盾構(gòu)與礦山組合工法在越江隧道中的應(yīng)用

楊超

摘 要：地鐵區(qū)間隧道多采用盾構(gòu)法施工，當(dāng)遇到堅(jiān)硬巖層時(shí)，單靠盾構(gòu)法難以完成，多采用“礦山法+盾構(gòu)法”施工。以武漢地鐵3號(hào)線越江隧道為例，詳細(xì)介紹了“礦山法+盾構(gòu)法”中組合段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工方案，為類似工程提供一定借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵；越江隧道；盾構(gòu)法；礦山法；空推；進(jìn)出洞

1概述

軌道交通線網(wǎng)主要位于市區(qū)繁華地段，地鐵區(qū)間通常為淺埋隧道，為減小對(duì)地面交通、管線等的影響，多采用盾構(gòu)法施工。但一條隧道難以保證所遇的均未單一地層，開挖過程中若遇到硬巖、孤石群時(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，頻繁更換刀具不僅增加工程造價(jià)，且施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。為了加快進(jìn)度，減少施工風(fēng)險(xiǎn)，可根據(jù)地質(zhì)條件采用“礦山法+盾構(gòu)法”相結(jié)合的工法。

如武漢地鐵3號(hào)線王家灣站——宗關(guān)站越江區(qū)間，隧道穿越范圍分屬長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地、漢江河床、Ⅲ級(jí)階地3個(gè)地貌單元，穿越的地層有強(qiáng)透水的砂層、微透水的粘土層、中風(fēng)化巖層，地質(zhì)條件復(fù)雜。中風(fēng)化巖層地段采用“礦山法+盾構(gòu)法”相結(jié)合的工法，即“礦山法開挖初支，盾構(gòu)法管片襯砌”，結(jié)合本工程對(duì)盾構(gòu)在礦山法隧道內(nèi)空推、進(jìn)出洞等提出有效施工方案，為類似地鐵施工提供一定技術(shù)支持。

2工程概況

武漢地鐵3號(hào)線王家灣站——宗關(guān)站越江區(qū)間線路出王家灣站后沿龍陽(yáng)大道向北敷設(shè)，過琴臺(tái)大道后向東切割漢陽(yáng)體育基地，在江漢二橋下游30多米處穿越漢江，最后沿建設(shè)大道東側(cè)地塊敷設(shè)至宗關(guān)站，區(qū)間全長(zhǎng)約2322m，區(qū)間平面、縱剖面分別見圖1、圖2。

2.1工程地質(zhì)

本工程地貌形態(tài)分屬漢江河床、長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)、Ⅲ級(jí)階地3個(gè)地貌單元。漢陽(yáng)段屬長(zhǎng)江Ⅲ級(jí)階地，漢口段屬長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，區(qū)內(nèi)漢江河道順直，河床寬約230m，兩側(cè)岸坡較陡，江底地形總體平順，標(biāo)高在4.4～8.2m之間。長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)、Ⅲ級(jí)階地前緣地形平坦、開闊，總體向長(zhǎng)江傾斜。

漢口Ⅰ級(jí)階地段，區(qū)間主要涉及地層為4-1細(xì)砂、4-2細(xì)砂、4-2a粉質(zhì)粘土、4-3中粗砂。

漢陽(yáng)Ⅲ級(jí)階地段，區(qū)間主要涉及的地層為10-2粘土、13-2殘積土、17b中風(fēng)化灰?guī)r、17b-1中風(fēng)化泥灰?guī)r、18a中風(fēng)化灰?guī)r。

漢江河床段，江底地層自上而下依次為2-1粉砂、粉土、3-4粉質(zhì)粘土、4-3中粗砂、19a中風(fēng)化石英砂巖、20b-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖、20b-2中風(fēng)化泥巖。

2.2水文地質(zhì)

漢口Ⅰ級(jí)階地孔隙水含水層主要為粉細(xì)砂、中粗砂層，其含水層與漢江河床透水介質(zhì)直接相通，與漢江有較好的互補(bǔ)關(guān)系，水量豐富。

基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙中，補(bǔ)給方式主要為上覆含水層的下滲補(bǔ)給，其水量及滲透性主要由基巖裂隙的密集程度及貫通性控制?；鶐r以泥巖或泥質(zhì)巖為主的巖體中的裂隙多以密閉型為主或?yàn)槟噘|(zhì)充填，一般裂隙水貧乏。

3施工工法選擇

隧道穿越范圍分屬長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地、漢江河床、Ⅲ級(jí)階地3個(gè)地貌單元，穿越的地層有強(qiáng)透水的砂層、微透水的粘土層、中風(fēng)化巖層，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，各段工法的應(yīng)用范圍如圖2所示。

3.1王家灣站——區(qū)間風(fēng)井

本段屬長(zhǎng)江Ⅲ級(jí)階地，隧道穿越的地層主要為粘土層、中風(fēng)化灰?guī)r，地質(zhì)條件較好，且隧道埋深較深，地面環(huán)境條件較為簡(jiǎn)單，本段采用礦山法施工。

3.2區(qū)間風(fēng)井——宗關(guān)站

3.2.1漢口段

本段屬長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，隧道穿越的地層主要為強(qiáng)透水性的砂層，且地下水與漢江有較好的互補(bǔ)關(guān)系，水量豐富，為確保隧道施工的安全，采用泥水平衡盾構(gòu)施工。

3.2.2江中段～區(qū)間風(fēng)井

本段屬漢江河床向長(zhǎng)江Ⅲ級(jí)階地過渡段，受江底沖刷線控制，隧道埋深深，地質(zhì)條件復(fù)雜，其中中風(fēng)化灰?guī)r飽和極限單軸抗壓強(qiáng)度約48.5 MPa，巖石強(qiáng)度高，盾構(gòu)法施工將會(huì)加速刀具磨損、降低掘進(jìn)速度。

為確保江中段施工安全，本段以泥水平衡盾構(gòu)施工為主；對(duì)于局部硬巖地段，在確保工程安全的前提下采用“礦山法+盾構(gòu)法”組合工法，即“礦山法開挖初支，盾構(gòu)法管片襯砌”。

4盾構(gòu)與礦山法組合段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為提高斷面利用率，硬巖段隧道設(shè)計(jì)為圓形斷面，根據(jù)盾構(gòu)通過的需要分為盾構(gòu)接收段和盾構(gòu)空推段。盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)如下：刀盤直徑6.52m（長(zhǎng)0.8m）；前體直徑6.49m（長(zhǎng)2.2m）；中體直徑6.48m（長(zhǎng)3.5m）；盾尾直徑6.47m（長(zhǎng)度4m）。

4.1盾構(gòu)與礦山法隧道接口設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)V山法隧道先完成施工時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)進(jìn)入礦山法隧道，為確保掌子面土體穩(wěn)定，防止地下水涌入礦山法隧道，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)尺寸（主體長(zhǎng)約10.5m），硬巖隧道靠近盾構(gòu)隧道處14.3米作為盾構(gòu)接收段，共有3段組成，即0.5m厚C25素砼封堵墻、13m的C15素砼回填體、0.8m厚C25鋼筋砼洞門，具體如圖3所示。

4.2盾構(gòu)空推段襯砌設(shè)計(jì)

4.2.1礦山法隧道初支設(shè)計(jì)

為滿足盾構(gòu)空推施工需要，礦山法隧道設(shè)計(jì)為凈空6820mm的圓形斷面，比盾構(gòu)刀盤大150mm。初支采用超前支護(hù)+格柵鋼架+噴射混凝土方式，具體參數(shù)根據(jù)圍巖條件和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。初支與管片之間空隙采用豆礫石及注漿充填。礦山法隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.2.2導(dǎo)臺(tái)設(shè)計(jì)

為保證盾構(gòu)機(jī)保持良好的推進(jìn)姿態(tài)，確保管片拼裝質(zhì)量，在礦山法隧道仰拱90度范圍設(shè)置鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)。鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)的中心線與隧道中心線重合，且對(duì)稱于隧道中心線。導(dǎo)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5盾構(gòu)接收段施工

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)進(jìn)出洞施工風(fēng)險(xiǎn)較大，本工程盾構(gòu)接收段鄰近漢江，施工不當(dāng)將直接影響工程的安全。施工期間的流程如圖6所示：

礦山法開挖硬巖隧道并完成初期支護(hù)、后完成接收段施工，盾構(gòu)后部注漿密封，鑿除洞門，完成盾構(gòu)接收。

5.1封堵墻前盾構(gòu)施工

盾構(gòu)進(jìn)入到達(dá)段時(shí)，逐步減小推力、降低掘進(jìn)速度，待盾構(gòu)刀盤到達(dá)暗挖與盾構(gòu)區(qū)間分界里程前20環(huán)及接收段回填區(qū)域，保證同步注漿量，在控制注漿量的同時(shí)控制注漿壓力，防止同步注漿漿液竄入刀盤區(qū)域。

5.2素混凝土回填區(qū)盾構(gòu)施工

封堵墻掘進(jìn)完成后，進(jìn)入C15素混凝土回填區(qū)域掘進(jìn)，長(zhǎng)度共計(jì)13m，掘進(jìn)過程要求盾構(gòu)速度控制在15mm/min以內(nèi)，推力控制在2000t以下。

施工過程中加強(qiáng)對(duì)空推段隧道初支及洞門變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)初支混凝土有較大震動(dòng)或變形時(shí)，立即反饋并調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，防止推力過大，造成刀盤前部的大面積坍塌。

5.3洞門破除施工

洞門破除前，為有效封堵管片與圍巖之間的泄水通道，對(duì)盾尾已拼裝的10環(huán)管片，通過管片注漿孔對(duì)管片外側(cè)地層進(jìn)行全斷面二次注漿，漿液均采用水泥水玻璃雙液漿。通過土倉(cāng)液位變化判斷注漿效果，達(dá)到要求后方可進(jìn)行洞門破除。

洞門破除自上而下進(jìn)行，鑿除時(shí)須將暗挖初支外露鋼筋割除干凈，避免在盾構(gòu)出洞過程中因盾構(gòu)與洞門鋼筋產(chǎn)生拉拽，破壞暗挖初支結(jié)構(gòu)。

6盾構(gòu)空推段施工

（1）盾構(gòu)機(jī)空載通過礦山法段時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)，加強(qiáng)隧道中線的定位檢測(cè)；管片與礦山法段的空隙通過通過噴射豆礫石在管片脫離盾尾時(shí)對(duì)管片進(jìn)行支撐，以防管片下沉產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。同時(shí)，利用盾構(gòu)機(jī)自身的同步注漿系統(tǒng)壓注水泥砂漿，使襯砌管片與地層間緊密接觸，以提高支護(hù)效果。施工前須做噴射豆礫石試驗(yàn)，確定噴射壓力及可達(dá)到的密實(shí)度。

（2）噴射豆礫石回填后對(duì)管片背后進(jìn)行注漿，為防止管片上浮，注漿從管片大跨以上進(jìn)行壓注。既要保證對(duì)環(huán)向空隙的有效 填充，又要確保管片結(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。

7結(jié)語(yǔ)

本工程已于2015年施工完成，工程實(shí)施期間采用 “礦山法+盾構(gòu)法”組合工法，通過本工程的應(yīng)用，得出了以下結(jié)論：

（1）根據(jù)隧道沿線穿越的主要地層特性，選擇適宜的工法，對(duì)盾構(gòu)穿巖地段，需充分評(píng)估巖石的強(qiáng)度等級(jí)，優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)，確保盾構(gòu)對(duì)地層的適應(yīng)性。

（2）合理確定盾構(gòu)法與礦山法的分界面，一方面利用盾構(gòu)在軟土地層施工的優(yōu)點(diǎn)，縮短工期，降低成本；另一方面對(duì)硬巖地段采用礦山法施工，避免了盾構(gòu)施工刀具磨損，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，確保工程安全順利進(jìn)行。

（3）對(duì)礦山法隧道與盾構(gòu)法隧道接口進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，通過設(shè)置的混凝土“套筒”接收段有效降低了盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)。

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