盾構空推過礦山法隧道施工技術及質量控制

徐延召　李亞巍　楊　俊

(1.中鐵隧道集團有限公司，洛陽　471009； 2.華中科技大學　土木學院工程管理研究所，武漢　430074)

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盾構空推過礦山法隧道施工技術及質量控制

徐延召1李亞巍2楊俊2

(1.中鐵隧道集團有限公司，洛陽471009； 2.華中科技大學土木學院工程管理研究所，武漢430074)

盾構法施工作為一種安全高效的隧道施工方法，在我國城市軌道交通建設中發揮著積極作用。然而一個區間往往出現局部的硬巖段，盾構掘進困難、刀具磨損大、施工進度緩慢等。當硬巖掘進達到一定長度時，通常采取“盾構法”+“礦山法”復合施工方法。該工法雖能提高施工速度，降低施工風險，但也會造成諸多問題。本文根據武漢某地鐵區間施工的實際情況，介紹了盾構在中風化泥巖地層中空推過礦山法隧道施工中，盾構到達、盾構推進和盾構接收階段的關鍵技術和質量控制措施，取得了良好的工程效果，為類似工程提供有益參考。

盾構法； 礦山法； 空推； 關鍵技術； 質量控制

引言

隨著城市地下空間開發的不斷深入，明挖法、礦山法、盾構法等施工技術在城市地鐵等地下工程中得到廣泛的應用[1]。盾構通過有孤石段、微風化高硬度巖石段時，土壓及泥水平衡盾構機的刀具不能切削堅硬巖石。因此在盾構機到達巖石抗壓強度較大的硬巖層前，需采用“礦山法”+“盾構法”復合工法施工。該工法雖能提高施工速度，降低礦山法開挖時風險，但也會造成諸多問題，像管片錯臺、管片上浮等。

陳玉新[2]根據某綜合管線隧道工程，主要介紹在強風化到中風化變化花崗巖中盾構在礦山法隧道推進、拼裝管片等施工技術。趙立峰[3]以杭州地鐵2號線為背景，介紹了軟土區中盾構在礦山法隧道推進、管片拼裝等技術。高凱[4]對盾構空推過程中管片應變規律進行總結，揭示了管片易錯臺和出現滲漏水現象的作用機理和影響規律。謝國兵[5]根據某地鐵區間實際空推穿越過程中管片錯臺產生的過程和成型隧道管片的軸線與設計偏差，認為影響管片的最主要因素是盾尾間隙的控制和管片上浮對隧道軸線的影響。

本文根據武漢地鐵某區間盾構空推礦山法隧道實際情況，介紹了盾構在穿越中風化泥巖地層中，盾構推進、管片拼裝、管片背襯回填等關鍵技術和質量控制措施，為類似工程提供有益參考。

1　工程概況

武漢軌道交通某盾構區間，區間工程量見表1。中間風井至漢江隧道區間穿越中風化灰巖及石英巖層，強度約33～58MPa，考慮盾構在硬巖中掘進困難、進尺速度慢等因素，該段采用“礦山法”+“盾構法”復合工法施工； 漢江至北起點區間采用盾構法施工。管片為C50P12，環寬1.5m，厚度350mm，楔形量為40mm，外徑6 200mm，內徑5 500mm。礦山法隧道結構尺寸：凈寬： 6 600mm、凈高： 6 750mm； 隧道上部為3-2粉質粘土，隧道下部為17a-1中風化泥巖。線路的最小轉彎半徑R=350m； 最大縱坡28‰； 最大埋深37.2m； 最高水土壓力5Bar。

本工程北起點-中間風井盾區間采用兩臺泥水盾構施工，盾構機由北起點始發向中間風井掘進，隧道內完成盾構接收后空推至中間風井吊出。區間隧道剖面見圖1。

圖1　區間隧道剖面圖

表1　區間主要工程量表

區間里程長度施工方法中間風井～漢江左線DK11+156.40～DK11+368.40212.00m礦山法+盾構空推右線DK11+154.74～DK11+348.95194.21m礦山法+盾構空推漢江～北起點左線DK11+368.40～DK12+319.27950.87m盾構法右線DK11+348.95～DK12+319.26970.31m盾構法

2　總體施工流程及方法

暗挖空推斷總體施工流程為：導臺施工→盾構到達→盾構空推過礦山法隧道施工段→盾構接收施工。

2.1弧形導臺施工

隧道開挖完成初期支護后，在隧道底部90°范圍內設置半徑為3 470mm，厚度200mm的弧形混凝土導向平臺。施工圖如圖2所示。

圖2　施做盾構機導臺

2.2盾構到達

盾構到達施工，是指盾構機完成盾構隧道掘進，刀盤到達距盾構法隧道與礦山法隧道分界里程30m處開始，至刀盤通過分界里程、隧道貫通截至的施工過程。本工程擬采用水中到達的方式進行到達施工。盾構到達施工流程如圖3所示。

圖3　盾構到達施工流程圖

2.2.1擋水墻的設置

圖4　擋水墻設置示意圖

為確保施工安全，在中間風井側施工的礦山法隧道內，距盾構法隧道與礦山法隧道分界里程10m處設置1堵厚500mm的鋼筋混凝土擋水墻，見圖4。擋水墻橫向、豎向主筋采用φ20螺紋鋼間距@200布置，主筋礦山法隧道初期支護內側預埋鋼筋焊結形成整體，撐筋采用Φ10@400×400梅花形，鋼筋連接采用焊接。

擋水墻頂部及底部各設置1個帶有閘閥的Φ100鋼管，在盾構掘進隧道貫通前從擋水墻頂部鋼管注入儲水室內注入清水，貫通后通過擋水墻底部鋼管將儲水室內泥漿及廢水采用泥漿泵抽出進入排污系統，拆除擋水墻，清理施工場地。

2.2.2管片壁后二次注漿

在盾構推進至分界里程后，停止掘進，關閉泥水循環，對盾尾后4～6環管片背部進行二次補充注漿。

2.2.3最后10環管片連接

最后10環管片應嚴格把關三道復緊制度，刀盤抵攏掌子面停機后，再次復緊最后10環橫向螺栓； 另一方面為避免盾構貫通后，管片橫向受力突然減小，環間接縫變大產生漏水，在最后10環管片見安裝橫向拉緊裝置。

2.3盾構空推過礦山法隧道施工段

到達掘進完成后(即隧道貫通后)，利用擋水墻下部排水管將儲水室內的泥漿及廢水排入排污系統，鑿除擋水墻，清理施工場地，準備盾構空推過礦山法施工段，施工作業流程見圖5。

圖5　盾構空推過礦山法隧道施工作業流程

2.3.1盾構推進

由于盾構空推過程刀盤前方無反力作用，盾構姿態不易控制，為保證隧道線形，根據刀盤與弧形導臺之間的關系，調整各組推進油缸的行程，使盾構姿態沿設計線路方向推進，推進速度在30～50mm/min之間。盾構推進時，派專人在盾構前方檢查、監測盾構推進情況，主要檢查初支的開挖是否有侵入盾構刀盤輪廓初支、盾構前體下部與弧形導臺的結合情況、豆礫石回填是否密實等。空推效果圖見圖6。

圖6　盾構機空推

2.3.2管片拼裝

管片拼裝工藝與正常掘進時的工藝相同。管片選型要根據盾尾間隙與油缸行程差結合盾構姿態選擇合適的管片。通過控制盾構盾尾與管片外表面的間隙，確保管片拼裝符合設計要求。管片每安裝一片，先人工初步緊固連接螺栓； 安裝完一環后，用風動扳手對所有管片螺栓進行緊固； 待管片脫出盾尾后，重新用風動扳手進行緊固。

2.3.3管片背襯回填

管片背襯回填是指管片背后與礦山法隧道初期支護間空隙的回填密實工作，由噴射米石、盾尾同步注漿、補充注漿三部分組成。

(1)噴射米石回填

采用5～10mm連續級配的花崗巖米石作為回填料。管片拼裝時進行噴射米石回填。噴射米石分兩次：第一次，每隔4.5～6m在盾構機的切口四周不小于60°～300°的范圍用袋裝砂石料圍成一個圍堰，防止管片背后的米石、砂漿前竄，用2臺50的噴漿機，將噴漿機出口軟管和盾殼上的噴漿管路連接，左右兩側同時吹填粒徑5～10mm的豆礫石骨料，噴射壓力為0.25～0.3MPa。噴射豆礫石回填施工見圖7所示。

當盾殼頂部與砂袋圍堰頂部形成自然坡度時，停止噴射； 第二次，管片脫出盾尾后，從管片注漿孔向管片背后吹米石，進一步填充管片與礦山法隧道的空隙。

豆礫石的充填標準：礦山法初支隧道輪廓線超出管片外徑15cm，管片與暗挖隧道的孔隙9.5m3(其中弧形導臺體積為1.6m3)，噴射豆礫石填充區域為管片底部120°，保證管片不下沉即可，要求填充率不小于35%(填充的豆礫石和壁后間隙的體積比)，每環管片需噴射米石最少2.8m3(可根據實際噴漿速度進行方量的調整)。豆礫石噴射施工必須左右兩側同步，高差控制在0.8～1m，防止由于兩側骨料壓力差導致管片側移。

圖7　噴射米石回填示意圖

(2)盾尾同步注漿

同步注漿采用水泥砂漿，初凝8h，終凝10.5h。同步注漿在每環管片米石回填后進行，根據盾構推進速度，以每循環達到總注漿量而均勻注入，盾構推進開始注漿開始，推進完畢注漿結束。為保證填充效果，同時防止砂漿前竄至刀盤前方，注漿壓力為0.05～0.08MPa。同步注漿時盾殼外圍是敞開的，壓力變化不大，不以壓力作為注漿結束的控制標準。當注漿量達到理論注漿量的80%以上時，即可結束注漿。在管片安裝10環后，間隔4環管片在管片注漿孔處開口檢查注漿效果。根據檢查效果，決定是否進行補充注漿。注漿量可用下式進行計算：

Q=V·λ

式中，

λ——注漿率(取1.5～2.5，曲線地段及砂性地層段取較大值)

V——盾尾建筑空隙(m3)/環

V=π[(6.52/2)2-(6.2/2)2]×1.5=4.8m3

則：Q=7.2～11.0m3/環

(3)補充注漿

①第一次：目的是填充管片背后尤其是頂部的空洞。盾構機推進過程中，每前進4環通過管片注漿孔檢查同步注漿效果。管片背后如果存在空洞，從管片上部37.9°或322.1°位置的注漿孔進行注漿。注漿時，避開封頂塊位置。漿液采用水泥單液漿。漿液配比為：水泥：水=1： 0.8。注漿壓力為0.3～0.4MPa。注漿結束標準采用注漿壓力單指標控制。

②第二次：盾構機通過礦山法隧道后，根據滲漏水情況，采用雙液注漿泵注漿堵水。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。漿液配比為水泥：水玻璃為1： 1，注漿壓力為0.2～0.3MPa，注漿速度不大于10L/min。注漿結束標準采用注漿壓力單指標控制。

2.4盾構接收施工

盾構接收施工是指盾構機刀盤抵達中間風井接收井洞門處開始，至盾構機盾尾完全脫出洞門，移動至接收架上截至的作業。盾構接收施工作業流程如圖8。

圖8　盾構接收施工作業流程

2.4.1洞門密封的安裝

盾構機到達接收井前，在接收井洞門安裝洞門密封裝置，主要作用是對管片背后空隙充填的米石及砂漿形成封堵，保證空隙充填效果。洞門密封裝置見圖9。

圖9　盾構接收洞門密封裝置圖

2.4.2管片背部空隙的充填

盾構機刀盤抵達洞門處時，由于無法從刀盤前方噴射米石，此管片背部空隙的米石主要通過管片的二次注漿孔進行噴射，砂漿的注入通過盾構機自帶的同步注漿系統與盾構推進同步進行。為保證充填效果，盾構接收施工中，米石噴射每3m進行一次。

在盾尾完全脫出洞門后，要及時對接收段管片背部空隙充填效果進行檢測，對充填效果不足的部分進行二次補充注漿。亦可采用地面袖閥管注漿方式，在隧道頂部開孔，進行注漿。地面注漿必須待盾構通過后方可進行開孔和水泥漿的補注。開孔時嚴格控制進尺長度，確保打穿礦山法隧道初支即可。注漿完成標準以量和壓力雙控：灌注量不小于壁后間隙的65%，即每環平均4m3； 壓力控制以注漿泵壓力為準。并以開孔檢查注漿效果作為注漿完成的標準。

2.4.3最后20環管片的連接

最后20環管片拼裝中要及時將管片連接成整體，以免在推力很小或者沒有推力時管片之間的松動。拉緊聯系條采用14b槽鋼，在起重螺母出用M30螺栓書栓接，拉緊裝置在后盾管片除前或盾構推力卸去前設置安裝。

3　質量控制

3.1盾構姿態控制

由于盾構主機的體積大(長10.5m，刀盤直徑達6.52m)、質量重(重達350T)，姿態調整比較困難。各個施工階段采取以下措施進行盾構姿態的控制：

(1)弧形導臺施工階段

控制空推導臺施工精度。導向平臺是盾構通過硬巖隧道時的下部支撐，導向平臺的施工精度直接決定著盾構的姿態。導向平臺施工模板定位后必須進行測量復核，混凝土澆注后應進行標高的復測，確保導向平臺的施工精度在0～+10mm以內。

(2)盾構到達階段

調整好隧道貫通時盾構的姿態。盾構從盾構隧道進入硬巖隧道前，及時調整盾構的出洞姿態，確保盾構出洞時的滾動值Roll小于±3mm/m。盾構在導向平臺上推進時，調整盾構的滾動值Roll小于±5mm/m。

(3)盾構空退過礦山法隧道施工階段

做好管片的選型及安裝。綜合盾構的姿態、盾尾間隙、油缸行程及盾構推進情況等因素，合理選擇管片的安裝類型，控制推進油缸行程差，使盾構機姿態偏差在±20mm以內、盾尾間隙均在70mm左右，確保管片受到的油缸推力較平均，在管片脫出盾尾時，盾尾內殼不會擠壓管片外壁，可有效防止管片產生錯臺、裂縫。

3.2管片錯臺

盾構在導向平臺上向前推進時，盾構的前體、中體以及盾尾的盾殼與導臺是緊密接觸的，只要注意管片選型與姿態調整，不會產生大的錯臺。

(1)盾構空推過礦山法隧道施工階段

①每3～5環對管片姿態進行人工測量，根據測量結果結合盾尾間隙進行管片的選型。

②加強管片背后噴射豆礫石回填效果的檢查，確保管片底部與硬巖隧道初期支護間空隙的充填密實度，保證管片下部有足夠的支撐力。

(2)盾構接收階段

盾構機在接收基座上推進時，每向前推進2環拉緊一次洞門臨時密封裝置，每1環通過從管片二次注漿孔向管片背后噴射米石1次，并通過同步注漿系統注入速凝漿液填充管片外環形間隙，保證管片姿態正確。

3.3管片上浮

因空推段管片壁后噴射的豆礫石和同步注漿量有限，且管片壁后積水較多，同步注漿漿液未能凝固，管片中上部和礦山法隧道初支間基本處于空洞狀態，積水及漿液浮力均能引起管片上浮及擺動。

(1)盾構空推過礦山法隧道施工階段

空推施工中根據礦山法初支隧道滲漏水量的大小，在成型隧道管片腰部以下的吊裝孔進行放水，避免因積水過多造成成型隧道管片上浮。隧道內的積水外排采用污水泵將污水排至中間風井，再由中間風井排送至地面。并及時對管片姿態進行人工測量復核，根據復核結果判斷是否采用其他輔助措施處理。

(2)盾構接收階段

注漿作業中可繼續在盾構隧道內開孔放水，防止積水壓力過大造成管片偏移或上浮。

3.4管片防水

盾構推進通過硬巖隧道時，盾構盾殼與導向平臺間的摩擦力約100t，管片與盾尾尾刷間的摩擦力20t，拖拉后配套的拉力75t，即盾構在導向平臺上向前推進所需反力為195t。為保證管片的防水效果，施工中采取以下措施：

盾構空推過礦山法隧道施工階段如下：

(1)安裝管片時，在該環管片的螺栓緊固完畢后，對上一環管片的螺栓進行二次緊固，以保證管片的塊與塊之間、環與環之間的緊密連接。

(2)在管片拖出盾尾后，迅速再次對螺栓進行復緊。

4　結語

根據該工程盾構法空推過礦山法隧道的實際過程中采取的關鍵技術和為確保施工質量采取的質量控制措施得出以下結論：

(1)盾構到達階段采用水中到達的方式進行到達施工。與傳統到達施工方法相比，施做擋水墻具有施工速度快、工程造價低、拆除方便的優點。

(2)盾構空推過礦山法隧道施工階段，因盾殼外圍是敞開的，僅以注漿量達到理論注漿量的80%以上作為結束標注； 補充注漿結束標準采用注漿壓力單指標控制。

(3)盾構空推礦山法隧道施工控制的關鍵主要包括管片的拼裝質量和隧道軸線與設計軸線偏差，即管片錯臺、管片上浮、盾構姿態、盾尾間隙和導臺的施工精度等。

[1]侯學淵， 錢達仁，楊林德.軟土工程施工新技術[M].安徽科學技術出版社， 1999.

[2]陳玉新. 盾構在礦山法隧道推進技術[J].中國中鐵隧道集團2007年水底隧道專題技術交流大會論文集， 2007.

[3]趙立鋒. 杭州地鐵2 號線盾構軟土區過硬巖技術研究[J].鐵道標準設計， 2015, 59(6): 103-107.

[4]高凱. 盾構在礦山法隧道中空推管片縱向受力分析[J].山西建筑， 2012, 38(10): 183-184.

[5]謝國兵. 盾構空推過曲線暗挖隧道的管片質量控制[J].鐵道建筑技術， 2014， 9： 5.

Technology and Quality Control of Shield Empty Across the Mining Method for Tunnel Construction

Xu Yanzhao1, Li Yawei2, Yang Jun2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009，China2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Shield method construction，as a kind of safe and effective method of tunnel construction，plays a positive role in the construction of urban rail transit in our country.However，an interval，including partial hard rock section，is difficult for shield tunneling machine to push forward.When the hard rock drivage reaches a certain length，we usually use“shield law”+“mines”composite construction method.Although this method can improve the construction speed and reduce the construction risk，but also causes many problems.According to the actual situation of Wuhan subway construction，this paper introduces the key technologies and quality control measures of shield to shield，shield advance and receiving phase with good results in the weathered mudstone formation of the hollow push mining method in tunnel construction，providing a useful reference for similar projects.

Shield Method； Mining Method； Empty Pushing； Construction Technology； Quality Control

國家自然科學基金“基于復雜網絡理論的地鐵盾構施工誘發環境風險的時空演化機理與規律研究”(編號：51408245)

徐延召(1983-)，男，高級工程師。主要研究方向：地鐵工程風險控制。

U455.43;U455

A

1674-7461(2016)01-0053-06

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.09