盾構空推過礦山法隧道新工藝

李劍明

(中鐵六局集團盾構分公司，北京 100036)

1 概述

盾構掘進機依靠旋轉刀盤上預裝的刀具對土體進行碾壓、切削,在掘進過程中不可避免的存在磨損。當遭遇極硬巖、孤石群或上軟下硬等風險段時,將加速刀具磨耗,甚至出現偏磨、崩裂等非正常磨損,更有甚者可能出現掘進姿態難以控制、地面坍塌等問題。廣深地區作為復合地層的典型代表已經出現了十數起類似案例。設計上越來越多的采用礦山法先行開挖隧道通過風險段,然后再盾構機空推過境的方案。傳統的空推工藝是在盾構空推的同時從刀盤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部進行注漿穩固。深圳地鐵2號線某盾構標段,施工過程中遇到了類似問題,但在盾構空推過礦山法隧道施工過程中采用了在刀盤前方堆填豆粒石,空推過程中通過盾構機上的注漿系統進行注漿的新工藝,取得了較傳統工藝更好的效果。結合該工程實施情況闡述這一新工藝,為地鐵類似工況施工提供一定技術支持。

2 工程概況

深圳地鐵2號線某盾構區間地質補勘鉆孔揭示隧道距離吊出井約200 m處開挖限界內存在大量孤石,且局部基巖隆起,長度近20 m。為降低施工風險,加快施工進度,將YDK14+015～YDK14+237.85段約244 m改為礦山法開挖+錨噴初支+管片襯砌的復合施工方法。即對補勘揭示的風險區至盾構吊出井段在盾構到達前采用礦山法開挖并施作隧道初期支護,盾構機掘進通過礦山法隧道與盾構隧道分界里程進入礦山法隧道,然后再利用盾構拼裝管片空推通過礦山法隧道。空推的同時由盾構機拼裝管片,管片與初支之間的空隙采用粒徑小于13 mm的碎石(細石)填充,并通過水泥漿液固結形成填充層,最終由填充體和管片共同構成礦山法隧道的二襯。

3 傳統空推施工工藝

3.1 接口段加固

傳統的盾構空推過礦山法隧道施工,在礦山法隧道初支完成后,首先需要在靠近盾構隧道與礦山法隧道接口處施工端頭墻及類似盾構接收端的環板、簾布等密封系統,并根據地質情況對端頭墻前后接口段進行不少于11 m的地層加固，剖面示意如圖1所示,確保盾構機順利由盾構隧道進入礦山法隧道。

圖1 端頭墻加固示意(單位：mm)

3.2 導臺施工

盾構機通過調節推進油缸分區推力進行姿態調整。在完成的初支的礦山法隧道內推進極易撞上初支結構,輕則卡住盾構機,重則可能導致隧道初支失效造成重大安全事故。為保證盾構按設計線路推進，傳統的工藝必須施工弧形的盾構機推進導向平臺,厚度一般為150 mm,圓心與隧道同心。盾構空推導臺如圖2所示。

圖2 鋼筋混凝土導臺示意(單位：mm)

3.3 盾構空推

盾構空推過礦山法隧道,其傳統工法施工工藝如下所述。

(1)盾構機由盾構隧道穿過端頭墻上導臺,進入礦山法隧道。

(2)盾構機在導臺上緩慢推進,同時通過刀盤周邊向管片背后噴射豆粒石。

(3)推進完一個行程后在刀盤前方焊接擋塊提供反力,拼裝管片。

(4)通過特殊的支頂對脫出盾尾的管片進行支撐和調整,每5環焊接縱向型鋼連接件,保證成型隧道管片質量。

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不成圓現象,在管片生產時吊裝孔預埋件加長至管片底部,管片脫出盾尾后立即用專門加工的支頂(圖3)穿過吊裝孔支撐在初支結構上,對管片實行支撐,并可通過支頂上螺紋調節管片中心軸線，支頂安裝示意如圖4所示,確保與隧道設計軸線一致。每5環為1組,采用墊板連接件從環向螺栓引出,焊接在型鋼上,每個斷面設置4根固定型鋼,管片脫出盾尾后,立即擰緊環向、環間螺栓,并及時通過管片環間型鋼連接措施連接,保證管片拼裝質量。待管片背后回填、注漿完成后,拆除連接型鋼。

圖3 復合牙注漿孔支頂(鋼質)結構(單位：mm)

圖4 支頂安裝示意(單位：mm)

3.3.2 噴射豆粒石

盾構機連續進行空推循環作業,在管片拼裝的同時不間斷從刀盤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1點或11點)注入雙漿液,固結豆粒石穩定管片。

4 盾構空推新工藝

4.1 接口段處理

本工程實施過程中摒棄了傳統的端頭墻、密封系統等工序。礦山法隧道接口段開挖分上下臺階進行,上臺階開挖至分界里程后,噴射混凝土封閉掌子面,厚度約1 m,再開挖下臺階至分界里程,采用噴射混凝土封閉掌子面。每5 m一個斷面檢查礦山法隧道凈空尺寸和混凝土導軌施工質量滿足要求后,由掌子面開始堆填豆粒石(粒徑≯13 mm),堆填體長度約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地層的加固要求,本工程(地層為花崗巖殘積土)施工過程中接口段地層除礦山法隧道開挖前進行超前小導管注漿外,沒有進行專門加固,盾構機仍然安全順利通過接口段駛入空推導軌。

圖5 接口段處理示意(單位：m)

4.2 導軌施工

傳統的盾構空推導臺一般為弧形,理論弧面與盾構護盾擬合。但是實際操作中15 cm厚的薄殼弧形結構高程和精度都難以保證,為此在施工過程中,將傳統的弧形導臺改為2條混凝土導軌。施工難度大大降低,進度快,精度易于保證。混凝土導軌如圖6所示。

圖6 盾構空推導軌

4.3 盾構空推

4.3.1 推力計算

空推推力必須滿足2個要求。

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；二是推力不能過大,避免刮壞導軌,撞上初支面出現安全問題。

由于隧道是采用礦山法先行開挖支護后,在刀盤前方回填豆粒石以提供反力,計算時大致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。刀盤前方填豆粒石計算長度大致折算為全斷面堆填10延長米,則盾構機的反作用力計算如下。

(1)推進時混凝土導軌對盾構機的摩擦阻力

F1=μ摩×Wg=0.3×3 430=1 029 kN

式中，Wg為盾構及附屬物總重，3 430 kN,μ摩為摩擦系數取0.3。

(2)回填土受到的摩擦阻力

1.86×9.8=1 391.77 kN

式中，L為回填豆粒石的長度，取10 m；K為豆粒石的松散系數，取0.83；γ土為豆粒石的容重，取18.6 kN/m3；D為盾構機直徑，6.25 m。

(3)盾構支撐土體所受的軸向阻力

0.39=681.21 kN

式中，S為盾構機截面積；P為盾構中心土壓力；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×2×W管=0.5×2×200=200 kN

其中，摩擦系數μ摩取0.5,每環管片重力W管取200 kN。

(5)后配套臺車的牽引阻力

F5=μ摩×W拖=0.5×1 700=850 kN

其中，摩擦系數μ摩取0.5,后配套拖車重力W拖取1 700 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=

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

4 151.98 kN

F>止水條擠壓力3 000 kN。故前方堆土滿足止水效果要求。

4.3.2 空推工藝

盾構機空推工藝流程如圖7所示。

圖7 盾構機空推工藝流程

新工藝采用在刀盤前方堆填豆粒石(圖8),除接口段8 m填塞至隧道拱頂,需要人工配合外,其余后續部分均采用機械作業。豆粒石由吊出井地面直接傾倒至井下,井下洞口配裝載機1臺負責將豆粒石鏟運至盾構機刀盤前方,此處配PC60挖掘機1臺負責堆填,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。盾構空推過程中緩轉刀盤不轉螺旋機(姿態出現明顯變化或扭矩、推力明顯偏大時可少量出渣),盾構機內其余工作按掘進工序循環作業。盾構機內同步注漿按正常掘進循環進行,實際注漿量以保證刀盤前方無串漿為宜。刀盤前方堆填豆粒石,保證刀盤前方豆粒石堆填高度高于4.5 m的堆填體的長度不少于5 m。盾構機內推進、管片拼裝、注漿各工序操作不間斷,機器內外推進和堆填豆粒石等輔助工作同步進行。

圖8 盾構空推示意

5 新工藝的優勢

(1)成型隧道管片拼裝質量高

傳統空推工藝需要人工從刀盤前方噴射豆粒石,無法保證及時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,存在成型隧道管片質量難以保證,普遍存在錯臺、漏水。相對于傳統空推工藝,新工藝實際操作中推力不低于4 000 kN；推進的同時進行同步注漿、二次注漿銜接緊密；除管片頂部約90°范圍無法充填滿豆粒石外其余部分基本充滿,成型隧道管片質量提高明顯,本工程成品除部分姿態變化較大段外基本看不出與正常掘進段的區別。

(2)工作環境好,勞動強度低

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

(3)施工進度快,成本低

新工藝接口段不需要加固或是簡單加固,可以大大節省地層加固成本(深圳類似地層進出洞加固費用至少在100萬元以上)。接口段往往只能從洞內進行加固,新工藝在礦山法隧道開挖完成后直接進行空推準備,可以節省時間至少在1個月以上。新工藝工序循環連續緊密,盾構機內外兩個工作面同步作業,不存在交叉施工,安全、進度均有保障。本工程正常情況下日進度在10環以上,傳統工藝噴射豆粒石速度慢效率低,每環都需要焊割擋塊,焊接管片連接件,每日進度不超過5環。

6 結語

通過采用此盾構空推新工藝,本工程盾構機順利完成了200余m的基巖及孤石區掘進,工程施工質量、成本、工期、安全文明施工等都大大優于傳統工藝。在盾構施工過程中進行技術方案創新,工藝改良,并進行了有益的實踐,可以為處理類似問題提供借鑒。

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