廣州地鐵盾構(gòu)空推過礦山法段施工關(guān)鍵技術(shù)

趙玉成，賈曉旭

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043；2.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（石家莊鐵道大學(xué)），河北石家莊050043）

廣州地鐵盾構(gòu)空推過礦山法段施工關(guān)鍵技術(shù)

趙玉成1，2，賈曉旭1，2

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊050043；2.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（石家莊鐵道大學(xué)），河北石家莊050043）

以廣州市軌道交通十三號(hào)線首期工程（魚珠至象頸嶺段）施工五標(biāo)夏園站～南崗站區(qū)間工程為背景，對(duì)盾構(gòu)空推過礦山法段施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，介紹了盾構(gòu)過礦山法段施工準(zhǔn)備以及盾構(gòu)空推和管片背襯回填關(guān)鍵技術(shù)。并根據(jù)工程實(shí)際提出關(guān)鍵技術(shù)控制措施和工程重難點(diǎn)處理方法。為廣州地鐵盾構(gòu)空推過礦山法段施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

地鐵；盾構(gòu)空推；礦山法

城市軌道交通一般多采用盾構(gòu)法施工，鐵路隧道則以礦山法為主，兩種施工方法都有各自的特點(diǎn)，同時(shí)其適用范圍也具有一定局限性［1-2］。土壓平衡盾構(gòu)主要應(yīng)用于地層較軟，且地質(zhì)連續(xù)的地層中。礦山法則主要用于特殊地層，如連續(xù)性較好的巖石地層多用礦山法開挖。而本工程地質(zhì)情況不連續(xù)，軟土地層和巖石地層交替出現(xiàn)，單一的采用盾構(gòu)法或礦山法都不能順利開挖［3-5］。因此采用礦山法開挖巖石地層、盾構(gòu)掘進(jìn)較軟地層并空推礦山法隧道段，可以有效解決不連續(xù)地層的施工。

1　工程概況

本工程為廣州市軌道交通十三號(hào)線首期工程（魚珠至象頸嶺段）施工五標(biāo)夏園站～南崗站區(qū)間工程，區(qū)間西南起于夏園站，東至南崗站，線路大體上沿黃浦東路敷設(shè)，黃埔東路現(xiàn)狀為雙向6車道，交通繁忙；區(qū)間沿線主要建筑物有新港鐵路支線、開發(fā)大道立交、領(lǐng)好廣場、沙涌人行天橋、沙步天橋等。

區(qū)間右線起止里程為YDK47+ 703.886～YDK50+197.603，全長2 493.177 m；左線起止里程為：ZDK47+703.870～ZDK50+147.154，全長 2 443.284 m。其中 ZDK47+ 988.313～48+250、ZDK48+450～49+022.046、YDK48+395.5～48+887.674段隧道穿越中、微風(fēng)化花崗巖層，采用礦山法開挖盾構(gòu)空推拼裝管片施工。區(qū)間隧道為圓形斷面，其中礦山法隧道內(nèi)凈空尺寸為6 400mm，盾構(gòu)法隧道內(nèi)凈空尺寸6 000mm。

2　盾構(gòu)過礦山法段施工準(zhǔn)備

2.1盾構(gòu)隧道與礦山法段隧道接口處地層加固

由于地面不具備條件或施工難度較大，接口處地層加固采用如下方法：

（1）礦山法施工時(shí)多向盾構(gòu)來源方向開挖1.5 m，施做初支并進(jìn)行初支背后注漿止水。壁后注漿采用3 m長φ42鋼花管，環(huán)向間距30 cm，縱向間距50 cm，注漿壓力2 MPa。

（2）多做出的2 m礦山法隧道進(jìn)行噴射素砼封堵處理，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)采用刀盤開挖素砼、拼裝管片的方式通過。

（3）待盾構(gòu)拼裝管片通過交界處，且盾尾后部脫出管片6環(huán)后，通過管片吊裝孔進(jìn)行雙液二次注漿止水。

（4）施工礦山法與盾構(gòu)法銜接處的封堵墻。

2.2施做導(dǎo)向臺(tái)及預(yù)埋件

區(qū)間礦山法段初支完成及時(shí)施做砼導(dǎo)向臺(tái)。在砼導(dǎo)向臺(tái)上預(yù)埋40 cm寬、厚20mm、長2 m的弧形鋼板，預(yù)埋鋼板間距3 m，如圖1所示。在刀盤前部焊接擋塊提供拼裝管片所需反力。預(yù)埋鋼板寬40 cm，厚20mm，為半徑3 150mm弧形形式，鋼板錨固筋為長150mmφ25鋼筋，鋼筋與鋼板采用穿孔焊接形式。相鄰鋼板接縫處邊緣需進(jìn)行5mm倒角，如鋼板頂面有焊渣等異物，則需進(jìn)行打磨處理。擋塊采用厚2 cm鋼板切割而成，為30 cm×30 cm三角形構(gòu)造。擋塊與鋼板采用焊接連接，待管片拼裝完成后割除擋塊，鋼板面進(jìn)行打磨處理。

圖1　混凝土導(dǎo)臺(tái)和預(yù)埋鋼板布置（單位：mm）

礦山法隧道導(dǎo)向臺(tái)斷面為半徑3 150mm的圓弧，比盾構(gòu)機(jī)半徑3 125mm大25mm，比半徑3 000mm管片拼裝成型后多出150mm，因此管片脫離盾尾后會(huì)有少量下沉，導(dǎo)致管片姿態(tài)偏低，為保證盾構(gòu)機(jī)按設(shè)計(jì)中心線通過，盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)過程的中心線比隧道理論中心線高150mm。由于導(dǎo)臺(tái)的施作，使礦山法隧道比盾構(gòu)掘進(jìn)面高出50mm，因此，接口過度的處理采取在末端利用鐵墊片抬高進(jìn)行順坡，使盾構(gòu)機(jī)可以落在導(dǎo)臺(tái)上。

3　施工方法

3.1盾構(gòu)機(jī)的空推方法

在盾構(gòu)機(jī)穿越該段隧道前，首先在隧道底施做一盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)臺(tái)，導(dǎo)臺(tái)由C30砼現(xiàn)澆而成。在導(dǎo)臺(tái)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后將盾構(gòu)機(jī)推入該隧道，同時(shí)拼裝管片。盾構(gòu)導(dǎo)臺(tái)施工圖如圖2所示。

圖2　盾構(gòu)導(dǎo)臺(tái)施工

其次，通過盾構(gòu)機(jī)人閘將噴射機(jī)、沙子運(yùn)至盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭前方，通過噴射機(jī)管道將沙子吹至已拼裝好的管片和隧道間的空隙，沙子吹填完畢后，同步注入水泥漿液。在盾構(gòu)機(jī)距該隧道1 m位置時(shí)，已無法通過噴射機(jī)吹填沙子，此時(shí)，將改由管片吊裝孔（吊裝孔已鑿?fù)ǎ┨钛b沙子，同時(shí)注入水泥漿液，此項(xiàng)施工直至管片環(huán)進(jìn)入土體。施工過程中，在人閘處安設(shè)進(jìn)氣管與排氣管。進(jìn)氣管與排氣管的布設(shè)詳見圖3。

圖3　盾構(gòu)機(jī)過礦山法隧道示意

3.2管片背襯回填

由于盾構(gòu)管片外直徑為6 m，礦山隧道內(nèi)直徑為6.6 m，中間存在環(huán)形空隙，為確保管片不偏離設(shè)計(jì)中線，須采用小碎石和水泥砂漿及時(shí)填充空隙。具體方法如下：

將小碎石、噴漿機(jī)提前通過豎井和車站運(yùn)送入礦山法隧道內(nèi)，每隔6 m堆放小碎石一堆，盾構(gòu)機(jī)空推礦山法隧道段時(shí)，由刀盤前端向后盾背襯噴射回填。

管片背襯采用噴射小碎石、盾尾注漿、回填灌漿組成，噴射機(jī)械采用噴漿機(jī)，噴射壓力根據(jù)實(shí)際情況而定，由于礦山法隧道6.6 m比管片外直徑6 m大，噴射小碎石可以填充70%左右。

每環(huán)管片噴射小碎石完成后便進(jìn)行盾尾注漿，考慮到盾尾注漿壓力過大，漿液可能會(huì)從盾體前溢出，因此盾尾注漿采用手動(dòng)式注漿，隨時(shí)調(diào)整注漿量、速度和壓力等使襯砌管片與礦山法隧道緊密結(jié)合，保證支護(hù)效果。盾尾手動(dòng)注漿圖如圖4所示。

圖4　盾尾手動(dòng)注漿

3.3施工技術(shù)要點(diǎn)

在此施工過程中嚴(yán)格監(jiān)控背襯回填小碎石的密度，保證管片下部有足夠的堆填密度，每環(huán)管片確保螺栓緊固，同時(shí)保證噴射小碎石量和注漿回填量。在隧道內(nèi)預(yù)備砂袋，在必要時(shí)可進(jìn)行圍閉，確?？障兜幕靥钭{量。調(diào)整漿液的凝結(jié)時(shí)間，加入適當(dāng)?shù)脑鐝?qiáng)劑。

4　主要的技術(shù)控制及措施

4.1盾構(gòu)推進(jìn)控制

在整個(gè)礦山隧道內(nèi)推進(jìn)，關(guān)鍵應(yīng)從以下3個(gè)方面加以控制。

4.1.1盾構(gòu)機(jī)在未完全進(jìn)入導(dǎo)臺(tái)的推進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入礦山法隧道內(nèi)導(dǎo)臺(tái)前，應(yīng)調(diào)整刀盤刀具，避免刀具與導(dǎo)臺(tái)接觸。在推進(jìn)時(shí)，推進(jìn)速度不能過快，控制在10～20mm范圍內(nèi)，每推進(jìn)1環(huán)，必須進(jìn)行盾構(gòu)軸線的測量，必要時(shí)，每0.5環(huán)進(jìn)行測量，以便使盾構(gòu)以良好姿態(tài)進(jìn)入導(dǎo)臺(tái)。在推力方面，考慮到土體對(duì)盾構(gòu)殼摩擦阻力，推力控制在50～150 t范圍內(nèi)。

4.1.2盾構(gòu)機(jī)在礦山法隧道未完全進(jìn)入正常盾構(gòu)推進(jìn)土體內(nèi)

在這一階段推進(jìn)中，盾構(gòu)推力不能過大，一般控制在600～800 t左右，推進(jìn)速度在10～20范圍內(nèi)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.8 r/min范圍內(nèi)，土壓控制在0.08～0.12 MPa范圍。在盾構(gòu)進(jìn)入土體前，須采用水泥漿對(duì)礦山法隧道內(nèi)的管片進(jìn)行二次注漿，注漿壓力控制在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi)，注漿順序?yàn)椋旱撞俊七M(jìn)方向右方→推進(jìn)方向左方→頂部。

4.1.3礦山法隧道與盾構(gòu)隧道的接口處注漿回填

由于礦山法隧道與盾構(gòu)隧道接口處，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)對(duì)周邊土體撓動(dòng)，土體較容易坍塌，因此在該處注漿回填時(shí)，在灌注碎石后，馬上用雙液漿進(jìn)行壓注，使回填材料能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定的強(qiáng)度，防止水土流失。雙液漿配比如表1所示。

表1　雙液漿配比

4.2盾構(gòu)軸線控制

根據(jù)軸線設(shè)計(jì)半徑計(jì)算盾構(gòu)鉸接千斤頂?shù)男谐滩?，保證盾構(gòu)與礦山法隧道間的間隙。在推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)操作必須嚴(yán)格控制推進(jìn)千斤頂各區(qū)域油壓差和每推進(jìn)一環(huán)后的行程差。

4.3盾構(gòu)推力

因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)最大推力36 400 kN，共30個(gè)頂，每個(gè)頂?shù)淖畲笸屏s為1 223 kN，每個(gè)頂?shù)淖畲髩毫?00 bar，為保證盾構(gòu)機(jī)的正常前進(jìn)及管片止水要求，選用40 bar的壓力，那么每個(gè)頂?shù)耐屏Υ蠹s是12.23 t，30個(gè)頂大約是367 t。盾構(gòu)機(jī)前部（刀盤+前盾+中盾+尾盾）大約重為350 t，而鋼與混凝土的摩擦系數(shù)大約為0.5，其摩擦力為350×0.5=175 t，30個(gè)頂?shù)耐屏h(yuǎn)大于摩擦力，此時(shí)在拼裝管片的過程中，盾構(gòu)機(jī)會(huì)在推力的作用下向前滑行。管片拼裝時(shí)采用拼裝模式，系統(tǒng)自動(dòng)提供足夠反力拼裝管片。

4.4管片拼裝

考慮到管片外周與盾尾間隙，管片的拼裝必須有一定的拼裝模式。由于有混凝土導(dǎo)臺(tái)，所以在推進(jìn)時(shí)，應(yīng)保持上下推進(jìn)千斤頂油壓相等，使盾構(gòu)沿導(dǎo)臺(tái)的導(dǎo)向行走。在軸線高程中推進(jìn)，盾尾與管片外圍間隙的控制同樣重要，原理與平面盾構(gòu)推進(jìn)，管片拼裝模式相同［6］。

4.5管片防水改良

盾構(gòu)空推礦山法段隧道時(shí)，推力較小，不能達(dá)到管片止水帶壓密所需壓力大小，為使管片嵌縫達(dá)到指定防水效果，需在管片離手孔30mm處沿管片單邊增加一道遇水膨脹止水帶，止水帶寬度：30×1～3mm，根據(jù)實(shí)際情況，選取止水帶的厚度。

5　施工重、難點(diǎn)處理措施

5.1拼裝管片導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)整體向前滑動(dòng)的處理措施

在導(dǎo)向臺(tái)上預(yù)埋40 cm寬、厚20mm通長鋼板，在刀盤前部焊接擋塊提供拼裝管片所需反力。預(yù)埋鋼板寬40 cm，厚20mm，為半徑3 050mm弧形形式，鋼板錨固筋為長150mmφ25鋼筋，鋼筋與鋼板采用穿孔焊接形式。相鄰鋼板接縫處邊緣需進(jìn)行5mm倒角，如鋼板頂面有焊渣等異物，則需進(jìn)行打磨處理。擋塊采用厚2 cm鋼板切割而成，為30 cm×30 cm三角形構(gòu)造。擋塊與鋼板采用焊接連接，待管片拼裝完成后割除擋塊，鋼板面需進(jìn)行打磨處理。

5.2推進(jìn)時(shí)受力不均或障礙物導(dǎo)致側(cè)移的輔助處理措施

噴小碎石工作及時(shí)跟進(jìn)，每推進(jìn)1環(huán)立即進(jìn)行背后回噴工作；刀盤及前盾底部墊鋼板減小摩阻力，鋼板涂抹油脂潤滑；在預(yù)埋板上標(biāo)識(shí)出軸線，在刀盤前端焊指示箭頭，及時(shí)糾偏，確保沿路標(biāo)推進(jìn)?？刹捎迷诘侗P前焊擋塊的方式進(jìn)行糾偏。

6　緊急處理措施

當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生沉降時(shí)則按相關(guān)“應(yīng)急預(yù)案”進(jìn)行處理。如盾構(gòu)機(jī)與礦山法隧道初支發(fā)生相碰，則馬上進(jìn)行盾構(gòu)軸線糾偏，糾偏的原則按上述“盾構(gòu)推進(jìn)施工”進(jìn)行。在關(guān)鍵點(diǎn)推進(jìn)控制時(shí)，由于考慮到盾構(gòu)隧道與礦山法隧道交接處容易發(fā)生坍塌和漏水，因此必須準(zhǔn)備木方，快干水泥，砂包，注漿設(shè)備，以便能馬上進(jìn)行封堵施工，同時(shí)加強(qiáng)該處的地表沉降監(jiān)測工作，要求每天監(jiān)測4次，如地表沉降超出警戒值-25mm時(shí)，則每3 h監(jiān)測一次，直到沉降穩(wěn)定為止。

7　應(yīng)用效果

礦山法隧道與盾構(gòu)隧道接口處，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)對(duì)周邊土體撓動(dòng)，土體較容易坍塌，因此在該處采用注漿回填，地表沉降都控制在10mm以內(nèi)。右線YDK48+395.5范圍內(nèi)為礦山法隧道與盾構(gòu)隧道接口處，注漿量為6.5 m3，注漿壓力0.25 MPa，地表沉降為7.6mm。左線ZDK47+988.313范圍內(nèi)為礦山法隧道與盾構(gòu)隧道接口處，注漿量為7.8 m3，注漿壓力0.32 MPa，地表沉降為4.5mm。注漿回填有效控制了地表沉降，保證了盾構(gòu)空推的安全施工。

8　結(jié)論

對(duì)于地層情況不連續(xù)的城市軌道交通，采用單一的盾構(gòu)機(jī)開挖將加大刀具的磨損，且加大推進(jìn)難度，延長開挖時(shí)間。采用盾構(gòu)和礦山法相結(jié)合的方案，不僅可以減少刀具的磨損，避免盾構(gòu)頻繁換刀，還可以快速通過不良地質(zhì)段隧道開挖，縮短工期，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。盾構(gòu)空推中保證盾構(gòu)精確位置和空推斷管片施工質(zhì)量是施工重難點(diǎn)。

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

［2］王夢(mèng)恕，洪開榮.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］張新金，劉維寧，路美麗，羅富榮，張成滿.北京地鐵盾構(gòu)法施工問題及解決方案［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，（10）：93-99.

［4］劉建國.深圳地鐵軟硬不均復(fù)雜地層盾構(gòu)施工對(duì)策［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，（5）：79-84.

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［6］王建山.盾構(gòu)穿越礦山法隧道施工工法［J］.山西建筑，2010，（20）：332-334.

Key Construction Technology on Shield Empty Push Mining Method of Guangzhou Metro

ZHAO Yu-cheng1，2，JIAXiao-xu1，2
（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control（Shijiazhuang Tiedao University），Ministry of Education，Shijiazhuang 050043，China）

This paper，taking the project between XiaYuan-Nangang station which is the first-phase of Line 13 of Guangzhou Metro as a case study，discusses the key construction technology on shield empty push mining method，the preparation of the method and the segment back filling.Furthermore，the paper proposes the key technical control measures and methods in dealing with engineering difficulties from engineering practice，which provides valuable experience for shield empty push mining method of Guangzhou Metro.

metro；shield empty push；mining method.

U455.43

A

1671-8496-（2016）-03-0055-04

2016-04-08

趙玉成（1969-），男，教授

研究方向：城市地下空間開發(fā)利用