盾構與礦山組合工法在越江隧道中的應用

楊超

摘 要：地鐵區間隧道多采用盾構法施工，當遇到堅硬巖層時，單靠盾構法難以完成，多采用“礦山法+盾構法”施工。以武漢地鐵3號線越江隧道為例，詳細介紹了“礦山法+盾構法”中組合段關鍵節點設計與施工方案，為類似工程提供一定借鑒。

關鍵詞：地鐵；越江隧道；盾構法；礦山法；空推；進出洞

1概述

軌道交通線網主要位于市區繁華地段，地鐵區間通常為淺埋隧道，為減小對地面交通、管線等的影響，多采用盾構法施工。但一條隧道難以保證所遇的均未單一地層，開挖過程中若遇到硬巖、孤石群時，仍采用盾構法施工將會加速刀具磨損、降低掘進速度，頻繁更換刀具不僅增加工程造價，且施工安全風險大。為了加快進度，減少施工風險，可根據地質條件采用“礦山法+盾構法”相結合的工法。

如武漢地鐵3號線王家灣站——宗關站越江區間，隧道穿越范圍分屬長江Ⅰ級階地、漢江河床、Ⅲ級階地3個地貌單元，穿越的地層有強透水的砂層、微透水的粘土層、中風化巖層，地質條件復雜。中風化巖層地段采用“礦山法+盾構法”相結合的工法，即“礦山法開挖初支，盾構法管片襯砌”，結合本工程對盾構在礦山法隧道內空推、進出洞等提出有效施工方案，為類似地鐵施工提供一定技術支持。

2工程概況

武漢地鐵3號線王家灣站——宗關站越江區間線路出王家灣站后沿龍陽大道向北敷設，過琴臺大道后向東切割漢陽體育基地，在江漢二橋下游30多米處穿越漢江，最后沿建設大道東側地塊敷設至宗關站，區間全長約2322m，區間平面、縱剖面分別見圖1、圖2。

2.1工程地質

本工程地貌形態分屬漢江河床、長江Ⅰ級、Ⅲ級階地3個地貌單元。漢陽段屬長江Ⅲ級階地，漢口段屬長江Ⅰ級階地，區內漢江河道順直，河床寬約230m，兩側岸坡較陡，江底地形總體平順，標高在4.4～8.2m之間。長江Ⅰ級、Ⅲ級階地前緣地形平坦、開闊，總體向長江傾斜。

漢口Ⅰ級階地段，區間主要涉及地層為4-1細砂、4-2細砂、4-2a粉質粘土、4-3中粗砂。

漢陽Ⅲ級階地段，區間主要涉及的地層為10-2粘土、13-2殘積土、17b中風化灰巖、17b-1中風化泥灰巖、18a中風化灰巖。

漢江河床段，江底地層自上而下依次為2-1粉砂、粉土、3-4粉質粘土、4-3中粗砂、19a中風化石英砂巖、20b-1強風化泥巖、20b-2中風化泥巖。

2.2水文地質

漢口Ⅰ級階地孔隙水含水層主要為粉細砂、中粗砂層，其含水層與漢江河床透水介質直接相通，與漢江有較好的互補關系，水量豐富。

基巖裂隙水主要賦存于基巖裂隙中，補給方式主要為上覆含水層的下滲補給，其水量及滲透性主要由基巖裂隙的密集程度及貫通性控制。基巖以泥巖或泥質巖為主的巖體中的裂隙多以密閉型為主或為泥質充填，一般裂隙水貧乏。

3施工工法選擇

隧道穿越范圍分屬長江Ⅰ級階地、漢江河床、Ⅲ級階地3個地貌單元，穿越的地層有強透水的砂層、微透水的粘土層、中風化巖層，根據地質條件的不同，各段工法的應用范圍如圖2所示。

3.1王家灣站——區間風井

本段屬長江Ⅲ級階地，隧道穿越的地層主要為粘土層、中風化灰巖，地質條件較好，且隧道埋深較深，地面環境條件較為簡單，本段采用礦山法施工。

3.2區間風井——宗關站

3.2.1漢口段

本段屬長江Ⅰ級階地，隧道穿越的地層主要為強透水性的砂層，且地下水與漢江有較好的互補關系，水量豐富，為確保隧道施工的安全，采用泥水平衡盾構施工。

3.2.2江中段～區間風井

本段屬漢江河床向長江Ⅲ級階地過渡段，受江底沖刷線控制，隧道埋深深，地質條件復雜，其中中風化灰巖飽和極限單軸抗壓強度約48.5 MPa，巖石強度高，盾構法施工將會加速刀具磨損、降低掘進速度。

為確保江中段施工安全，本段以泥水平衡盾構施工為主；對于局部硬巖地段，在確保工程安全的前提下采用“礦山法+盾構法”組合工法，即“礦山法開挖初支，盾構法管片襯砌”。

4盾構與礦山法組合段關鍵節點設計

為提高斷面利用率，硬巖段隧道設計為圓形斷面，根據盾構通過的需要分為盾構接收段和盾構空推段。盾構機主要參數如下：刀盤直徑6.52m（長0.8m）；前體直徑6.49m（長2.2m）；中體直徑6.48m（長3.5m）；盾尾直徑6.47m（長度4m）。

4.1盾構與礦山法隧道接口設計

當礦山法隧道先完成施工時，盾構推進進入礦山法隧道，為確保掌子面土體穩定，防止地下水涌入礦山法隧道，根據盾構機尺寸（主體長約10.5m），硬巖隧道靠近盾構隧道處14.3米作為盾構接收段，共有3段組成，即0.5m厚C25素砼封堵墻、13m的C15素砼回填體、0.8m厚C25鋼筋砼洞門，具體如圖3所示。

4.2盾構空推段襯砌設計

4.2.1礦山法隧道初支設計

為滿足盾構空推施工需要，礦山法隧道設計為凈空6820mm的圓形斷面，比盾構刀盤大150mm。初支采用超前支護+格柵鋼架+噴射混凝土方式，具體參數根據圍巖條件和監控量測結果進行調整。初支與管片之間空隙采用豆礫石及注漿充填。礦山法隧道支護結構如圖4所示。

4.2.2導臺設計

為保證盾構機保持良好的推進姿態，確保管片拼裝質量，在礦山法隧道仰拱90度范圍設置鋼筋混凝土導臺。鋼筋混凝土導臺的中心線與隧道中心線重合，且對稱于隧道中心線。導臺結構如圖5所示。

5盾構接收段施工

根據以往的工程經驗，盾構進出洞施工風險較大，本工程盾構接收段鄰近漢江，施工不當將直接影響工程的安全。施工期間的流程如圖6所示：

礦山法開挖硬巖隧道并完成初期支護、后完成接收段施工，盾構后部注漿密封，鑿除洞門，完成盾構接收。

5.1封堵墻前盾構施工

盾構進入到達段時，逐步減小推力、降低掘進速度，待盾構刀盤到達暗挖與盾構區間分界里程前20環及接收段回填區域，保證同步注漿量，在控制注漿量的同時控制注漿壓力，防止同步注漿漿液竄入刀盤區域。

5.2素混凝土回填區盾構施工

封堵墻掘進完成后，進入C15素混凝土回填區域掘進，長度共計13m，掘進過程要求盾構速度控制在15mm/min以內，推力控制在2000t以下。

施工過程中加強對空推段隧道初支及洞門變形監測，發現初支混凝土有較大震動或變形時，立即反饋并調整盾構掘進參數，防止推力過大，造成刀盤前部的大面積坍塌。

5.3洞門破除施工

洞門破除前，為有效封堵管片與圍巖之間的泄水通道，對盾尾已拼裝的10環管片，通過管片注漿孔對管片外側地層進行全斷面二次注漿，漿液均采用水泥水玻璃雙液漿。通過土倉液位變化判斷注漿效果，達到要求后方可進行洞門破除。

洞門破除自上而下進行，鑿除時須將暗挖初支外露鋼筋割除干凈，避免在盾構出洞過程中因盾構與洞門鋼筋產生拉拽，破壞暗挖初支結構。

6盾構空推段施工

（1）盾構機空載通過礦山法段時，應嚴格控制盾構機的掘進姿態，加強隧道中線的定位檢測；管片與礦山法段的空隙通過通過噴射豆礫石在管片脫離盾尾時對管片進行支撐，以防管片下沉產生錯臺。同時，利用盾構機自身的同步注漿系統壓注水泥砂漿，使襯砌管片與地層間緊密接觸，以提高支護效果。施工前須做噴射豆礫石試驗，確定噴射壓力及可達到的密實度。

（2）噴射豆礫石回填后對管片背后進行注漿，為防止管片上浮，注漿從管片大跨以上進行壓注。既要保證對環向空隙的有效 填充，又要確保管片結構不因注漿產生位移、變形和損壞，同時又要防止砂漿前竄至盾構刀盤前方。

7結語

本工程已于2015年施工完成，工程實施期間采用 “礦山法+盾構法”組合工法，通過本工程的應用，得出了以下結論：

（1）根據隧道沿線穿越的主要地層特性，選擇適宜的工法，對盾構穿巖地段，需充分評估巖石的強度等級，優化刀盤結構，確保盾構對地層的適應性。

（2）合理確定盾構法與礦山法的分界面，一方面利用盾構在軟土地層施工的優點，縮短工期，降低成本；另一方面對硬巖地段采用礦山法施工，避免了盾構施工刀具磨損，有效降低了施工風險，確保工程安全順利進行。

（3）對礦山法隧道與盾構法隧道接口進行了特殊設計，通過設置的混凝土“套筒”接收段有效降低了盾構接收風險。

參考文獻：

[1]王春河.盾構機空推過礦山法段地鐵隧道施工技術[J].鐵道標準設計，2010（3）：88-91.

[2]張振光.盾構在礦山法隧道內進出洞施工萊鍵攮術[J].銅業工程，2012（2）：47-50.

[3]伍偉林.鋼套筒平衡技術在泥水平衡盾構出洞工程中的應用[J].城市軌道交通研究，2016（9）：125-128.

[4] 江玉生.盾構始發與到達： 端頭加固理論研究與工程實踐[M].北京：人民交通出版社，2011.