盾構穿越礦山法隧道施工工法

王建山

盾構法隧道施工具有自動化程度高、施工速度快、施工質量高、對地面和管線影響小,以及施工作業環境好等優點,已廣泛應用于城市軌道交通的施工。某一特定的盾構機是針對特定的地質狀況設計的,一旦出現超出盾構機設計施工能力的地質狀況,必須采用特殊的施工方法完成隧道施工,并安全撤離盾構機。深圳地鐵一期工程2A標段(購物公園站—香蜜湖站區間隧道)的施工過程中,右線盾構隧道遭遇到高強度花崗巖巖脈,首次采用盾構穿越礦山法隧道的施工方法完成隧道的施工,安全撤離盾構機。

1 工程概況

深圳地鐵一期工程2A標段購物公園—香蜜湖區間隧道工程采用盾構法施工,分左線和右線兩條隧道,購物公園站盾構工作井里程樁號為CK8+642.75,香蜜湖站端頭井里程樁號為CK10+240.2(左線短鏈2.945 m),其中左線區間隧道長為1 594.505 m,右線區間隧道長為1 597.45 m。兩臺盾構機在購物公園站相繼離站后(間隔1個月左右),分別沿平行方向掘進,兩條隧道水平凈距約為10 m,在整個區間隧道施工中,盾構須穿越新洲河、高爾夫球場和別墅群等建筑物和眾多的地下管線,進入香蜜湖站盾構接收井,完成本區間隧道施工。

2 盾構穿越礦山法隧道施工

2.1 遭遇高強度硬巖

盾構掘進過程中,刀盤和孤石碰撞,造成刀盤和刀具發生變形,而且多次停機開倉處理孤石,嚴重影響了施工進度,為了進一步查明前方地質狀況的真實情況,停止掘進,進行詳細探測,左線和右線盾構機分別停止于里程CK9+995.145,CK9+914.792處。

根據最新的地質勘察發現,左線隧道范圍內有部分漂石存在,但數量不多,可以采用土倉排石的施工方法繼續掘進;右線隧道范圍內存在強度高達100 MPa的花崗巖巖脈,分布里程CK9+914.792～CK10+062.792,大部分隧道全斷面遭遇巖脈,一部分為上層全風化巖層,下層半風化高強度巖層,巖石強度已經超出了盾構機的設計切割能力,必須提出確實可行的辦法處理盾構前方的巖石,保證盾構機順利通過。

2.2 施工方案

右線盾構前方紅線部分是詳細勘測之后在盾構施工范圍內存在花崗巖巖脈的位置,右線里程:CK9+914.792～CK10+062.792,全長約148 m。為了保證施工工期,在深南大道中央綠化隔離帶和輔道上各施工一個豎井,這樣可以保證4個作業面施工,以最快的速度施工完成礦山法隧道的初期支護,右線盾構穿越已成形的礦山法隧道,順利地通過巖脈地帶之后恢復正常掘進,確保購物公園—香蜜湖區間的施工總工期的順利實現。

2.3 礦山法隧道施工

1)礦山法隧道尺寸。本隧道采用復合式土壓平衡盾構機,管片外徑6 000 mm,內徑5 400 mm,壁厚300 mm,環寬1 200 mm,盾構機外徑6 360 mm,刀盤凸出外徑20 mm,盾構機最大的外徑尺寸是6 400 mm。礦山法隧道轉彎半徑為400 m,盾構機節段長8.52 m,為了讓盾構機能夠順利地通過轉彎段,隧道直徑必須不小于6 400+46=6 446 mm。由于礦山法隧道施工精度比較差,不可能是一個純圓的隧道,而且鋼格柵噴混凝土支護凹凸不平,預留150 mm的空間,下面設導臺控制盾構機的軸線,厚度150 mm,隧道直徑應不小于6 446+300=6 746 mm。根據有關礦山法隧道的拱頂沉降一般為10 mm～20 mm,隧道直徑應不小于6 746+20=6 766 mm。為了預留更多的空間,便于施工控制,取整數隧道直徑為6 800 mm。2)混凝土導臺施工。導臺橫斷面圖如圖1所示,盾構機主體總重量300 t,長8.52 m,C30混凝土導臺強度驗算,導臺設計厚150 mm,強度C30,通過受力分析圖,可知導臺主要受壓作用,混凝土導臺抗壓強度C30滿足施工要求。采用C30混凝土現澆,以 R=3.05 m下拱60°鋪設作為盾構支撐。內弧面放置Φ6鋼筋200×200網片,徑向放置Φ 10@1 000鋼筋與初襯鋼筋連接,混凝土導臺澆搗采用鋼制模板,5 m一段,分段完成。在盾構切口處的導臺最低點,放置840 mm×700 mm鋼板,加強導臺邊緣的強度。由于導臺是控制盾構推進的導向,是控制盾構隧道軸線基礎,必須嚴格根據隧道軸線的空間位置、平面半徑400 m彎曲度等進行放樣。

2.4 盾構穿越礦山法隧道

1)盾構軸線控制[1]。根據隧道軸線設計半徑 R=400 m,計算盾構鉸接千斤頂的行程差,推進千斤頂行程差,確保盾構機沿礦山隧道軸線行走,同時在盾構推進前復核礦山隧道與盾構機軸線誤差,根據誤差調整鉸接千斤頂、推進千斤頂行程差,保證盾構與礦山隧道間的間隙。2)管片拼裝。在平面半徑R=400 m下,管片的拼裝必須有一定的拼裝模式,考慮管片外周與盾尾間隙,以及按軸線走向安排拼裝模式。主要考慮間隙問題,如無間隙將導致盾構機在推進過程中軸線發生偏離,即盾構機與礦山法隧道的間隙逐漸縮小而與礦山隧道初襯發生相碰,影響施工安全,因此管片拼裝著重于管片的選形及封頂塊安裝的位置。對于盾構軸線高程的控制及管片軸線控制,在CK9+914.792～CK9+985.500為 R=5 000 m豎曲線,CK9+985.500～CK10+034.792坡度為25‰。對于 R=5 000 m豎曲線,盾構機總長度為8 520 mm,對軸線影響相當小(通過計算,盾構上下鉸接千斤頂行程差為4 mm)。對于坡度為25‰,由于有混凝土導臺,所以在推進時,保持上下推進千斤頂油壓相等則盾構機將沿導臺的導向行走。在軸線高程中推進,控制關鍵也是盾構盾尾與管片外圍間隙的控制,原理與平面盾構推進,管片拼裝模式一樣。3)盾構在礦山法隧道內的推進控制。盾構機在進入礦山隧道前,對接觸混凝土導臺刀盤刀具進行調整,避免刀具與導臺接觸。應對盾構各類型千斤頂進行調整,使盾構姿態符合平面半徑 R=400 m曲線推進。考慮到土體對盾構殼摩擦阻力(或裹實),推力控制在 50 t～150 t范圍內,當推進速度達到要求,則此推力就為此時的推力。在變坡段的推進,關鍵是控制推進千斤頂的行程差及鉸接千斤頂行程差,確保礦山隧道與盾構殼間的間隙。在推進時,每一環必須進行測量工作,根據測量數據,調整千斤頂行程差(區域油壓)。在這一階段推進工作中,由于盾構推力將逐步增大,對礦山隧道內的管片將產生一定量的位移(R=400平面曲線),因此盾構推力不能過大,一般控制在600 t～800 t左右,推進速度在 10～20范圍內,刀盤轉速控制在1.0 rpm～1.8 rpm范圍內,土壓控制在0.1 MPa～0.15 MPa范圍。在盾構進入土體前,必須對礦山隧道內的管片進行二次注漿施工,注漿材料為單液水泥漿(配比:水泥∶水=1∶0.6),注漿壓力控制在0.1 MPa～0.3 MPa范圍內,注漿順序為:底部→推進方向左方→推進方向右方→頂部。4)建筑間隙壓注回填[1]。管片與礦山隧道間隙的回填在每推進1環時進行。壓注位置在盾構后第3環開始,首先用碎石進行初步回填(從管片注漿口壓注),推進4環后用單液水泥漿再壓注。壓注碎石順序從隧道底部開始,首先壓注底部,然后壓注左右兩上角。其壓注壓力:初始壓力在0.1 MPa,正常壓力控制在0.2 M Pa,最高壓力不超過0.3 MPa,在壓注時應逐步循環壓注,壓力逐步提高,不允許一次壓注完畢。壓注單液水泥漿壓注點在隧道左右兩上角(±36°)。單液注漿壓力,初始壓力在 0.1 MPa～0.2 MPa,正常壓力控制在0.2 MPa～0.3 MPa,最高壓力不超過0.3 MPa。如在壓注過程中,漿液泄漏嚴重,則采用雙液注漿,漿液凝固時間20 s～30 s,混合率7.6%。5)管片防水改良。由于盾構在礦山隧道進行推進,其推力可能達不到管片止水帶的壓密要求,因此為保證管片嵌縫的防水效果,在管片離手孔30 mm處(外側)沿管片單邊增加一道遇水膨脹止水帶。在每安裝一片管片后,先用人工將管片連接螺桿進行初步緊固;待安裝完一環后,再用高速氣扳機對螺栓進行修緊。在安裝管片時,推進千斤頂的壓力應設定為拼裝壓力(拼裝壓力5 MPa)。6)盾構恢復正常掘進施工。盾構結束在礦山法隧道中的推進,抵達礦山法隧道盡端,將恢復正常掘進,不同的施工方案對礦山法隧道盡端的要求是不同的。盾構恢復推進方案一和盾構出站時的施工方案類似,施工三排混凝土攪拌樁,維持掌子面和盾構推進時的土體穩定;盾構恢復推進方案二,采用分臺階法維持掌子面的穩定,在地面鉆一個直徑200的孔作為運輸石粉渣的通道,盾構抵達盡端之后用石粉渣填滿上臺階空隙處,然后盾構恢復推進。

綜合兩個方案的優缺點,針對本工程的特點,為了確保清理完前方的硬巖,爭取施工時間,采用方案二進行施工,在施工過程中嚴格控制盾構的推力、出土量和軸線。

3 結語

本文詳細介紹了盾構穿越礦山法隧道施工工法的施工方法、關鍵技術,以及需要注意的控制點,取得了以下成功經驗:

1)合理布置施工豎井,制定科學合理的工程籌劃方案,縮短施工工期,采用科學合理的工期補救措施,確保合同施工總工期的要求,對于遭遇特殊情況的盾構隧道施工至關重要。2)礦山法隧道尺寸的選取必須遵循科學規律和施工隊伍施工精度控制的實際情況,選擇恰當的隧道尺寸是保證施工順利進行的關鍵。3)盾構在礦山法隧道中推進,控制隧道軸線非常關鍵,要控制好軸線必須做到:a.施工導臺;b.導臺空間位置的精度直接關系到盾構在推進過程中的軸線控制;c.盾構推進過程中的交接部位行程差控制。4)由于盾構推進過程中前方沒有推進阻力,管片之間不能夠很好地壓緊密貼,必須采取措施保證管片的防水質量。5)盾構通過礦山法隧道之后,恢復正常推進的施工方案和質量控制,也是該施工工法施工成功的一個重要控制點。

[1] 黃德中,翟寶海.施工程序文件[Z].深圳地鐵2A標段程序文件,1999.