盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道施工要點(diǎn)分析

賀 晶

上海隧道工程有限公司

1 引言

很多城市的工程地質(zhì)情況多變，軟土地層和巖層交錯(cuò)。在進(jìn)行城市軌道交通工程的隧道施工時(shí)，盾構(gòu)法主要應(yīng)用于地層較軟，且地質(zhì)條件連續(xù)的地層中，而礦山法則主要用于巖石較多的地層或特殊地層。由于城市軌道交通工程路線長(zhǎng)，因此地質(zhì)情況很難保持穩(wěn)定連續(xù)的狀況，軟土地層和巖石地層交替出現(xiàn)。如果只用盾構(gòu)法或礦山法，施工風(fēng)險(xiǎn)大，成本高[1]，因此如何保證盾構(gòu)機(jī)由盾構(gòu)段空推穿越已開(kāi)挖好的礦山段，已經(jīng)成為兩種方法相結(jié)合的隧道施工項(xiàng)目中關(guān)鍵問(wèn)題[2]。

2 工程概況

2.1 基本情況

深圳市科苑大道地下空間綜合開(kāi)發(fā)及13號(hào)線共建綜合管廊工程盾構(gòu)段總長(zhǎng)2585m，區(qū)間最大縱坡3.4%，最小縱坡0.3%，豎曲線半徑3000m，采用一臺(tái)Ф6420mm 的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)施工段頂覆土11m～21.4m，管片環(huán)寬1.5m，厚0.35m，穿越地層主要為礫質(zhì)黏性土及全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部遇中微風(fēng)化凸起。管廊頂埋深約14.186m，距車站地板2.636m，穿越地層為礫質(zhì)黏性土和黏性土，穿越處平、剖面如圖1、圖2所示。

圖1 盾構(gòu)空推段平面圖

礫質(zhì)黏性土呈灰白色、青灰色、褐黃色，由花崗巖風(fēng)化而成。原巖結(jié)構(gòu)依稀可辯，大部分礦物已風(fēng)化成土狀，殘留的礦物成分主要為石英，巖芯呈土柱狀，黏性較差，手捏易散，遇水易軟化。以飽和，硬塑狀態(tài)為主，局部為砂質(zhì)黏性土及黏性土。層位、層厚變化較大。

全風(fēng)化花崗巖屬極軟巖，褐黃、灰白、褐紅色，原巖結(jié)構(gòu)已基本破壞，絕大部分礦物已風(fēng)化成土狀，可見(jiàn)殘余結(jié)構(gòu)，巖芯呈土柱狀，手捏有砂感，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類，以飽和、硬塑～堅(jiān)硬狀為主。

強(qiáng)風(fēng)化花崗巖屬極軟巖，褐黃、褐灰、灰白色，結(jié)構(gòu)大部分已破壞，主要礦物成分為石英、云母和長(zhǎng)石。巖芯多呈密實(shí)土柱狀和半巖半土狀，局部呈碎塊狀，手捏易散，遇水易軟化、崩解，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，巖石質(zhì)量等級(jí)Ⅴ級(jí)。

兩種花崗巖均手捏易散，遇水易軟化、崩解，合金鉆具易鉆進(jìn)。

圖2 盾構(gòu)空推段剖面圖

2.2 空推方案

盾構(gòu)空推過(guò)地鐵2號(hào)線科苑站，空推段隧道由礦山法施工，礦山法總體設(shè)計(jì)思路為“礦山法開(kāi)挖+初支、二襯+管片襯砌”的復(fù)合施工方法。先采用礦山法施工隧道初支，然后再進(jìn)行二襯施工，最后利用盾構(gòu)拼裝管片空推通過(guò)礦山法隧道[3]。

空推的同時(shí)由拼裝盾構(gòu)管片形成隧道，二襯和管片之間的空隙采用豆粒石填充，然后注入水泥漿液、水泥-水玻璃漿液填充豆粒石之間以及隧道二襯和管片之間的間隙，最終形成管廊隧道。隧道設(shè)計(jì)斷面為圓形，如圖3 所示。開(kāi)挖直徑為8020mm，初支厚度為310mm，主要由大管棚、超前小導(dǎo)管，鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架并噴射混凝土組成，二襯厚度為400mm，主要為噴射混凝土。隧道仰供60°范圍內(nèi)初支和二襯下沉50mm，制作厚度為150mm混凝土空推導(dǎo)臺(tái)，如圖3所示。

圖3 隧道斷面圖

3 空推前準(zhǔn)備

3.1 隧道凈空測(cè)量

由于隧道二襯凈空內(nèi)徑為6600mm，盾構(gòu)刀盤外徑為6420mm，因此在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入礦山法隧道前，需要采用斷面測(cè)量?jī)x對(duì)礦山法隧道進(jìn)行全斷面復(fù)測(cè)，保證二者之間90mm的微小空隙不因施工誤差出現(xiàn)問(wèn)題。

施工每推進(jìn)5m測(cè)量一個(gè)全斷面，當(dāng)遇有欠挖斷面時(shí)則每隔2m～3m測(cè)量一個(gè)全斷面。測(cè)量重點(diǎn)是隧道的二襯凈空尺寸偏差和橢圓度。遇到欠挖斷面時(shí)就需要提前鑿除，先噴混凝土再進(jìn)行整平處理，保證盾構(gòu)空推條件。此外還需要測(cè)量礦山法隧道軸線偏差，以確保盾構(gòu)空推路線符合設(shè)計(jì)要求[4]。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出與隧道設(shè)計(jì)軸線偏差最小的盾構(gòu)空推施工軸線，最后得到導(dǎo)臺(tái)施工放樣數(shù)據(jù)。

3.2 導(dǎo)臺(tái)施工與復(fù)測(cè)

3.2.1 導(dǎo)臺(tái)施工

混凝土導(dǎo)臺(tái)半徑為3400mm，厚度為150mm，呈圓弧形，其圓心與隧道中心重合，半徑比盾構(gòu)刀盤輪廓大190mm，沿隧道軸線方向的縱坡與隧道縱坡相同。為防止盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入礦山法隧道時(shí)撞裂導(dǎo)臺(tái)混凝土，空推時(shí)根據(jù)需要拆除邊刮刀、邊滾刀。

3.2.2 導(dǎo)臺(tái)復(fù)測(cè)

混凝土導(dǎo)臺(tái)的施工質(zhì)量直接影響到盾構(gòu)機(jī)能否保持良好的推進(jìn)姿態(tài)，保證管片拼裝質(zhì)量，以及達(dá)到預(yù)期的防水效果，因此導(dǎo)臺(tái)的施工精度是盾構(gòu)空推段的一個(gè)控制難點(diǎn)。

導(dǎo)臺(tái)施工完成后，采用斷面測(cè)量?jī)x對(duì)導(dǎo)臺(tái)平面位置、標(biāo)高、軸線、圓弧度進(jìn)行復(fù)測(cè)，澆注完成后由測(cè)量組對(duì)導(dǎo)臺(tái)進(jìn)行線路聯(lián)系測(cè)量，包括水平及豎直方向，導(dǎo)臺(tái)軸線的精度控制在±5mm。

4 空推質(zhì)量保證措施

4.1 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞姿態(tài)調(diào)整

由于刀盤比盾體大，為了避免導(dǎo)臺(tái)標(biāo)高與洞門標(biāo)高一致時(shí)出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)碰撞，導(dǎo)臺(tái)破碎的情況，需要根據(jù)洞門復(fù)測(cè)時(shí)的情況實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)。在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞前，保證機(jī)頭豎直偏差在10mm以內(nèi)。澆注混凝土導(dǎo)臺(tái)時(shí)，就降低進(jìn)洞位置處導(dǎo)臺(tái)或?qū)?dǎo)臺(tái)進(jìn)行放坡。此外在進(jìn)洞時(shí)導(dǎo)臺(tái)上方離洞門5m 范圍內(nèi)鋪滿袋，防止貫通時(shí)洞門混凝土掉下來(lái)砸傷導(dǎo)臺(tái)。

4.2 盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)控制

盾構(gòu)空推姿態(tài)控制主要從導(dǎo)臺(tái)施工精度、管片拼裝質(zhì)量、油缸形成差調(diào)整及人工輔助測(cè)量對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)測(cè)量精度的控制等方面進(jìn)行控制。

盾構(gòu)空推過(guò)程中不需轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，但要密切注意盾構(gòu)機(jī)刀盤周邊與二襯之間的間隙，確保其最小不超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)留量，如出現(xiàn)因欠挖、盾構(gòu)姿態(tài)不佳而導(dǎo)致刀盤可能與初支相撞的趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)立即采取措施，對(duì)欠挖部分進(jìn)行處理，或調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，避免發(fā)生意外。

4.3 管片拼裝

在管片拼裝前需要檢查管片，確認(rèn)管片種類是否正確、質(zhì)量完好無(wú)缺、密封墊粘接無(wú)脫落，檢查各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)合格后方允許安裝[5]。每環(huán)管片安裝都必須經(jīng)過(guò)三輪緊固處理，在安裝時(shí)先進(jìn)行人工緊固，此后每安裝完畢一環(huán)，就用風(fēng)動(dòng)扳手進(jìn)行再次擰緊，待這一環(huán)脫出盾尾后又緊固一次。一旦掘進(jìn)過(guò)程中管片受到損傷，就需要及時(shí)修補(bǔ)。

由于盾構(gòu)機(jī)空推時(shí)，采用盾構(gòu)機(jī)前方對(duì)放一定量豆粒石或礫質(zhì)黏土為盾構(gòu)機(jī)提供反力，因此為了保證盾構(gòu)管片接縫緊密，利用盾構(gòu)后配套行走軌道與盾構(gòu)機(jī)相連，通過(guò)軌道牽引盾構(gòu)為管片拼裝提供足夠的推力。

4.4 噴填豆粒石

施工時(shí)，事先計(jì)算每環(huán)填充的所需豆粒石量，在車架段的專用空間內(nèi)裝好豆粒石。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，利用管片注漿孔，在同步注漿前將豆粒石通過(guò)注漿孔噴填至管片背部的建筑空隙。噴射壓力按設(shè)計(jì)要求設(shè)置。作業(yè)時(shí)，為了防止噴射過(guò)程中揚(yáng)塵，豆礫石必須先進(jìn)行灑水濕潤(rùn)。

4.5 同步注漿

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，當(dāng)管片吊裝孔剛剛脫出盾尾時(shí)，自管片下部吊裝孔注入水泥-水玻璃雙液漿，以利用雙液漿較快的凝結(jié)性能，使之充分填充豆粒石間隙，并在管片底部快速形成水泥漿-豆粒石板結(jié)體，以防止管片下沉。

管片完全脫出盾尾后，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)向管片背部注入水泥砂漿-水玻璃雙液漿，填充建筑空隙，防止管片上浮。注漿壓力0.2MPa～0.5MPa，注入量為管片背部建筑空隙的60%～70%，防止因漿液注入過(guò)快、注入量過(guò)大造成管片上浮。在較短時(shí)間內(nèi)漿液與豆粒石混合、板結(jié)，有效減少了漿液對(duì)管片產(chǎn)生的浮力。實(shí)際施工時(shí)，完成該步注漿后每2隔小時(shí)對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)測(cè)量1次，以調(diào)整漿液注入量、初凝時(shí)間。施工中，如需暫停注漿時(shí)，則在下次注漿前用膨潤(rùn)土漿液清洗管路，防止堵塞。

為了防止?jié)B漏水，管片脫出盾尾一定環(huán)數(shù)后，打開(kāi)注漿孔，實(shí)施二次注漿作業(yè)。注漿作業(yè)采用二次注漿泵進(jìn)行。漿液材料為水泥漿，開(kāi)始注漿壓力按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，注入一定量后，依據(jù)注漿效果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修改。

5 施工監(jiān)測(cè)

5.1 地面沉降監(jiān)測(cè)

在盾構(gòu)穿越前、穿越時(shí)和穿越后對(duì)上覆地層進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，一般在隧道軸線方向上，每隔5m 設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每天分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并及時(shí)反饋給項(xiàng)目部和監(jiān)理。

5.2 隧道凈空收斂變形監(jiān)測(cè)

在盾構(gòu)穿越前和穿越時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求對(duì)礦山法隧道拱頂和周邊凈空進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)每天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并反饋給項(xiàng)目部和監(jiān)理。根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，對(duì)超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量進(jìn)行分析，并作出對(duì)應(yīng)措施。保證盾構(gòu)順利空推過(guò)站。

6 結(jié)束語(yǔ)

在充分掌握盾構(gòu)空推段地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、礦山法工藝和盾構(gòu)推進(jìn)工藝的條件下，通過(guò)控制礦山法隧道施工質(zhì)量、導(dǎo)臺(tái)施工精度、盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞姿態(tài)和推進(jìn)姿態(tài)、管片拼裝質(zhì)量、同步注漿和二次注漿以及盾構(gòu)推進(jìn)全過(guò)程的監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵工序，可以保證盾構(gòu)空推工程質(zhì)量。在今后的類似工程環(huán)境中，采用礦山法施工，盾構(gòu)空推穿越的工法提供參考。