淺析雙護(hù)盾TBM超近距離下穿人防洞室施工關(guān)鍵技術(shù)

劉 源

（中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065200）

0 引言

隨著社會(huì)城市的發(fā)展，城市交通壓力日益增大，發(fā)展城市立體交通成為必然。與傳統(tǒng)的城市地鐵建設(shè)施工方法相比較，雙護(hù)盾TBM 工法是一種施工速度快、安全性能高、施工條件好的隧道施工方法。在巖質(zhì)地層條件下城市軌道交通修建過(guò)程中，采用雙護(hù)盾TBM 工法能夠較好的解決礦山法所帶來(lái)的施工速度慢、爆破振動(dòng)擾民等問(wèn)題。近年來(lái)，不少專家學(xué)者對(duì)雙護(hù)盾TBM 及其施工進(jìn)行了研究[1-2]。黃艦對(duì)青島地鐵區(qū)間隧道雙護(hù)盾TBM 地質(zhì)適應(yīng)性進(jìn)行了分析[3]。

該文根據(jù)青島地鐵2 號(hào)線隧道下穿的人防洞室和設(shè)備特性等因素，對(duì)雙護(hù)盾TBM 工法在青島地鐵超近距離下穿人防洞室施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究總結(jié)。

1 工程概況

青島地鐵是國(guó)內(nèi)首次將雙護(hù)盾TBM 運(yùn)用至城市硬巖隧道地鐵施工工程。青島地鐵2 號(hào)線一標(biāo)03 工區(qū)泰山路站～芝泉路站區(qū)間隧道共穿越人防洞室2 處，下穿段范圍為ZSK24+950～ZSK25+095（圖1、圖2），ZSK25+125～ZSK 25+280（圖3、圖4），下穿段落長(zhǎng)度為300 m，隧道開挖直徑6.3 m。人防洞室均為毛洞，洞室開挖完后，未采取任何支護(hù)措施，在線路施工范圍內(nèi)距隧道頂最近處僅為0.91 m。人防洞室與下穿隧道之間關(guān)系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)外邊緣間垂直距離變化幅度較大。且人防洞室距離區(qū)間隧道較近，常年封閉，積水量較大。施工過(guò)程中存在坍塌、涌水等重大安全隱患。人防洞室與區(qū)間隧道相對(duì)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 區(qū)間隧道下穿人防洞室統(tǒng)計(jì)表

2 施工難點(diǎn)

2.1 人防洞室極易出現(xiàn)坍塌

本段落隧道穿越地層以中等～微風(fēng)化花崗巖層為主，局部地段煌斑巖及花崗斑巖等脈巖發(fā)育，部分地段受構(gòu)造影響為發(fā)育碎裂巖等構(gòu)造巖，圍巖等級(jí)多為Ⅴ、Ⅵ級(jí)，少部分段落為Ⅱ級(jí)，巖體破碎。因人防洞室均為毛洞，且開挖后未采取任何加固措施，隧道成洞后人防洞室下部支承力不足，TBM掘進(jìn)施工時(shí)因擠壓及震動(dòng)作用破壞了巖體間原有受力平衡，極易造成人防洞室坍塌。

2.2 隧道涌水

圖1 ZSK24+950～ZSK25+095 段人防洞室位置示意圖

圖2 ZSK24+950～ZSK25+095 段人防洞室與隧道位置關(guān)系圖

圖3 ZSK25+125～ZSK25+280 段人防洞室位置示意圖

圖4 ZSK25+125～ZSK25+280 段人防洞室與隧道位置關(guān)系圖

人防洞室處于長(zhǎng)年封閉狀態(tài)，洞室內(nèi)積水量大，且施工時(shí)正值雨季，地下水量受季節(jié)影響較大，部分破碎巖體滲透性強(qiáng)，局部巖脈及構(gòu)造巖發(fā)育處地下水較豐富，且具有承壓性，其最大涌水量約8.0 m3/d·m，掘進(jìn)時(shí)極易造成洞內(nèi)大量涌水的情況發(fā)生。

2.3 地面沉降造成建構(gòu)筑物開裂甚至坍塌

TBM 掘進(jìn)施工對(duì)巖體具有很強(qiáng)的擾動(dòng)作用，加上人防洞室自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，極易出現(xiàn)人防洞室下沉變形的情況。土體自重及地面建構(gòu)筑物附重加劇了地面沉降及坍塌的可能性，大范圍的地層巖體的擾動(dòng)變形使地面建構(gòu)筑物發(fā)生開裂甚至倒塌，具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 對(duì)TBM掘進(jìn)姿態(tài)及掘進(jìn)參數(shù)控制精度要求極高

區(qū)間隧道多次交叉下穿人防洞室，人防洞室與區(qū)間隧道間最小垂直距離僅為0.91 m，由TBM 始發(fā)井至泰山路站掘進(jìn)施工時(shí)隧道坡度為3%。TBM 掘進(jìn)速率控制不當(dāng)，會(huì)造成圍巖自穩(wěn)能力下降，易造成坍塌，將降低TBM 的掘進(jìn)速率。且TBM 在堅(jiān)硬耐磨巖石中掘進(jìn)時(shí)，刀具磨損和刀圈消耗較快，也會(huì)影響TBM 的掘進(jìn)速率。TBM 掘進(jìn)施工時(shí)盾體呈“抬頭”姿態(tài)向前掘進(jìn)，掘進(jìn)施工時(shí)，如果盾體“抬頭”過(guò)大時(shí)極易穿透人防洞室底部，如果TBM 掘進(jìn)速度較快或下部主推油缸推力過(guò)大時(shí)造成TBM 姿態(tài)突變也可能導(dǎo)致上述情況的發(fā)生。

3 技術(shù)措施

3.1 人防洞室內(nèi)集水坑處理

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)勘

人防洞室修建年代久遠(yuǎn)，可供參照的資料不足，且前期未對(duì)人防洞室進(jìn)行調(diào)查，導(dǎo)致現(xiàn)有人防洞室調(diào)查資料不能滿足設(shè)計(jì)、施工需要。為了保證施工安全，TBM 掘進(jìn)施工前組織相關(guān)人員對(duì)此段落圍巖地質(zhì)情況及人防洞室結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)勘調(diào)查。

3.1.2 回填處理

對(duì)洞室內(nèi)集水坑進(jìn)行回填處理，采用C30、P8 混凝土進(jìn)行回填，施工前對(duì)其標(biāo)高、形狀進(jìn)行詳細(xì)勘察，并對(duì)坑內(nèi)積水進(jìn)行抽排。由于集水坑與區(qū)間隧道是局部交叉的，因此，施工完成后保證隧道開挖輪廓上方有不小于1 m 的混凝土覆層。而人防洞室其他部分與區(qū)間隧道最少均有1 m 左右，還要對(duì)人防洞室進(jìn)行拱架以及噴射混凝土全面加固，厚度約30 cm。

3.2 預(yù)加固措施

人防洞室與地鐵隧道之間的關(guān)系復(fù)雜，且人防洞室為毛洞，當(dāng)人防洞室斷面底板與隧道拱頂?shù)木嚯x不足2.5 m時(shí)，TBM 掘進(jìn)過(guò)程中人防洞室存在安全隱患較大，為了防止隧道出現(xiàn)坍塌，人防洞室會(huì)提前采取加固措施，對(duì)此斷面進(jìn)行全環(huán)加固處理。在人防洞室內(nèi)提前架設(shè)全環(huán)I16 鋼架，間距1 m，并噴射C25 混凝土包裹鋼架，而斷面底板與隧道拱頂?shù)木嚯x大于2.5 m 時(shí)，采用底板噴射250 mm 厚C30、P8 混凝土加固處理，各斷面加固參數(shù)表見(jiàn)表2。

表2 各斷面加固參數(shù)

為了保證施工安全，區(qū)間隧道TBM 掘進(jìn)后對(duì)人防洞室也采取加固措施，TBM 掘進(jìn)過(guò)后，密切監(jiān)控洞周變形，必要時(shí)采取型鋼鋼架+噴射混凝土的加固措施。

3.3 施工參數(shù)控制

由于人防洞室距離TBM 隧道很近，隧道拱頂處巖層較薄，因此在TBM 掘進(jìn)下穿人防洞室時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制推力和刀盤轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)，控制人防洞室的安全。該項(xiàng)目所用雙護(hù)盾TBM 主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。施工時(shí)遵循“低推力、低轉(zhuǎn)速”原則，掘進(jìn)參數(shù)選擇見(jiàn)表4。

表3 TBM 主要技術(shù)參數(shù)

表4 掘進(jìn)參數(shù)

進(jìn)入下穿人防洞室范圍內(nèi)掘進(jìn)施工前10 m 即停機(jī)檢修，嚴(yán)禁TBM“帶病”進(jìn)入此段落施工。進(jìn)入下穿段掘進(jìn)前5 m 進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，推進(jìn)時(shí)速度應(yīng)控制在2.5 cm/min～3 cm/min，推力＜4 000 kN，以此減小TBM 掘進(jìn)推力過(guò)大及速度過(guò)快對(duì)地層的擾動(dòng)影響，減少了土體坍塌的可能性。

為了避免掘進(jìn)過(guò)程中盾體姿態(tài)的突變，特別是刀盤“抬頭值”過(guò)大，而導(dǎo)致人防洞室底部被穿透的情況發(fā)生，掘進(jìn)時(shí)應(yīng)當(dāng)精確控制TBM 油缸推力，降低刀盤轉(zhuǎn)速和推力，減少單位時(shí)間內(nèi)出渣量，不停機(jī)快速通過(guò)，防止塌方；掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制出碴量。

3.4 監(jiān)控量測(cè)及信息反饋

由于人防洞室距離TBM 隧道較近，隧道拱頂處巖層較薄，為防止在TBM 掘進(jìn)過(guò)程中，人防洞室出現(xiàn)異常情況，過(guò)程中對(duì)人防洞室的底板沉降、拱頂沉降、凈空收斂以及地表沉降作為主控項(xiàng)目進(jìn)行了嚴(yán)密的監(jiān)控，并設(shè)定了警戒值、控制值，見(jiàn)表5。

表5 人防洞室監(jiān)控控制值表

為了避免地面構(gòu)建物出現(xiàn)開裂及坍塌等安全風(fēng)險(xiǎn)，人防洞室內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的同時(shí)，也要在人防洞室上方布設(shè)房屋、地表、管線監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，定時(shí)進(jìn)行測(cè)量，如發(fā)現(xiàn)有沉降達(dá)到預(yù)警值，及時(shí)采取加固措施。

4 施工效果

該工程雙護(hù)盾TBM 超近距離下穿人防洞室施工，在國(guó)內(nèi)城市硬巖地鐵施工中尚屬首例，超近距離下穿人防洞室的區(qū)間隧道對(duì)設(shè)備的適應(yīng)性和施工技術(shù)管理水平提出了嚴(yán)苛的考驗(yàn)，在采取了該文所述的措施后，超近距離下穿人防洞室段未出現(xiàn)坍塌及涌水情況，地表沉降控制在-15 mm～0 mm，地面建（構(gòu)）筑物未出現(xiàn)開裂、坍塌的情況，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良工程標(biāo)準(zhǔn)，很好地完成了這一重難點(diǎn)的施工任務(wù)。

5 結(jié)論與建議

結(jié)論與建議有如下2 點(diǎn)：1）在雙護(hù)盾TBM 超近距離下穿人防洞室段落隧道施工中，既有和一般的隧道掘進(jìn)相同的一面，又有其特殊性，要著重研究和控制它特殊性的一面。2）在雙護(hù)盾TBM 超近距離下穿人防洞室區(qū)間隧道施工中，要抓住人防洞室易坍塌、沉降的特點(diǎn)，做好超前預(yù)加固及監(jiān)控量測(cè)措施，TBM 進(jìn)入此段落施工時(shí)要嚴(yán)格控制施工參數(shù)，以“小推力、短進(jìn)尺、勤監(jiān)測(cè)、勤調(diào)整、及時(shí)背后回填”的原則進(jìn)行推進(jìn)，隨著區(qū)間隧道與人防洞室垂直距離的變化不斷進(jìn)行各種參數(shù)優(yōu)化。