盾構空推過礦山法隧道關鍵技術研究

劉志峰

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司 北京 101100)

1 引言

地鐵隧道施工主要采用盾構法，在較堅硬巖層等特殊地段一般采用礦山法。當線路地質變化較大時，采用單一的盾構法或者礦山法就不能滿足施工要求，勢必采取多種工法聯合施工，“盾構法＋礦山法”就是一典型組合工法[1－2]。在某些施工場地受限區域，這種組合工法會用到盾構空推通過礦山法已施工完初支的隧道，并拼裝管片形成隧道的二襯，以此節約場地，方便施工組織。

盾構空推過礦山法隧道施工工法是為解決地下隧道施工難題而研發的一種復合施工工法[3－5]，即地鐵區間一端用盾構法施工，另一端用礦山法相向施工；礦山法施工完成隧道初期支護，盾構法與礦山法隧道貫通后，通過礦山法隧道時，由于刀盤不承受地層阻力，只空推；邊空推邊用盾構機拼裝管片形成隧道的二襯，并向管片和初支之間的孔隙填充豆礫石及注漿。盾構空推過礦山法隧道，初支斷面不能出現欠挖，若欠挖，空推時會卡住刀盤而無法繼續推進；若初支斷面超挖，管片拼接后易發生下沉或上浮。此外，盾構空推時推力[6]達不到管片擠壓防水要求，或已拼管片周邊存在較大間隙，易發生接縫滲漏水[7]、隧道軸線偏差超限、管片錯臺、管片上浮等質量問題。因此，研究盾構空推過礦山法隧道關鍵技術意義重大。

深圳地鐵10號線雪甘區間(雪象站～甘坑站)采用盾構法與礦山法聯合施工，由于場地條件受限，盾構法與礦山法結合處采用盾構空推過礦山法隧道施工工法。本文以該工程為背景，論述了盾構空推過礦山法隧道關鍵技術，相關經驗可為類似工程提供參考。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

深圳地鐵10號線1012-1B標，含兩站一區間:雪象站(原雪象北站)、甘坑站、雪甘區間。該區間2.4 km長，其中盾構法隧道1 km，礦山法隧道1.4 km(含盾構空推拼管片段)。線路最大縱坡14.45‰，最小曲線半徑500 m，隧道埋深5～87 m。沿線主要為丘陵地貌，溝谷發育，植被覆蓋好，高程100～250 m，總地勢東高西低。區間靠近甘坑站有一小段隧道處于硬巖地層，該段先采用礦山法開挖隧道并施作初期支護，隨后盾構機空推拼裝預制鋼筋混凝土管片施作二襯。其中，左線空推段172.69 m，右線空推段204.45 m。本文以盾構過礦山法段(空推段)左線為例進行闡述，左線空推段的地質剖面圖如圖1所示。

圖1 左線空推段地質剖面圖

根據設計，礦山法隧道為圓形，初支為格柵鋼架＋噴砼結構，設計的截面豎向為6.5 m、橫向6.4 m。盾構法隧道，盾構刀盤直徑6.28 m，管片外徑6.0 m，內徑5.4 m。盾構貫通后沿弧形導臺拼裝二襯管片，采取管片背后“充填豆石＋注漿”相結合的方式，盾構空推過礦山法隧道。

2.2 重難點分析

(1)針對盾構空推過礦山法隧道的特殊施工方法，如何防止盾構與礦山法隧道接口處管片錯臺，是一項難點。

(2)礦山法隧道若存在超欠挖，欠挖時盾構空推過隧道時易卡住刀盤，超挖時管片拼接后易發生下沉或上浮，質量得不到保障。為此礦山法隧道初支后的凈空尺寸需要檢測，傳統檢測技術存在工作量大、效率低、觀測時段受限等缺點，需要新的檢測技術，這也是一項難點。

(3)盾構空推過礦山法隧道的施工工藝，也是一項難點。

(4)空推段施工質量監測，是一項重點。

3 盾構空推過礦山法隧道關鍵技術

3.1 盾構空推方案

隧道礦山法開挖，施作初期支護，施作50 cm厚C25混凝土端封墻，回填11 m長的C15素砼，并澆筑導臺；當盾構機接近空推段隧道時，做好盾構貫通準備，接口處進行注漿，導臺上堆放好豆礫石[8]；盾構空推過程中，在盾構機刀盤前方用噴錨機噴射豆礫石回填初支與管片的空隙，并及時進行同步注漿；空推結束后檢查管片背后回填質量。盾構空推過礦山法隧道示意如圖2所示，工藝流程見圖3所示。

圖2 盾構空推過礦山法隧道示意(單位:mm)

圖3 盾構空推過礦山法隧道工藝流程

3.2 測量準備

(1)貫通里程復測

礦山法隧道施工完成后，在盾構進入空推段前需對礦山法隧道端頭里程進行復測，復測所用控制點需從地面業主所移交平面控制點及水準點引至井下進行復測，為盾構貫通前到達段的掘進提供依據。

(2)礦山法段隧道凈空測量

礦山法隧道初支施工完成后設計內徑為豎向6 500 mm、橫向6 400 mm，盾構機外徑為6 250 mm，盾構貫通后，盾構機與礦山法段初支環形最小間隙75 mm，為了盾構機順利空推過礦山法段，需要對礦山法隧道斷面凈空進行復測，斷面間隔原則5 m布置一組(與周圍結構明顯凹凸不平處加測一組)，每組布置8個測點，上下左右各1個、左上右上各1個、左下右下各1個，以檢查欠挖尺寸，及時處理，保證礦山法隧道的圓順。

(3)導臺(導向平臺)復測

導臺是盾構空推時的下部支撐，它的施工精度決定著盾構機的姿態。它的設計半徑為3 150 mm，盾構機盾體半徑為3 125 mm，復測主要檢查導臺底部標高、導臺兩端標高、導臺的弧長及弦長，以檢查導臺是否圓順。導臺的標高精度控制在0～＋15 mm。

3.3 盾構法與礦山法隧道接口防措臺處理技術

(1)導臺施作。導臺設計半徑為3 150 mm，采用150 mm厚的C30鋼筋混凝土，在隧底60°范圍施作。由于在空推掘進前需轉動刀盤，為防止已施工的導臺對盾構刀盤正常轉動有較大影響，距離掌子面1.2 m距離不施作混凝土導臺。

(2)在礦山法隧道開挖至端頭位置時，先采用50 cm厚C25混凝土G20@150雙排玻璃纖維筋臨時封閉掌子面，然后施作回填[9]。隧道采用C15素砼回填，回填范圍沿隧道縱向11 m范圍充填整個橫斷面(見圖4)。盾構機到達時，使用刀盤開挖素混凝土并組裝管片，通過這樣技術措施來確保接口質量。

圖4 盾構空推段礦山法端頭封堵示意(單位:cm)

(3)待管片脫出盾尾6環后，通過管片吊裝孔進行雙液二次注漿止水。

3.4 盾構空推過隧技術

3.4.1 豆石的堆放

盾構機礦山法隧道空推掘進時，由于盾構機前方阻力很小，需對盾體及管片周圍噴射豆石，以便增大摩擦阻力，增加推力，擠緊管片止水膠條。豆石選擇直徑5～10 mm的花崗巖，在盾構機進入礦山法隧道前需提前備料，具體備料方量為需填充空隙的80%。豆石從礦山法隧道豎井用溜槽下放到井下，井下采用4 m3自卸翻斗車進行水平運輸，均勻鋪到導臺上。在礦山法隧道內刀盤前方堆放二分之一刀盤高度的豆石，以空推過程中增加盾構機的反力，保證管片拼裝質量。盾構機推進時不轉動刀盤，豆石在刀盤推力的作用下自動擠壓填充底部及兩側空隙，剩余空隙靠后續同步注漿、二次注漿及刀盤前方噴射豆石來密實。

3.4.2 盾構空推參數控制

根據導臺與刀盤的關系，調整油缸行程，使盾構沿設計線路前行。空推期間，盾構前進速度控制在15～40 mm/min之間；上、下部油缸壓力有差別，上部的要略小于下部的。

3.4.3 安裝管片

與正常掘進的工藝相同[10]，按下部、中部、上部的先后順序進行。拖出盾尾的管片上部采用支頂由吊裝孔固定在隧道初支上，管片支頂絲牙與管片吊裝孔吻合，如圖5所示。

圖5 管片支頂作用示意

3.4.4 管片背后噴填豆石

為防止管片下沉、錯臺，增加推進盾構的摩擦力，在管片脫離盾尾時，要噴射豆石對管片進行支撐[11]。刀盤前采用3臺噴錨機噴豆石填料，噴錨機噴速為6～9 m3/h。刀盤 2、10、12點方向分別焊接直徑50 mm、長度9～10 m的鋼管，噴錨機通過加長鋼管噴嘴，從刀盤前面向盾構吹填5～10 mm粒徑的豆石，壓力控制在0.25～0.3 MPa。豆石噴射過程中，為避免飛石傷人，非作業人員禁止進入。

3.4.5 同步注漿

(1)注漿漿液

砂、水泥、粉煤灰、膨潤土按一定比例制備，初凝5 h、終凝8 h。根據盾構空推過程中漿液流動情況，調整漿液的膠凝時間，適當添加速凝劑。

(2)注漿工藝

注漿分兩步:第一步是在各環管片噴豆石回填時進行。采用盾構機注漿系統，注漿流量、速度、壓力可根據現場情況隨時手動調節[12]。第二步是利用管片上的注漿孔，在距離盾尾約20環的位置進行注漿。漿液仍為水泥漿，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。注漿過程中，加強盾構周圍的觀察，如果發現漿液泄漏，暫停注漿。

3.4.6 二次注漿

二次注漿的目的是填充管片后面的空腔，確保礦山隧道初支與管片之間填充密實。在盾構空推過程中，二次注漿也分兩步。第一步，隧道內每隔15環使用水泥－水玻璃雙液漿進行二次注漿，形成一個止水環，以阻擋管片背后來水。第二步是用水泥漿對15環內的隧道進行二次注漿，以填補背后空隙。雙液注漿泵用于雙液注漿。水泥和水玻璃(40 Be)雙液漿，體積比1∶1，流量≤10 L/min，壓力 0.2 ～0.3 MPa。

3.4.7 檢查與修補

每隔4環管片(6 m)，開口檢查注漿效果；在盾構空推作業完成后，也檢查管片間滲漏水情況；采用雙液注漿堵水修補。

3.5 三維激光掃描檢測技術

三維激光掃描技術，與水準儀、經緯儀、測距儀、全站儀等傳統的單一測繪技術相比，該技術具有數字空間信息采集、高精度、高自動化、全息性、大數據、速度快等特點。

利用三維激光掃描儀采集隧道空間點云數據，通過計算機對點云數據進行分析、處理，來判斷隧道超欠挖、監測隧道變形。

用Leica ScanStation P40/P30三維激光掃描儀對空推段隧道進行掃描，具體見圖6、圖7。

圖6 三維激光掃描現場

圖7 隧道輪廓點云圖像

通過提取掃描點云數據，對34個斷面進行了統計分析。隧道超挖量大，各斷面均有不同程度的超挖。此外，共有14個斷面欠挖，有的欠挖比例大于10%，最高欠挖比例達37%。由于欠挖值超過控制限值，阻礙了盾構空推，必須對欠挖部位進行鑿除處理。

3.6 空推段質量監測技術

3.6.1 監測目的

通過對盾構空推過礦山法隧道進行施工監測，可掌握同步注漿、二次注漿的注漿效果，管片背后噴填豆石效果以及管片支頂對管片上浮的作用，以利于修正施工參數，確保施工質量。

3.6.2 監測儀器及點位布置

(1)監測儀器

本工程采用萊卡精密水準儀＋測微器FS1(精度0.3 mm)和銦鋼尺對空推段管片姿態進行測量。

(2)點位布置

隧道沉降(上浮)測量時，觀測點的標志設置在隧道拱頂和左右兩側，每環管片設置3個沉降(上浮)觀測點，通過穩定的工作點來測定觀測點的沉降(上浮)，而工作點再應用水準基點來做檢測。

3.6.3 監測頻率

當監測斷面與掘進面的距離小于20 m時，每天測量一次；當監測斷面與掘進面的距離大于20 m且小于50 m時，每兩天測量一次；當監測斷面與掘進面的距離大于50 m時，每周測量一次。

管片姿態水平方向和垂直方向的控制值均為50 mm。當監測值超過控制值時，除了繼續加強監測、觀察、檢查和處理外，應根據預警狀態的特點進一步完善針對該方案的預警方案，同時根據工地現場會議及專項會議要求執行。

3.6.4 左線空推段監測結果

(1)管片水平偏移量

左線空推段管片水平偏移量監測結果見圖8a。左線空推段從672環到788環，共117環。其中，有59環管片向右偏移，最大偏移量為115.65 mm；58環管片向左偏移，最大偏移量為113.06 mm。

(2)管片垂直偏移量

左線空推段管片垂直偏移量監測結果見圖8b。左線空推段從672環到788環，共117環。其中，有2環管片上浮，最大上浮量為5.69 mm；115環管片下沉，最大下沉量為206.29 mm。

圖8 左線空推段管片水平、垂直偏移量

監測結果顯示:水平方向上，空推段管片主要向右偏移；垂直方向上，管片主要表現為下沉，部分管片上浮。

4 結語

目前，本項目的盾構空推過礦山法隧道已順利實施完成，效果良好，實踐表明:

(1)采用50 cm厚C25混凝土G20@150雙排玻璃纖維筋臨時封閉掌子面，回填施作11 m長C15素混凝土，盾構機到達時，使用刀盤開挖素混凝土并組裝管片，這種方式防止盾構與礦山法隧道接口處管片錯臺。

(2)盾構空推過礦山法隧道時，需要嚴格控制盾構機推進速度在15～40 mm/min之間，同時加強同步注漿和二次注漿。

(3)當管片脫離盾尾時，管片由噴射豆石支撐，增加了盾構前移摩擦力，防止了管片下沉和錯臺。

(4)為防止空推時管片上浮或下沉，待管片拼裝完成后，在管片吊裝孔處安裝支頂。

(5)針對礦山法隧道初支斷面欠挖易導致盾構機空推困難這一難題，采用三維激光掃描檢測技術，快速確定了欠挖部分需二次開挖鑿除的隧道斷面部分，節約了本次空推過隧作業時間。