大直徑盾構(gòu)空推通過礦山法隧道段的施工技術(shù)研究

畢經(jīng)東 趙得杰

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300308，天津 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工由于其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保且適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前隧道施工中最為普遍采用的施工方法。但是盾構(gòu)法也存在一些不足，如在硬巖、孤石群和上軟下硬區(qū)域進(jìn)行施工時(shí)，由于刀盤磨損較大、施工速度慢、停機(jī)時(shí)間長，以及易造成較大的施工沉降，既影響工期，又增加了施工成本[1]。如何使盾構(gòu)機(jī)在此類地層中安全、快速和高質(zhì)量地推進(jìn)，仍是隧道施工技術(shù)中的一項(xiàng)難題。

諸多學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)通過堅(jiān)硬土層的施工進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)[2]對(duì)盾構(gòu)空推通過礦山法隧道段時(shí)關(guān)鍵部位的質(zhì)量控制進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[3]根據(jù)武漢某地鐵區(qū)間施工的實(shí)際情況，介紹了盾構(gòu)在中風(fēng)化泥巖地層中空推通過礦山法隧道時(shí)，盾構(gòu)到達(dá)、推進(jìn)和接收階段的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制措施；文獻(xiàn)[4]結(jié)合深圳地鐵2號(hào)線某工程實(shí)例，介紹了城市地鐵盾構(gòu)施工遭遇極硬巖、孤石群或上軟下硬地層時(shí)采用礦山法加盾構(gòu)法聯(lián)合施工的方法；文獻(xiàn)[5]針對(duì)深圳地鐵2號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)空推拼管片通過礦山法隧道段的施工，從空推拼管片滲漏水機(jī)理分析入手，分析了滲漏水的控制難點(diǎn)；文獻(xiàn)[6-9]研究分析了盾構(gòu)空推通過既有礦山法隧道現(xiàn)場施工時(shí)出現(xiàn)的管片錯(cuò)臺(tái)、隧道滲漏水、管片上浮、管片破損等質(zhì)量缺陷及其形成原因，并闡述了預(yù)防和控制措施。

綜上，既有文獻(xiàn)都是針對(duì)地鐵隧道在硬巖、孤石群及上軟下硬地層中的盾構(gòu)法聯(lián)合礦山法施工進(jìn)行研究，且盾構(gòu)直徑較小，一般為6 m左右。本文針對(duì)大直徑(8.8 m)盾構(gòu)空推通過既有礦山法隧道的施工技術(shù)，對(duì)進(jìn)洞前、空推及出洞過程中的施工質(zhì)量控制措施進(jìn)行了研究，可為以后類似工程的施工提供參考。

1 工程概況

東南沿海地區(qū)某城際軌道交通車站至4號(hào)工作井區(qū)間原設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)法施工，通過現(xiàn)場補(bǔ)勘得知，DK14+592—DK14+709及YDK14+635.155—YDK14+727.155區(qū)間隧道范圍內(nèi)硬巖局部強(qiáng)度大于120 MPa。該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工將大大增加盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)間及換刀頻率，降低了施工效率和經(jīng)濟(jì)效益，故該段采用礦山法施工。盾構(gòu)空推段為單向上坡，最大坡度為20.1‰。盾構(gòu)空推施工示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)空推施工示意圖

2 盾構(gòu)空推通過礦山法隧道段的施工重點(diǎn)

2.1 導(dǎo)臺(tái)與導(dǎo)軌精確定位與施工

盾構(gòu)機(jī)在礦山法隧道中空推步進(jìn)時(shí)，在位于隧底已施作好的混凝土導(dǎo)臺(tái)上向前推進(jìn)，導(dǎo)臺(tái)及導(dǎo)軌要保證盾構(gòu)機(jī)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)軸線姿態(tài)平穩(wěn)推進(jìn)，且保證管片的拼裝質(zhì)量及防水效果。因此，混凝土導(dǎo)臺(tái)與預(yù)埋導(dǎo)軌的精確施工，是盾構(gòu)空推施工的重點(diǎn)之一。

2.2 盾構(gòu)機(jī)的安全到達(dá)

在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)礦山法隧道段前，隨著剩余巖體長度不斷減小，盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)對(duì)前方巖體及隧道結(jié)合部的擾動(dòng)和影響逐漸增大。設(shè)定合理的前進(jìn)參數(shù)，尤其是推力和推進(jìn)速度的控制，是保證貫通面的穩(wěn)定以及盾構(gòu)安全順利到達(dá)礦山法隧道段的關(guān)鍵。

2.3 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)反力的設(shè)置

盾構(gòu)機(jī)在空推前進(jìn)過程中，如果前方?jīng)]有阻力的作用，會(huì)使安放在管片間的橡膠止水條受到的壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，管片之間的密封性能會(huì)急劇下降，容易發(fā)生滲漏水。因此，在刀盤前方采取措施，以提供足夠的頂推反力是盾構(gòu)空推施工的重點(diǎn)。

2.4 管片壁后豆礫石的密實(shí)充填和防止?jié){液前竄

管片與初期支護(hù)之間空隙較大，且不均勻，豆礫石吹填不易密實(shí)；尤其是下坡段，豆礫石及注漿漿液容易向刀盤前方竄流，影響壁后填充效果。因此，保證填充效果和減少漿液竄流也是盾構(gòu)空推施工的重點(diǎn)。

3 主要施工控制措施

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前，應(yīng)完成礦山法隧道段的初支結(jié)構(gòu)及其堵頭墻的封端施工?？胀魄斑M(jìn)時(shí)，管片及漿液運(yùn)輸通過電瓶車編組從后方橫琴站實(shí)施，豆礫石提前放置在刀盤前方導(dǎo)臺(tái)上;采取刀盤前方噴射豆礫石的方式，混凝土噴射機(jī)位于刀盤前方，同時(shí)刀盤前方堆放的豆礫石為盾構(gòu)推進(jìn)提供反力。盾構(gòu)進(jìn)礦山法隧道段開始空推和出礦山法隧道段開始前進(jìn)時(shí)，其分界位置和端頭應(yīng)按照盾構(gòu)到達(dá)和盾構(gòu)始發(fā)形式進(jìn)行，并提前在隧道端頭采取施作堵頭墻的措施。礦山法暗挖隧道與盾構(gòu)隧道交界處采用鋼筋混凝土端封墻，礦山法暗挖隧道內(nèi)設(shè)置素混凝土端封墻。

3.1 進(jìn)洞前施工控制措施

1) 為了確保盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)進(jìn)入礦山法暗挖隧道，防止土倉壓力驟減引起的地面沉降，在做好洞內(nèi)注漿的同時(shí)，礦山法隧道接收段13 m范圍內(nèi)下臺(tái)階與中臺(tái)階預(yù)留不進(jìn)行開挖，如圖2所示。上臺(tái)階開挖完成后施作端封墻，端封墻厚60 cm，采用C25鋼筋混凝土。端封墻上部鋼筋與初支鋼架焊接，下部植入中臺(tái)階，與下臺(tái)階花崗巖地層連接為整體，上臺(tái)階與鋼筋混凝土擋墻之間回填C15素混凝土。

圖2 暗挖隧道的盾構(gòu)接收段及端封墻

2) 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤前進(jìn)至距離鋼筋混凝土擋墻5 m時(shí)停機(jī)，對(duì)礦山法暗挖段隧道端封墻進(jìn)行開孔檢查處理，主要檢查出水量。

3) 在盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)過程中，隨著多環(huán)管片脫出盾尾，對(duì)管片與土層之間的空隙進(jìn)行同步注漿，確保空隙位置填充密實(shí)；停機(jī)后繼續(xù)采取二次注漿做止水環(huán)，以有效進(jìn)行止水。

4) 止水環(huán)施作完成后前進(jìn)至距離端封墻3 m時(shí)停機(jī)，對(duì)預(yù)留下臺(tái)階進(jìn)行開挖，施作初支鋼架，破除端封墻。

5) 端封墻破除完畢后，復(fù)測盾構(gòu)機(jī)中心，根據(jù)復(fù)測數(shù)據(jù)施作下臺(tái)階段導(dǎo)臺(tái)。導(dǎo)臺(tái)與接收斷面間應(yīng)預(yù)留1 m(刀盤厚0.8 m)的間距，以利于空載和負(fù)載的轉(zhuǎn)換。

6) 刀盤周邊刀切削外徑大于盾體直徑，為盡量減少初支及預(yù)埋注漿管阻擋刀盤，應(yīng)拆除刀盤最邊緣刀具。

7) 為使盾構(gòu)機(jī)順利上導(dǎo)臺(tái)，在預(yù)留下臺(tái)階開挖完成及初支施作后，施作“引軌”(即下臺(tái)階長度為7 m，預(yù)留1 m至接收斷面，臺(tái)階剩余長度為6 m)。導(dǎo)臺(tái)施作時(shí)從小里程方向往大里程方向按10‰坡度上坡。

8) 端封墻混凝土鑿除：礦山法暗挖段隧道頂覆土平均深度為10 m，為確保盾構(gòu)平穩(wěn)進(jìn)入礦山法暗挖隧道，待刀盤及盾體完全進(jìn)入回填區(qū)內(nèi)，隨著盾構(gòu)步進(jìn)應(yīng)逐步降低土壓至常壓狀態(tài)。為防止端封墻受盾構(gòu)機(jī)推力致使初支鋼架受力而導(dǎo)致初支不穩(wěn)定，在刀盤前進(jìn)至端封墻3 m時(shí)，停機(jī)將端封墻與初支連接鋼筋全部割除。另外，為降低盾構(gòu)刀盤面對(duì)洞門墻體的頂壓力，打開洞門中心釋放孔釋放應(yīng)力；盾構(gòu)機(jī)距鋼筋混凝土端封墻5 m時(shí)，為降低盾構(gòu)正面壓力對(duì)洞門墻體的推力，應(yīng)逐漸將土壓降至0；打開端封墻釋放孔，以降低盾構(gòu)集中推力；盾構(gòu)機(jī)距離鋼筋混凝土端頭墻3 m位置時(shí)，為防止盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)過程中推力傳導(dǎo)至端封墻導(dǎo)致初支拉斷及端封墻倒塌，盾構(gòu)應(yīng)停機(jī)，破除端封墻及下臺(tái)階硬巖后，施作初支，然后再施作導(dǎo)臺(tái)。

9) 進(jìn)入礦山法暗挖隧道段前盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)姿態(tài)控制：盾構(gòu)機(jī)到達(dá)暗挖隧道段前150 m時(shí)，要對(duì)所有監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，并對(duì)各個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)進(jìn)行精密計(jì)算；盾構(gòu)機(jī)到達(dá)暗挖隧道段前100 m時(shí)，要對(duì)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行人工復(fù)測，掌握盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際坐標(biāo)并進(jìn)行相應(yīng)的糾偏，使盾構(gòu)機(jī)保持良好的正確姿態(tài)(豎直方向上要高于設(shè)計(jì)軸線20 mm)，使其順利進(jìn)入到達(dá)段。對(duì)盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)參數(shù)，如土壓、推力、出土量等進(jìn)行調(diào)整，以降低盾構(gòu)機(jī)臨近洞門前進(jìn)對(duì)洞門結(jié)構(gòu)的影響；盾構(gòu)機(jī)到達(dá)暗挖隧道段前13 m時(shí)，要逐步降低刀盤轉(zhuǎn)速、推力及推進(jìn)速度(刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.80～1.06 r/min，推進(jìn)速度保持在10 mm/min以內(nèi)，總推力不大于8 000 kN)；加強(qiáng)洞門及底板的監(jiān)測頻率，并將監(jiān)測結(jié)果及時(shí)反映給盾構(gòu)機(jī)車控室以便優(yōu)化前進(jìn)控制。

10) 導(dǎo)臺(tái)施工:導(dǎo)臺(tái)分為導(dǎo)臺(tái)底基座和上部導(dǎo)向臺(tái)。盾構(gòu)機(jī)在導(dǎo)臺(tái)上空載推進(jìn)并拼裝管片。導(dǎo)臺(tái)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，下部底基座部分為素混凝土。導(dǎo)臺(tái)厚150 mm，底部縱向單層布設(shè)φ8 mm@200 mm鋼筋，環(huán)向箍筋按φ10 mm、@200 mm布設(shè)。導(dǎo)臺(tái)底部兩側(cè)鋪設(shè)43 kg/m鋼軌，鋼軌下方預(yù)埋厚2 cm鋼板墊塊供后續(xù)安裝導(dǎo)軌和焊接擋板，以為盾構(gòu)機(jī)提供反力。鋼板下方焊接長15 cm、φ22 mm鋼筋，使其錨入導(dǎo)臺(tái)底基座。鋼軌軌面高出導(dǎo)臺(tái)混凝土面2～3 cm。

11) 豆礫石的準(zhǔn)備與填充：盾構(gòu)機(jī)在空推過程中，由于前方及周邊的阻力相對(duì)較小，故需對(duì)這些位置噴射豆礫石，以增大盾構(gòu)機(jī)的阻力，從而給盾構(gòu)機(jī)提供足夠的反力，使管片止水條擠壓密實(shí)，也能使水平連接螺栓擰緊牢固，達(dá)到抑制成型管片錯(cuò)臺(tái)漏水的效果。豆礫石直徑宜在5 mm至10 mm之間。在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入暗挖隧道之前，應(yīng)將豆礫石提前準(zhǔn)備齊全。

12) 空推段反力計(jì)算：暗挖空推推力需滿足大于止水條最小擠壓力的要求。止水條的受壓變形試驗(yàn)曲線如圖3所示。

圖3 止水條受壓變形試驗(yàn)曲線圖

止水條安裝直徑為8 416 mm，單環(huán)止水條長度為26.426 m，單環(huán)受力為1 321.3 kN。按設(shè)計(jì)圖紙及圖3計(jì)算，管片止水條受到的總壓力可達(dá)2 642.6 kN，滿足止水強(qiáng)度要求。

3.2 盾構(gòu)空推的主要施工控制措施

3.2.1 盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)

依據(jù)導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)刀盤之間的幾何關(guān)系，對(duì)各個(gè)方向推進(jìn)油缸的油壓(下部油缸壓力略大于上部油缸壓力)進(jìn)行調(diào)整，使得盾構(gòu)施工時(shí)隧道真實(shí)軸線盡量接近設(shè)計(jì)軸線。初期盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在15～30 mm/min，后期隨著操作技術(shù)的熟練，推進(jìn)速度可達(dá)到30～45 mm/min。盾構(gòu)推進(jìn)過程中要對(duì)礦山法暗挖段隧道與刀盤輪廓之間的間距及盾構(gòu)前體下部與導(dǎo)臺(tái)的結(jié)合情況進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測。導(dǎo)臺(tái)軌道涂抹油脂潤滑，以盡量減少摩擦阻力，確保盾構(gòu)機(jī)在導(dǎo)臺(tái)上安全順利步進(jìn)。

3.2.2 盾構(gòu)軸線控制

依據(jù)軸線的設(shè)計(jì)半徑及盾構(gòu)刀盤直徑計(jì)算各個(gè)方向上千斤頂?shù)男谐滩睢Ｓ捎诒緟^(qū)間為直線段，只需調(diào)整上下的鉸接油缸和推進(jìn)油缸行程差值在46 mm(管片楔形量)以內(nèi)即可，以確保盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)符合礦山法暗挖段隧道設(shè)計(jì)軸線的要求。

3.2.3 豆礫石填充

管片拼裝完成后，要及時(shí)進(jìn)行管片外圍與地層間的背襯回填工作?；靥畈牧蠟閲娚涞亩沟[石。

因所用盾構(gòu)機(jī)在盾尾處設(shè)計(jì)有止?jié){板，故將φ50 mm導(dǎo)管的長度設(shè)定為11.2 m，使豆礫石充分填充在管片與初支空隙中。導(dǎo)管自盾構(gòu)機(jī)刀盤2及10點(diǎn)位處插入到盾尾后20 cm處(盾構(gòu)機(jī)盾體含刀盤總長為11 m)，導(dǎo)管與盾體焊接固定，推進(jìn)前和隨同盾構(gòu)步進(jìn)時(shí)要從刀盤前向盾體后方噴射粒徑為5～10 mm的豆礫石骨料，并進(jìn)行同步注漿。

若發(fā)現(xiàn)管片背后填充不密實(shí)，則每步進(jìn)100 cm，利用管片注漿孔再一次用混凝土噴射機(jī)向管片背后吹入豆礫石，以確保管片背后充分密實(shí)?；靥顢?shù)量基本達(dá)到理論數(shù)量后，打開管片頂部的注漿孔觀察，直到注漿孔內(nèi)充滿豆礫石。噴射豆礫石時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)的切口四周要按照每隔5 m設(shè)置1個(gè)袋裝砂石料圍堰。為了防止管片后面的砂漿及豆礫石向前竄，圍堰高度要控制在時(shí)鐘的2點(diǎn)位置以下。

3.2.4 同步注漿

每環(huán)管片安裝完成后，要對(duì)管片外圍噴射豆礫石，豆礫石噴射完成后進(jìn)行同步注漿。注漿的同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)，采用盾構(gòu)機(jī)上自帶的同步注漿設(shè)備進(jìn)行注漿?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，手動(dòng)調(diào)整注漿壓力及注漿量。注漿壓力一般設(shè)為0.05～0.15 MPa。當(dāng)注漿量為理論計(jì)算值的80%時(shí)停止注漿，且在注漿過程中要對(duì)盾構(gòu)機(jī)周圍進(jìn)行嚴(yán)密觀測，一旦發(fā)現(xiàn)有漏漿情況，應(yīng)立即停止注漿。

3.2.5 管片外側(cè)二次注漿

管片頂部豆礫石往往很難一次注漿充填密實(shí)，會(huì)留有少量空洞，為此，當(dāng)管片脫出盾尾且待第1次注漿凝固后，需每隔2環(huán)打穿拱腰以上管片吊裝孔，檢查第1次注漿效果。盾構(gòu)每推進(jìn)4～5環(huán)，通過隧道上部的管片注漿孔進(jìn)行二次注漿。注漿材料采用水泥漿和水玻璃溶液，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，水灰比為0.5～1.0。

3.3 4號(hào)工作井盾構(gòu)接收方案

礦山法暗挖隧道內(nèi)導(dǎo)臺(tái)施工完畢后，進(jìn)行4號(hào)工作井內(nèi)接收導(dǎo)臺(tái)施工，其施工方法同暗挖隧道內(nèi)導(dǎo)臺(tái)。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞后繼續(xù)推進(jìn)，直至盾構(gòu)機(jī)盾尾處管片完成拼裝且管片突出圍護(hù)結(jié)構(gòu)。此時(shí)區(qū)間管片拼裝已完成，利用千斤頂對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行頂進(jìn);進(jìn)行過程中盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)注漿，使盾構(gòu)機(jī)完全駛進(jìn)接收導(dǎo)臺(tái)。

如發(fā)現(xiàn)管片背后填充不密實(shí)，則利用管片注漿孔再一次用混凝土噴射機(jī)向管片背后吹入豆礫石，以確保管片背后充填密實(shí)?；靥顢?shù)量基本達(dá)到理論數(shù)量后，打開管片頂部的注漿孔觀察，直到注漿孔內(nèi)充滿豆礫石。洞門處利用混凝土噴射機(jī)對(duì)管片與初支間的空隙進(jìn)行混凝土噴射，確保填充密實(shí)。

4 施工質(zhì)量分析

盾構(gòu)空推施工成功與否是整個(gè)區(qū)間施工的關(guān)鍵，對(duì)整個(gè)區(qū)間的施工進(jìn)度起著非常重要的作用。通過對(duì)空推施工過程中隧道管片的拼裝偏差及隧道拱頂?shù)某两登闆r進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，來考察整個(gè)大直徑盾構(gòu)空推通過既有礦山法暗挖隧道的施工工藝水平。

4.1 管片拼裝質(zhì)量

盾構(gòu)施工質(zhì)量的好壞絕大部分取決于隧道管片的拼裝情況，拼裝質(zhì)量主要取決于管片的水平偏差及高程偏差。拼裝質(zhì)量越好，后期的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用也會(huì)大大降低。左、右線的盾構(gòu)空推施工中隧道管片的拼裝偏差如圖4～5所示。

圖4 左線盾構(gòu)空推的管片安裝偏差

由圖4可以看出：左線隧道的管片拼裝高程偏差最大為9.6 mm，前4環(huán)標(biāo)高偏差為負(fù)值，隨著糾偏的控制，第5環(huán)之后標(biāo)高偏差都為正值，隨著施工的進(jìn)行，總體上偏差值越來越小，均控制在10 mm以內(nèi)；水平偏差都為負(fù)值，向右偏，最大水平偏差為向右偏11 mm，總體變化趨勢(shì)也是偏差越來越小。

由圖5可以看出：右線隧道的管片拼裝偏差情況與左線基本相同，但標(biāo)高偏差都為正值，最大值為10 mm；水平偏差都為負(fù)值，向右偏，最大值為12 mm。

圖5 右線盾構(gòu)空推的管片安裝偏差

4.2 盾構(gòu)空推施工的隧道拱頂變形

大直徑盾構(gòu)機(jī)空推既有礦山法暗挖隧道的施工難度很大，對(duì)周邊土層的影響也較大，如果處理不好會(huì)使周邊土層產(chǎn)生較大的變形。本次空推過程中隧道拱頂?shù)呢Q向位移情況如圖6所示(隆起為正，下沉為負(fù))。

圖6 盾構(gòu)空推過程中左、右線管片拱頂豎向位移

由圖6可以看出：空推施工過程中左、右線隧道拱頂變形均表現(xiàn)為下沉，左線最大沉降量為2.42 mm，右線最大沉降量為4.61 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范的控制要求。

5 結(jié)語

本文研究直徑8.8 m的大直徑盾構(gòu)空推通過既有礦山法暗挖隧道的施工工藝，施工完成后整個(gè)礦山法暗挖隧道的管片拼裝左線水平方向最大偏差為11 mm，高程方向的最大偏差為9.6 mm；右線水平方向的最大偏差為12 mm，高程方向上最大偏差為10 mm；左線隧道拱頂位置的最大沉降位移為2.42 mm，右線為4.61 mm。管片拼裝偏差及隧道的變形均滿足現(xiàn)有規(guī)范的控制要求，解決了大直徑盾構(gòu)機(jī)空推通過礦山法暗挖隧道的難題，為以后類似項(xiàng)目的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。