盾構機空推過礦山法段地鐵隧道施工技術

王春河

(1.中國礦業大學(北京),北京 100083；2.中鐵六局集團有限公司,北京 100036)

1 概述

城市地鐵通常為淺埋隧道,且穿越路線為城市繁華地段,上覆建筑物多、人口密集、交通繁忙,所以通常采用盾構法施工以減少對地面影響。然而在開挖過程中若遇到硬巖、孤石群或長距離上軟下硬地段時,仍采用盾構法施工將會加速刀具磨損、降低掘進速度,頻繁更換刀具將使人工成本及工程成本不斷上升,且施工安全風險極大,對工程整體進度產生影響。故在此類地段可以考慮礦山法與盾構法相結合進行施工。如深圳地鐵2號線某標段,設計勘察過程中揭示隧道通過巖層巖性為基巖隆起和孤石群段,擬定施工方案即采用礦山法與盾構法相結合進行,以加快施工進度。盾構機由盾構段進入已開挖好的礦山段是采用這種施工方案需要解決的一個技術問題,結合深圳地鐵2號線工程實際情況,對開挖過程中前方遇孤石群和基巖隆起的情況進行分析,提出有效施工方案,為國內地鐵施工提供一定技術支持。

2 工程概況

盾構隧道設計為2條內徑5.4 m的單線隧道,左右線線間距為13～18 m。盾構區間右線設計里程范圍為YDK13+304.7～YDK14+237.85,全長954.732 m。其中YDK13+304.7～YDK14+015為純盾構法施工,長710.294 m；YDK14+015～YDK14+237.85為礦山法開挖+錨噴初支+管片襯砌的復合施工方法施工,長244.438 m。隧道埋深7～21 m。盾構區間右線采用1臺復合式土壓平衡盾構機掘進,盾構機由地鐵紅樹灣站東端始發,沿東北向下穿白石三道、白石路、歡樂海岸到達區間豎井吊出。

根據補充地質鉆探資料顯示,隧道設計線路通過地層自上而下主要為素填土層、填石層、礫砂層、淤泥質黏土層、礫質黏土層、全(強)風化花崗巖；盾構穿越地層主要為礫砂層、礫質黏土層；盾構與暗挖段接口上部為礫質黏土層,下部為全風化花崗巖。礦山法隧道開挖前經過注漿加固,初支后側壁穩定,地表基本穩定。

3 施工方案探討

3.1 施工總體思路

施工方案總體設計思路為紅世區間采用礦山法開挖+錨噴初支+管片襯砌的復合施工方法,即先采用礦山法施工隧道初支,然后再利用盾構拼裝管片空推通過礦山法隧道,空推的同時由盾構拼裝管片形成礦山法隧道的二襯,二襯和初支之間的孔隙采用粒徑小于10 mm的碎石(細石)填充,然后注漿填充碎石間的空隙,最終由注漿體和管片共同構成礦山法隧道的二襯。

3.2 盾構前方堆土作用力計算

礦山法隧道施工完成后,盾構過境采用空推工況下進行管片拼裝,盾構正面無土壓力作用,易造成管片環縫間隙較大,粘貼在管片上的三元乙丙橡膠止水條達不到最低的壓縮量,隧道防水效果不佳。為確保盾構管片防水質量,擬在礦山法隧道施工完成后在隧道內堆填土體,以提供盾構推進時的反力。

由于隧道是礦山法先行開挖支護后,在刀盤前方回填渣土以提供反力,所以按全部松土壓力作用于刀盤面板上,并且在礦山法開挖支護后基本上沒有水作用于盾體。刀盤前方依次全斷面填土15 m,下半斷面填土10 m,則盾構機的反作用力計算如下。

(1)推進時混凝土導臺對盾構機的摩擦阻力

F1=μ摩·Wg=0.3×3 430=1 029kN

式中，Wg為盾構及附屬物總重，取3 430kN；μ摩為摩擦系數，取0.3。

(2)回填土受到的摩擦阻力

2 087.66kN

式中，L為回填渣土的長度,取15m；K為土的松散系數；γ土取18.6kN/m3。

(3)盾構支撐土體所受的軸向阻力

681.21 kN

式中，Kg為土的側壓力系數。

(4)盾尾刷與管片之間的摩擦阻力(以2環管片計算)

F4=μ摩·2W管=0.5×2×200=200kN

其中，每環管片W管取200kN。

(5)后配套臺車的牽引阻力

F5=μ摩·W拖=0.5×1 700=850 kN

因此,土壓平衡掘進時提供盾構反作用力總計為

F=F1+F2+F3+F4+F5=4 847.87 kN>止水條擠壓力3 000 kN。故前方堆土滿足止水效果要求。

3.3 施工準備

盾構和礦山法隧道的分界面地表為空地,但是礦山法隧道開挖及左線隧道掘進過程中由于地層失水已經導致鄰近建(構)筑物開裂,所以盾構機應盡可能平穩、安全地進入暗挖空推段,降低地層二次擾動,保證地表安全。因此要提前做好空推準備工作。首先礦山法段開挖完成后,應及時進行盾構與礦山法分界面端頭墻和盾構空推導臺的施工,復測礦山法段斷面情況,監測暗挖段拱頂沉降量,檢查端頭墻洞門尺寸,確保凈空。待混凝土強度達到設計要求90%時,在隧道內依次從盾構與礦山法分界面往豎井方向填土,在靠近端頭墻端15 m范圍內采用全斷面隧道填土且前5 m的渣土要夯實。15 m至豎井地段采用半斷面隧道填土。當盾構機進入暗挖空推前50 m時測定管片姿態,人工測量檢查盾構機姿態,校正VMT測量導向系統,測定盾構推進姿態偏差,開始糾偏。在此段進行二次注漿,保證二次注漿效果,穩定管片姿態,確保VMT導向系統能精確、高效工作,保證盾構機能準確安全進入暗挖空推段隧道。

3.4 盾構與暗挖空推段接口處理

礦山法隧道開挖完成后,在端頭墻位置水平放置玻璃纖維筋格柵,玻璃纖維筋格柵隨隧道端頭最后兩榀密排格柵鋼架同步架設,且玻璃纖維筋格柵與鋼筋格柵搭接部分至少采用12號鉛絲綁扎牢固,并采取適當輔助連接措施,確保玻璃纖維筋格柵伸入鋼筋格柵長度不小于300 mm,綁扎牢固的同時噴混凝土密實。掌子面開挖后立即初噴40 mm厚C20混凝土,防止局部坍塌,且要求噴射混凝土與隧道最后三榀密排格柵的噴射混凝土同步施工,水平格柵及纖維筋網綁扎好后及時噴射混凝土。

在端頭設置三榀密排格柵,如圖1所示。

圖1 端頭墻加固平面(單位：mm)

另外在端頭墻處應做好洞門預埋件,洞門預埋件必須符合設計要求,且要適當加強,嚴格控制預埋件尺寸,尤其要控制洞門鋼環的曲率,確保盾構機順利進入暗挖空推段。

3.5 鋼筋混凝土導臺施工

由于該區間盾構刀盤直徑6 280 mm,盾體直徑6 250 mm,而礦山法初期支護內徑分別為6 400 mm(C-2、C-3型襯砌斷面)和6 700 mm(C-4型襯砌斷面)。為了保證盾構安全、快速、高效、優質通過礦山法段,在礦山法開挖段應設置鋼筋混凝土導臺為盾構機提供精確導向,確保盾構機保持良好的推進姿態,確保管片拼裝質量、管片姿態良好,達到預期的防水效果。

礦山法開挖完成初期支護后,在隧道底部60°范圍內施工鋼筋混凝土導臺。鋼筋混凝土導臺的中心線與隧道中心線重合,且對稱于隧道中心線。鋼筋混凝土導臺示意如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土導臺示意

3.6 盾構空推施工過程

當導臺混凝土強度達到設計強度,暗挖段渣土回填到位后,方可進行盾構推進施工。盾構到達端頭墻,推斷端頭墻玻璃纖維筋,端頭墻完全破除后盾構機停機。盾構機盡量不要推動端頭墻處的砂袋,以保持砂袋的穩定性。盾構機推動回填的渣土,渣土在刀盤前逐漸形成密實的土柱,盾構機達到正常推進模式。管片與已開挖成形隧道間由回填土充填,同時開啟同步注漿進行止水,土倉內全部填滿土。當土壓和推力提升至要求值后,開啟螺旋輸送機出土。如果上部渣土不能完全填滿隧道,則只開下部同步注漿系統,上部用豆礫石回填及注水泥漿。暗挖空推段隧道支護結構示意如圖3所示。

圖3 暗挖空推段隧道支護結構示意(單位：mm)

3.6.1 堆土施工

渣土回填密封刀盤前方斷面,渣土充填盾體與暗挖初期支護間的間隙,同步注漿正常開啟,管片止水條密封良好,此條件下的兩種工況示意如下。

(1)工況一

盾構機到達渣土回填斷面,未向前推進。如圖4所示。

圖4 工況一示意(單位：m)

(2)工況二

盾構機向前推進,管片拼裝和同步注漿與正常掘進一樣,同樣采用錯縫拼裝。如圖5所示。

圖5 工況二示意

3.6.2 管片背襯回填

當堆土對刀盤密封效果良好,管片背后回填主要由同步注漿來完成。通過同步注漿漿液在管片脫離盾尾時對管片進行支撐,以防管片下沉而產生錯臺。利用盾構機自身的同步注漿系統壓注水泥砂漿,使管片與初支及地層間緊密接觸,以提高支護效果。根據同步注漿后的檢查結果,從管片注漿孔進行二次注漿固結管片。同步注漿時,要嚴格控制注漿壓力，既保證達到對環形空隙的有效填充,又確保管片結構不因注漿產生位移、變形和損壞,同時又要防止砂漿前竄至盾構刀盤前方。當刀盤前方堆土不能密封刀盤面時，采取噴射豆礫石和注純水泥漿來完成管片背后回填,回填材料為豆礫石(粒徑為5～10 mm)。用高壓風將豆礫石從吊裝孔噴入,填充管片與初支面間的空間,然后進行灌漿,凝結豆礫石,使管片得到穩定,同時承受圍巖壓力和水壓力。

4 施工關鍵部位質量保證

4.1 鋼筋混凝土導臺施工質量

采用礦山法開挖+錨噴初支+管片襯砌的復合施工方法通過硬巖段,必須在盾構機到達前,完成礦山法隧道開挖并做好空推段導臺、端頭墻等準備工作。導臺的高程、弧度、中心線等是盾構能否安全推進的關鍵因素。導臺施工質量不好,盾構機的姿態難以控制,盾尾間隙變化大,將直接影響管片的拼裝,盾尾間隙過小,管片和盾尾刷會拉壞。導臺的質量不高,還可能導致卡刀盤。在盾構空推前,應重點檢查導臺的高程、弧度、中心線等,如果不符合設計要求,要立即進行處理,否則會影響盾構機的步進。

4.2 堆土效應

回填的渣土松散,自穩能力差,渣土能否充滿整個隧道面將直接影響盾構空推過暗挖段的施工進度和隧道成形質量,如果渣土密封效果良好將減少吹填豆礫石量,管片背后充填可以直接通過同步注漿來完成。回填的渣土類型選擇合適,可以減少盾構機出土量。減少出土量有兩方面好處,一方面,在盾構機刀盤前方需要回填的渣土將減少；另一方面,可以減少盾構推進出土工序,將節約大量時間。渣土的干濕、粒徑、孔隙率、黏聚力和顆粒成分等,將影響土的堆積效應。選擇回填的渣土,一方面要能在刀盤前密封；另一方面要減少渣土對刀盤的粘結,防止在土倉中結泥餅、卡刀盤、土倉壓力過高、增加出土量等。

4.3 礦山法斷面尺寸控制

隧道的開挖斷面要滿足盾構機安全平穩通過。考慮圍巖的類型和施工誤差,并設置盾構機導臺。在施工暗挖段,除了注意施工安全外,還要特別控制好隧道的中心線，隧道的超挖、欠挖。在礦山法施工段,每次爆破清渣完成,鋼筋格柵架立前,進行斷面檢查,對超挖和欠挖(尤其是欠挖)進行處理,應保證初期支護后的隧道凈空。初期支護施工必須要達到預期目的,由于初支后暫不進行二次襯砌施工,所以要加強監控量測,及時采取措施防止隧道變形,保證盾構通過限界。

5 結論

城市地鐵隧道施工過程中若遇到硬巖、孤石群或長距離上軟下硬地段時,盾構機開挖貫通時間將大大延長,刀具磨損更加嚴重尤其是軟硬不均地層刀具極易出現非正常磨損,使推進更加困難。采用這種礦山法開挖+錨噴初支+管片襯砌的復合施工方法,一方面縮短了工期,使盾構機能快速通過不良地質部分,降低工程成本；另一方面對不良地質開挖工作量的減少直接降低了刀具磨損程度,避免不良地質區掘進過程中頻繁開倉換刀,有效降低了施工風險,確保工程安全順利進行。

[1]徐干成，等.地下工程支護結構[M].北京：中國水利水電出版社,2002.

[2]劉建航,侯學淵.盾構法隧道[M].北京：中國鐵道出版社,1991.

[3]鐵建設[2007]106號，鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術指南[S].