盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道新工藝

李劍明

(中鐵六局集團(tuán)盾構(gòu)分公司，北京 100036)

1 概述

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)依靠旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)上預(yù)裝的刀具對(duì)土體進(jìn)行碾壓、切削,在掘進(jìn)過(guò)程中不可避免的存在磨損。當(dāng)遭遇極硬巖、孤石群或上軟下硬等風(fēng)險(xiǎn)段時(shí),將加速刀具磨耗,甚至出現(xiàn)偏磨、崩裂等非正常磨損,更有甚者可能出現(xiàn)掘進(jìn)姿態(tài)難以控制、地面坍塌等問(wèn)題。廣深地區(qū)作為復(fù)合地層的典型代表已經(jīng)出現(xiàn)了十?dāng)?shù)起類(lèi)似案例。設(shè)計(jì)上越來(lái)越多的采用礦山法先行開(kāi)挖隧道通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)段,然后再盾構(gòu)機(jī)空推過(guò)境的方案。傳統(tǒng)的空推工藝是在盾構(gòu)空推的同時(shí)從刀盤(pán)前方噴射豆粒石充填管片與礦山法隧道初支間隙并從管片內(nèi)部進(jìn)行注漿穩(wěn)固。深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)某盾構(gòu)標(biāo)段,施工過(guò)程中遇到了類(lèi)似問(wèn)題,但在盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道施工過(guò)程中采用了在刀盤(pán)前方堆填豆粒石,空推過(guò)程中通過(guò)盾構(gòu)機(jī)上的注漿系統(tǒng)進(jìn)行注漿的新工藝,取得了較傳統(tǒng)工藝更好的效果。結(jié)合該工程實(shí)施情況闡述這一新工藝,為地鐵類(lèi)似工況施工提供一定技術(shù)支持。

2 工程概況

深圳地鐵2號(hào)線(xiàn)某盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔揭示隧道距離吊出井約200 m處開(kāi)挖限界內(nèi)存在大量孤石,且局部基巖隆起,長(zhǎng)度近20 m。為降低施工風(fēng)險(xiǎn),加快施工進(jìn)度,將YDK14+015～YDK14+237.85段約244 m改為礦山法開(kāi)挖+錨噴初支+管片襯砌的復(fù)合施工方法。即對(duì)補(bǔ)勘揭示的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)至盾構(gòu)吊出井段在盾構(gòu)到達(dá)前采用礦山法開(kāi)挖并施作隧道初期支護(hù),盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過(guò)礦山法隧道與盾構(gòu)隧道分界里程進(jìn)入礦山法隧道,然后再利用盾構(gòu)拼裝管片空推通過(guò)礦山法隧道。空推的同時(shí)由盾構(gòu)機(jī)拼裝管片,管片與初支之間的空隙采用粒徑小于13 mm的碎石(細(xì)石)填充,并通過(guò)水泥漿液固結(jié)形成填充層,最終由填充體和管片共同構(gòu)成礦山法隧道的二襯。

3 傳統(tǒng)空推施工工藝

3.1 接口段加固

傳統(tǒng)的盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道施工,在礦山法隧道初支完成后,首先需要在靠近盾構(gòu)隧道與礦山法隧道接口處施工端頭墻及類(lèi)似盾構(gòu)接收端的環(huán)板、簾布等密封系統(tǒng),并根據(jù)地質(zhì)情況對(duì)端頭墻前后接口段進(jìn)行不少于11 m的地層加固，剖面示意如圖1所示,確保盾構(gòu)機(jī)順利由盾構(gòu)隧道進(jìn)入礦山法隧道。

圖1 端頭墻加固示意(單位：mm)

3.2 導(dǎo)臺(tái)施工

盾構(gòu)機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸分區(qū)推力進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。在完成的初支的礦山法隧道內(nèi)推進(jìn)極易撞上初支結(jié)構(gòu),輕則卡住盾構(gòu)機(jī),重則可能導(dǎo)致隧道初支失效造成重大安全事故。為保證盾構(gòu)按設(shè)計(jì)線(xiàn)路推進(jìn)，傳統(tǒng)的工藝必須施工弧形的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)導(dǎo)向平臺(tái),厚度一般為150 mm,圓心與隧道同心。盾構(gòu)空推導(dǎo)臺(tái)如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土導(dǎo)臺(tái)示意(單位：mm)

3.3 盾構(gòu)空推

盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道,其傳統(tǒng)工法施工工藝如下所述。

(1)盾構(gòu)機(jī)由盾構(gòu)隧道穿過(guò)端頭墻上導(dǎo)臺(tái),進(jìn)入礦山法隧道。

(2)盾構(gòu)機(jī)在導(dǎo)臺(tái)上緩慢推進(jìn),同時(shí)通過(guò)刀盤(pán)周邊向管片背后噴射豆粒石。

(3)推進(jìn)完一個(gè)行程后在刀盤(pán)前方焊接擋塊提供反力,拼裝管片。

(4)通過(guò)特殊的支頂對(duì)脫出盾尾的管片進(jìn)行支撐和調(diào)整,每5環(huán)焊接縱向型鋼連接件,保證成型隧道管片質(zhì)量。

3.3.1 管片支頂

由于管片與初支面間空隙較大,為防止管片脫出盾尾后下沉及整環(huán)不成圓現(xiàn)象,在管片生產(chǎn)時(shí)吊裝孔預(yù)埋件加長(zhǎng)至管片底部,管片脫出盾尾后立即用專(zhuān)門(mén)加工的支頂(圖3)穿過(guò)吊裝孔支撐在初支結(jié)構(gòu)上,對(duì)管片實(shí)行支撐,并可通過(guò)支頂上螺紋調(diào)節(jié)管片中心軸線(xiàn)，支頂安裝示意如圖4所示,確保與隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)一致。每5環(huán)為1組,采用墊板連接件從環(huán)向螺栓引出,焊接在型鋼上,每個(gè)斷面設(shè)置4根固定型鋼,管片脫出盾尾后,立即擰緊環(huán)向、環(huán)間螺栓,并及時(shí)通過(guò)管片環(huán)間型鋼連接措施連接,保證管片拼裝質(zhì)量。待管片背后回填、注漿完成后,拆除連接型鋼。

圖3 復(fù)合牙注漿孔支頂(鋼質(zhì))結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖4 支頂安裝示意(單位：mm)

3.3.2 噴射豆粒石

盾構(gòu)機(jī)連續(xù)進(jìn)行空推循環(huán)作業(yè),在管片拼裝的同時(shí)不間斷從刀盤(pán)前方向管片背后噴射豆粒石；再一次緊固螺栓,由管片吊裝孔(襯砌環(huán)1點(diǎn)或11點(diǎn))注入雙漿液,固結(jié)豆粒石穩(wěn)定管片。

4 盾構(gòu)空推新工藝

4.1 接口段處理

本工程實(shí)施過(guò)程中摒棄了傳統(tǒng)的端頭墻、密封系統(tǒng)等工序。礦山法隧道接口段開(kāi)挖分上下臺(tái)階進(jìn)行,上臺(tái)階開(kāi)挖至分界里程后,噴射混凝土封閉掌子面,厚度約1 m,再開(kāi)挖下臺(tái)階至分界里程,采用噴射混凝土封閉掌子面。每5 m一個(gè)斷面檢查礦山法隧道凈空尺寸和混凝土導(dǎo)軌施工質(zhì)量滿(mǎn)足要求后,由掌子面開(kāi)始堆填豆粒石(粒徑≯13 mm),堆填體長(zhǎng)度約15 m,其中靠近分界里程的前8 m填塞至拱頂,其余部分形成坡度。接口段處理如圖5所示。采用此方法可以大大降低對(duì)地層的加固要求,本工程(地層為花崗巖殘積土)施工過(guò)程中接口段地層除礦山法隧道開(kāi)挖前進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿外,沒(méi)有進(jìn)行專(zhuān)門(mén)加固,盾構(gòu)機(jī)仍然安全順利通過(guò)接口段駛?cè)肟胀茖?dǎo)軌。

圖5 接口段處理示意(單位：m)

4.2 導(dǎo)軌施工

傳統(tǒng)的盾構(gòu)空推導(dǎo)臺(tái)一般為弧形,理論弧面與盾構(gòu)護(hù)盾擬合。但是實(shí)際操作中15 cm厚的薄殼弧形結(jié)構(gòu)高程和精度都難以保證,為此在施工過(guò)程中,將傳統(tǒng)的弧形導(dǎo)臺(tái)改為2條混凝土導(dǎo)軌。施工難度大大降低,進(jìn)度快,精度易于保證。混凝土導(dǎo)軌如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)空推導(dǎo)軌

4.3 盾構(gòu)空推

4.3.1 推力計(jì)算

空推推力必須滿(mǎn)足2個(gè)要求。

一是大于止水條的最小擠壓力3 000 kN,以保證隧道防水效果；二是推力不能過(guò)大,避免刮壞導(dǎo)軌,撞上初支面出現(xiàn)安全問(wèn)題。

由于隧道是采用礦山法先行開(kāi)挖支護(hù)后,在刀盤(pán)前方回填豆粒石以提供反力,計(jì)算時(shí)大致按全部松土壓力作用于刀盤(pán)面板上,并且在礦山法開(kāi)挖支護(hù)后基本上沒(méi)有水作用于盾體。刀盤(pán)前方填豆粒石計(jì)算長(zhǎng)度大致折算為全斷面堆填10延長(zhǎng)米,則盾構(gòu)機(jī)的反作用力計(jì)算如下。

(1)推進(jìn)時(shí)混凝土導(dǎo)軌對(duì)盾構(gòu)機(jī)的摩擦阻力

F1=μ摩×Wg=0.3×3 430=1 029 kN

式中，Wg為盾構(gòu)及附屬物總重，3 430 kN,μ摩為摩擦系數(shù)取0.3。

(2)回填土受到的摩擦阻力

1.86×9.8=1 391.77 kN

式中，L為回填豆粒石的長(zhǎng)度，取10 m；K為豆粒石的松散系數(shù)，取0.83；γ土為豆粒石的容重，取18.6 kN/m3；D為盾構(gòu)機(jī)直徑，6.25 m。

(3)盾構(gòu)支撐土體所受的軸向阻力

0.39=681.21 kN

式中，S為盾構(gòu)機(jī)截面積；P為盾構(gòu)中心土壓力；Kg為土的側(cè)壓力系數(shù)。

(4)盾尾刷與管片之間的摩擦阻力(以2環(huán)管片計(jì)算)

F4=μ摩×2×W管=0.5×2×200=200 kN

其中，摩擦系數(shù)μ摩取0.5,每環(huán)管片重力W管取200 kN。

(5)后配套臺(tái)車(chē)的牽引阻力

F5=μ摩×W拖=0.5×1 700=850 kN

其中，摩擦系數(shù)μ摩取0.5,后配套拖車(chē)重力W拖取1 700 kN。

因此,土壓平衡掘進(jìn)時(shí)提供盾構(gòu)反作用力總計(jì)為

F=F1+F2+F3+F4+F5=

1 029+1 391.77+681.21+200+850=

4 151.98 kN

F>止水條擠壓力3 000 kN。故前方堆土滿(mǎn)足止水效果要求。

4.3.2 空推工藝

盾構(gòu)機(jī)空推工藝流程如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)機(jī)空推工藝流程

新工藝采用在刀盤(pán)前方堆填豆粒石(圖8),除接口段8 m填塞至隧道拱頂,需要人工配合外,其余后續(xù)部分均采用機(jī)械作業(yè)。豆粒石由吊出井地面直接傾倒至井下,井下洞口配裝載機(jī)1臺(tái)負(fù)責(zé)將豆粒石鏟運(yùn)至盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)前方,此處配PC60挖掘機(jī)1臺(tái)負(fù)責(zé)堆填,堆填高度盡可能高,本工程施工操作中基本能保證堆填高度在4.5 m以上。盾構(gòu)空推過(guò)程中緩轉(zhuǎn)刀盤(pán)不轉(zhuǎn)螺旋機(jī)(姿態(tài)出現(xiàn)明顯變化或扭矩、推力明顯偏大時(shí)可少量出渣),盾構(gòu)機(jī)內(nèi)其余工作按掘進(jìn)工序循環(huán)作業(yè)。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)同步注漿按正常掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)行,實(shí)際注漿量以保證刀盤(pán)前方無(wú)串漿為宜。刀盤(pán)前方堆填豆粒石,保證刀盤(pán)前方豆粒石堆填高度高于4.5 m的堆填體的長(zhǎng)度不少于5 m。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)推進(jìn)、管片拼裝、注漿各工序操作不間斷,機(jī)器內(nèi)外推進(jìn)和堆填豆粒石等輔助工作同步進(jìn)行。

圖8 盾構(gòu)空推示意

5 新工藝的優(yōu)勢(shì)

(1)成型隧道管片拼裝質(zhì)量高

傳統(tǒng)空推工藝需要人工從刀盤(pán)前方噴射豆粒石,無(wú)法保證及時(shí)足量充填管片與初支面間的空隙；管片拼裝油缸推力不足,止水條擠壓不密實(shí),存在成型隧道管片質(zhì)量難以保證,普遍存在錯(cuò)臺(tái)、漏水。相對(duì)于傳統(tǒng)空推工藝,新工藝實(shí)際操作中推力不低于4 000 kN；推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行同步注漿、二次注漿銜接緊密；除管片頂部約90°范圍無(wú)法充填滿(mǎn)豆粒石外其余部分基本充滿(mǎn),成型隧道管片質(zhì)量提高明顯,本工程成品除部分姿態(tài)變化較大段外基本看不出與正常掘進(jìn)段的區(qū)別。

(2)工作環(huán)境好,勞動(dòng)強(qiáng)度低

傳統(tǒng)工藝除正常推進(jìn)外,為管片拼裝提供反力需要在刀盤(pán)前方頻繁焊割擋塊,不間斷從刀盤(pán)前方向管片背后噴射豆粒石,為保證管片成型質(zhì)量還需要安裝管片穩(wěn)固連接件。新工藝除正常推進(jìn)外,只需要在刀盤(pán)前方堆填豆粒石且完全由機(jī)械施工。

(3)施工進(jìn)度快,成本低

新工藝接口段不需要加固或是簡(jiǎn)單加固,可以大大節(jié)省地層加固成本(深圳類(lèi)似地層進(jìn)出洞加固費(fèi)用至少在100萬(wàn)元以上)。接口段往往只能從洞內(nèi)進(jìn)行加固,新工藝在礦山法隧道開(kāi)挖完成后直接進(jìn)行空推準(zhǔn)備,可以節(jié)省時(shí)間至少在1個(gè)月以上。新工藝工序循環(huán)連續(xù)緊密,盾構(gòu)機(jī)內(nèi)外兩個(gè)工作面同步作業(yè),不存在交叉施工,安全、進(jìn)度均有保障。本工程正常情況下日進(jìn)度在10環(huán)以上,傳統(tǒng)工藝噴射豆粒石速度慢效率低,每環(huán)都需要焊割擋塊,焊接管片連接件,每日進(jìn)度不超過(guò)5環(huán)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用此盾構(gòu)空推新工藝,本工程盾構(gòu)機(jī)順利完成了200余m的基巖及孤石區(qū)掘進(jìn),工程施工質(zhì)量、成本、工期、安全文明施工等都大大優(yōu)于傳統(tǒng)工藝。在盾構(gòu)施工過(guò)程中進(jìn)行技術(shù)方案創(chuàng)新,工藝改良,并進(jìn)行了有益的實(shí)踐,可以為處理類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒。

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