(nèi)，穿越人防段可將盾構(gòu)姿態(tài)控制在設(shè)計軸線以上40～50 mm，地面隆陷控制在+10～-30 mm。

(7)盾構(gòu)姿態(tài)糾偏控制

穿越人防段，線路平面4～9環(huán)為直線段，10～17環(huán)為右轉(zhuǎn)緩和曲線，線路縱斷面為+2‰的上坡逐漸變化至10‰下坡，盾構(gòu)處于凸曲線上，掘進過程中將盾構(gòu)主機姿態(tài)控制在2‰的上坡，使盾構(gòu)處于上坡的趨勢，防盾構(gòu)通過人防時出現(xiàn)叩頭現(xiàn)象，原則上盾構(gòu)機每環(huán)的糾偏趨勢不大于2‰。值班人員應(yīng)做好管片的選型工作，上下、左右方向油缸行程差控制在40 mm以內(nèi)，同時還應(yīng)保證盾尾間隙適中。

(8)同步注漿

第4環(huán)掘進開始進行同步注漿作業(yè)，同步注漿時壓注速度不可過快，如簾布橡膠密封不嚴時出現(xiàn)大量漏漿，利用第1環(huán)吊裝孔，壓注水泥、水玻璃雙液漿進行封堵。

同步注漿壓力應(yīng)控制0.2～0.3 MPa，管片二次注漿壓力為0.3～0.5 MPa。注漿量為理論注漿量的1.5～2.0倍，并應(yīng)通過地面變形觀測數(shù)據(jù)及時調(diào)整;初始注漿量設(shè)為5～6m3/環(huán)，掘進過程中根據(jù)地表沉降情況及時調(diào)整。

(9)監(jiān)控量測

盾構(gòu)穿越人防段期間，加強地表的沉降觀測工作，每天觀測次數(shù)為3次，早中晚各一次，監(jiān)測小組每天早上7：00、下午16：00和晚上11：00前提交監(jiān)測成果，根據(jù)監(jiān)測成果指導(dǎo)盾構(gòu)掘進參數(shù)。

2.2 應(yīng)急預(yù)案

(1)盾構(gòu)穿越人防時叩頭

盾構(gòu)機在通過人防隧道時，由于人防隧道頂部回填不夠密實或者承載力不夠，盾構(gòu)機出現(xiàn)叩頭現(xiàn)象，預(yù)防措施:

①抬高盾構(gòu)機姿態(tài)，將盾構(gòu)姿態(tài)抬高軸線40～50 mm，使盾構(gòu)主機仰頭掘進。

②管片選型時減小上下組油缸的行程差，使管片姿態(tài)處于2‰～3‰的上坡趨勢，管片底部需有一定的超量。

過程控制:

掘進過程中如盾構(gòu)土倉壓力減小失壓，盾構(gòu)高程姿態(tài)下沉，下沉量達到10 mm，應(yīng)降低刀盤轉(zhuǎn)速至1.0～1.5轉(zhuǎn)/min，同時加大盾構(gòu)底部油缸組推力，減小頂部油缸組推力。

如下沉量累計達到20 mm，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.5轉(zhuǎn)/min，將底部油缸推力調(diào)至最大，將盾構(gòu)上半斷面部分推進油缸電磁閥拆除，采取減油缸，減推力的方式抬高盾構(gòu)姿態(tài)。

如下沉量累計達到30 mm，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.3轉(zhuǎn)/min，將底部油缸推力調(diào)至最大，將盾構(gòu)上半斷面部分推進油缸電磁閥拆除，采取減油缸，減推力的方式抬高盾構(gòu)姿態(tài)。另外通過安裝轉(zhuǎn)彎環(huán)管片增加管片底部超前量，如超前量無法跟上，在底部6～10組油缸和管片之間增加型鋼墊塊，增加管片超前量。另外:將下半部分的鉸接油缸伸長，上半部分鉸接油缸縮短，便于姿態(tài)的調(diào)整。

(2)人防頂部混凝土結(jié)構(gòu)卡刀盤

過程控制:掘進過程中刀盤切削到人防頂部混凝土?xí)r，如刀盤扭矩突然增大，主司機應(yīng)立即停止推進，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)刀盤，采用慢磨的方法進行推進，推進速度在20～30 mm之間。

2.3 掘進過程注意事項

為確保盾構(gòu)施工能夠順利的通過人防隧道，在盾構(gòu)掘進前后還應(yīng)注意如下內(nèi)容:

①穿越人防通道前對盾構(gòu)、門吊、電瓶車、攪拌站等設(shè)備進行一次全面的檢修及保養(yǎng)，確保穿越人防隧道期間不發(fā)生機械故障，造成停機。

②掘進過程中應(yīng)向刀盤面板、土倉和螺旋輸送機內(nèi)添加泡沫劑，減小刀盤扭矩及螺旋輸送機扭矩。

③每環(huán)掘進前先將刀盤正反向各旋轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，掘進完成停機前刀盤正反向各旋轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，將刀盤前方碴土切削下來，防止卡機，停機前還應(yīng)將螺旋輸送機反轉(zhuǎn)將螺旋輸送機內(nèi)的部分碴土反轉(zhuǎn)至土倉內(nèi)，避免下環(huán)掘進出現(xiàn)卡機。

④穿越人防前盾構(gòu)機上的膨潤土罐內(nèi)儲備拌制好的膨潤土，如人防結(jié)構(gòu)被破壞后人防內(nèi)的污水涌入土倉出現(xiàn)突泥涌水現(xiàn)象，可向刀盤內(nèi)添加膨潤土，對土體進行改良，確保盾構(gòu)能正常推進。

⑤管片拼裝完畢，主司機應(yīng)及時將土倉力建立起來。

⑥推進過程中主司機應(yīng)對盾尾密封刷內(nèi)及時補充盾尾油脂。

⑦在掘進過程中，技術(shù)人員要仔細觀察碴土的性狀、盾構(gòu)機掘進狀態(tài)、各項掘進參數(shù)等，出現(xiàn)異常情況時及時通知相關(guān)人員后按照既定的應(yīng)急預(yù)案處理。

⑧盾構(gòu)通過后要繼續(xù)監(jiān)測管片，并通過管片壁后注漿，確保盾構(gòu)隧道后期安全。

3 結(jié)束語

人防隧道處理完成后，盾構(gòu)隧道掘進過程中發(fā)生過局部地段盾構(gòu)機推力減小，出碴量減小，同步注漿量增加，碴土中水量增加等情況，但按照既定的技術(shù)方案，左、右線盾構(gòu)隧道均已順利通過了人防隧道(左線于2010年2月掘進通過，右線于2010年6月掘進通過)，盾構(gòu)通過后對該異常段進行了二次補強注漿處理，盾構(gòu)掘進完成后對盾構(gòu)隧道穿越人防隧道段地面和盾構(gòu)隧道內(nèi)管片等進行長時間的監(jiān)測，均無異常情況出現(xiàn)。

［1］GB 50446—2008 盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范［S］.

［2］竺維彬，鞠世健，等.復(fù)合地層中盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2006

［3］陳世明.地鐵盾構(gòu)隧道沿線障礙樁沖樁破除施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2010(2)

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