土壓平衡盾構機通過地鐵隧道礦山法段的回填掘進施工技術

霍元盛

(中鐵十二局集團第四工程有限公司,西安 710021)

1 工程概況

深圳地鐵2號線東延線黃貝嶺站～新秀站區間盾構隧道起點為中間盾構工作井,沿新秀路前行,下穿沙灣橋,終點為新秀站西端井,左線全長681.351 m,右線全長675.921 m。沙灣河橋3號橋臺為φ1.2 m挖孔樁基礎,有10根樁位于線路斷面范圍內,盾構機無法穿越,由于周圍建筑物和地形的限制,左線ZDK35+476.0～ZDK35+518.0(42 m)和右線YDK35+472.0～YDK35+518.0(46 m)段,設計采用豎井加橫通道至正線,礦山法開挖至橋頭于洞內被動托換沙灣河橋樁基礎,盾構空推、拼管片通過礦山法地段。盾構過沙灣河橋樁基托換段施工平面見圖1。

2 施工方案比選

目前,我國盾構空推施工技術,由于地質條件和環境不同,各施工單位采用的方案也不盡相同,常用的施工方案有以下幾種。

方案一：隧道底部采用C50混凝土施做導臺,靠近掌子面前10 m全斷面、后15 m半斷面回填渣土。開始掘進不出渣,用回填土填充管片與暗挖隧道間的間隙并增大推力,掘進至最后再正常出渣,管片壁厚注漿采用同步注漿與二次注漿相結合。

圖1 盾構過沙灣河橋樁基托換段施工平面

方案二：隧道底部采用C50混凝土施做導臺,不進行任何回填,在暗挖隧道初期支護及導臺上預埋頂推反力裝置,當盾構空推一定距離后,刀盤頂至預埋裝置上,壓緊后續管片,然后割除頂推反力裝置,繼續向前掘進。該方案管片與暗挖隧道間隙較大,為使管片壁厚密實,通過二次注漿孔向管片壁厚回填豆礫石并進行二次注漿。

方案三：全斷面采用渣土、砂漿等回填密實,正常掘進通過。

考慮到本段工程,沙灣橋樁基托換段西側在沙灣河下,隧道頂部至河底僅為10 m,上覆地層主要為粗砂層、拱頂1～2 m為全風化凝灰質砂巖,礦山法開挖掌子面位于沙灣河的正下方,地下水豐富,巖層自穩性較差,空推段達46 m。方案一和方案二均不適宜,方案三也有掘進方向不易控制的缺陷,為此在上述3個方案的基礎上進行優化,結合實際情況制定了如下施工方案。

(1)左線ZDK35+476.0～ZDK35+488.0(12 m)、右線YDK35+472.0～YDK35+484.0(12 m)段在開挖過程中,由于掌子面錨桿影響盾構掘進無法施工的情況下,分臺階分段回填與托換梁澆筑(托換梁設計為C30混凝土)一起施工,全斷面采用C30混凝土回填。

(2)不施做導臺,隧道底部700 mm(線路中線處厚度)澆筑C15素混凝土,盾構掘進時切削混凝土高度為460 mm。

(3)由于工期緊張,左線ZDK35+488.0～ZDK35+518.0(30 m)上部6 060 mm采用M2.5砂漿回填；右線YDK35+484.0～YDK35+518.0(34 m)中部4 000 mm采用渣土回填,頂部2 060 mm采用M2.5砂漿回填。

(4)橫通道及豎井底部(橫通道頂部以上1 m)采用M2.5砂漿回填,豎井剩余部分采用渣土回填。

(5)渣土回填料要均勻、均質,保證掘進中螺旋機能夠正常出渣。

樁基托換段回填平面及橫斷面示意分別見圖2、圖3。

圖2 樁基托換段回填平面示意(單位：mm)

圖3 樁基托換段回填橫斷面示意(單位：m)

3 掘進施工

3.1 掘進模式

盾構掘進C30混凝土回填段采用敞開模式掘進,掘進其余部分采用半敞開模式,以增大盾構機推力,壓緊后續管片,確保管片質量。

3.2 掘進參數

施工采用的是土壓平衡式盾構機,掘進中隨著回填材料的不同而改變掘進參數,當盾構機刀盤到達C30混凝土回填段前1 m及剩余最后1 m時,要減小推力及速度(≤20 mm/min),注意觀察盾構機姿態、出渣情況及扭矩大小,調整掘進參數及速度。其余托換段掘進速度也不宜過快(20～40 mm/min),因為底部回填C25混凝土,上部為渣土及砂漿,相當于上軟下硬地層,掘進速度過快將對刀具不利。盾構機在不同回填段實際掘進參數見表1。

表1 盾構機掘進參數

3.3 盾構姿態控制

掘進中嚴格按照設計線路進行,盡量避免盾構機發生偏離,將水平偏差X、豎直偏差Y控制在±50 mm以內。盾構機刀盤與暗挖隧道理論間隙為240 mm(刀盤半徑3 140 mm,隧道內徑3 380 mm),若盾構機姿態偏離過大,可能會使盾構機刀盤頂到已開挖完成的暗挖隧道,導致無法掘進。即使姿態發生偏離,糾偏時也不要過急,應按技術要求執行。

掘進過程中,盡可能將盾構機豎直姿態控制在-20 mm左右,給管片預留一定的上浮量。

3.4 同步注漿及二次注漿

樁基托換段已成形暗挖隧道具有很好的自穩能力,掘進中主要控制注漿量,使管片與暗挖隧道之間的間隙填充飽滿,穩定管片,防止管片脫出盾尾后發生錯臺現象,并增強隧道的防水能力。

(1)同步注漿

通過礦山法段,應縮短漿液的初凝時間,及時穩定管片,根據施工經驗,同步注漿擬采用表2所示的配合比,并在施工中通過現場試驗優化確定最合理的配合比。

表2 同步注漿配比 kg

漿液初凝時間控制在6～9 h,7 d強度大于2.0 MPa。

同步注漿通過同步注漿系統及盾尾的內置注漿管,在盾構向前推進盾尾空隙形成的同時進行,采用頂部2條管路(1號、4號管)對稱注漿,減小管片上浮量。每環管片注漿量為5.5～6 m3,主要控制管片壁厚填充飽和度,并根據管片檢測情況調整注漿量。

(2)二次注漿

當管片出現滲漏水、嚴重上浮或同步注漿不飽滿時,及時采取二次注漿,對同步注漿起充填和補充作用。二次注漿采用水泥-水玻璃雙液漿,漿液的凝膠時間調整至30 s左右,雙液漿的初步配比見表3。

表3 雙液漿漿液配比

二次注漿采用自備的2ZBQ-75/2氣動雙液注漿泵,注漿部位主要為11點、1點位,注漿過程中根據現場材料試驗凝膠時間,調整配比,注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa。

3.5 管片拼裝

(1)管片下井前必須認真檢查是否有缺棱掉角、三元乙丙橡膠止水條是否完整無缺陷、粘貼牢固及丁腈橡膠傳力襯墊粘貼位置是否正確等。

(2)管片選型以滿足隧道線形為前提,重點考慮管片安裝后盾尾間隙要滿足下一循環掘進限值,確保有合適的盾尾間隙,以防盾尾接觸并擠壓管片,造成管片破損。

(3)拼裝前將管片沖洗干凈,尤其是止水條、手孔及螺栓孔。

(4)管片安裝必須從隧道底部開始,然后依次安裝相鄰塊,最后安裝封頂塊。封頂塊安裝前,應對止水條進行潤滑處理,安裝時先徑向插入2/3,調整位置后緩慢縱向頂推插入。

(5)管片拼裝嚴格按照有關設計和規范執行,保證拼裝過程無管片破損、錯臺過大(環縫大于6 mm,縱縫大于5 mm)等情況發生。

(6)管片安裝完后應及時進行連接螺栓緊固,并在管片環脫離盾尾后對管片連接螺栓進行二次緊固。

3.6 施工監測

盾構通過礦山法段每掘進5環對成環管片及盾構機姿態檢測1次,每天對沙灣河橋橋面及橋臺監測2次,并根據管片檢測及沙灣河橋監測數據及時調整掘進參數、盾構機姿態,確保施工質量。

掘進中對沙灣河橋影響很小,沙灣橋共3跨,監測點分別設置在0號臺后(L1),0號臺頂(L2),1號墩頂(L3),2號墩頂(L4),3號臺頂(L5),3號臺后(L6)共6個點,其中各臺墩頂沉降監測成果見表4。

表4 沙灣橋沉降監測成果 mm

3.7 施工注意事項

(1)盾構通過C30混凝土回填段時,提前做好刀具檢查與更換工作,使得刀具能夠完全破巖,避免造成不必要的停機。

(2)盾構通過各交界面(軟巖地層～C30混凝土段～土石、砂漿回填段～硬巖地層)時,注意掘進參數變化,及時進行調整。

(3)出現管片滲漏水或嚴重上浮現象,立即采取二次注漿措施進行堵漏、穩定管片。

4 結論

經過現場施工人員7天7夜的不懈努力,盾構機于2010年3月4日順利完成礦山法段(355環～385環)的掘進。通過該礦山法段的掘進施工,對采用回填后掘進施工的一些利弊和體會進行了思考、總結,希望對類似工程提供參考。

(1)管片姿態及上浮得到了有效控制,根據管片檢測結果,管片最大水平偏移量為+34 mm(第378環),最大垂直偏移量為+26 mm(第371環),最大上浮量為36 mm(第381環)。

(2)管片錯臺均很小,有4環管片(第355～361環間,且均為9點位)封頂塊錯臺較大,最大縱向錯臺為7 mm,最大環向錯臺為13 mm,仍然在規范要求的縱向10 mm、環向15 mm范圍內。

(3)基本杜絕了管片滲漏水(僅第377環出現滲水),并在打穿管片二次注漿孔后只出現少許滲水,說明管片壁厚與暗挖隧道間隙填充密實。

(4)河道下方即靠近掌子面12 m采用全斷面混凝土回填,當刀盤掘進至土石回填段時,盾尾(盾體+刀盤長度為8.5 m)已進入全斷面混凝土回填段并完成了同步注漿,有效防止了河水通過盾體與開挖面間隙滲入托換段。

(5)采取砂漿回填易將洞內填飽滿,空隙小,僅有少量隧道滲漏水充滿隧道內空隙,掘進中未出現噴涌現象。

(6)隧道底部回填700 mm、厚C15素混凝土能夠有效控制盾構機栽頭,保持盾構機姿態,免去施工C50鋼筋混凝土導臺的復雜工序及費用,但對邊緣滾刀磨損較大。

(7)礦山法段掘進完成后立即組織開倉檢查,發現回填砂漿易造成中心滾刀結泥餅,致使5號、6號、7號中心滾刀偏磨損嚴重,其余滾刀均為正常磨損。應及時清理泥餅,若繼續掘進,則將對刀具造成更大損壞。

(8)該段回填砂漿約1 750 m3(除去原設計橫通道及豎井回填量),材料費用高,回填渣土可節約成本,但若空推斷距離過長采用全斷面回填法則不經濟。

(9)回填的C30混凝土強度太高,對掘進造成一定的困難,若掌子面能夠確保穩定,保證安全的情況下,可采用低強度等級混凝土回填。

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