盾构机空推过矿山法段地铁隧道施工技术

王春河

(1.中国矿业大学(北京),北京 100083；2.中铁六局集团有限公司,北京 100036)

1 概述

城市地铁通常为浅埋隧道,且穿越路线为城市繁华地段,上覆建筑物多、人口密集、交通繁忙,所以通常采用盾构法施工以减少对地面影响。然而在开挖过程中若遇到硬岩、孤石群或长距离上软下硬地段时,仍采用盾构法施工将会加速刀具磨损、降低掘进速度,频繁更换刀具将使人工成本及工程成本不断上升,且施工安全风险极大,对工程整体进度产生影响。故在此类地段可以考虑矿山法与盾构法相结合进行施工。如深圳地铁2号线某标段,设计勘察过程中揭示隧道通过岩层岩性为基岩隆起和孤石群段,拟定施工方案即采用矿山法与盾构法相结合进行,以加快施工进度。盾构机由盾构段进入已开挖好的矿山段是采用这种施工方案需要解决的一个技术问题,结合深圳地铁2号线工程实际情况,对开挖过程中前方遇孤石群和基岩隆起的情况进行分析,提出有效施工方案,为国内地铁施工提供一定技术支持。

2 工程概况

盾构隧道设计为2条内径5.4 m的单线隧道,左右线线间距为13～18 m。盾构区间右线设计里程范围为YDK13+304.7～YDK14+237.85,全长954.732 m。其中YDK13+304.7～YDK14+015为纯盾构法施工,长710.294 m；YDK14+015～YDK14+237.85为矿山法开挖+锚喷初支+管片衬砌的复合施工方法施工,长244.438 m。隧道埋深7～21 m。盾构区间右线采用1台复合式土压平衡盾构机掘进,盾构机由地铁红树湾站东端始发,沿东北向下穿白石三道、白石路、欢乐海岸到达区间竖井吊出。

根据补充地质钻探资料显示,隧道设计线路通过地层自上而下主要为素填土层、填石层、砾砂层、淤泥质黏土层、砾质黏土层、全(强)风化花岗岩；盾构穿越地层主要为砾砂层、砾质黏土层；盾构与暗挖段接口上部为砾质黏土层,下部为全风化花岗岩。矿山法隧道开挖前经过注浆加固,初支后侧壁稳定,地表基本稳定。

3 施工方案探讨

3.1 施工总体思路

施工方案总体设计思路为红世区间采用矿山法开挖+锚喷初支+管片衬砌的复合施工方法,即先采用矿山法施工隧道初支,然后再利用盾构拼装管片空推通过矿山法隧道,空推的同时由盾构拼装管片形成矿山法隧道的二衬,二衬和初支之间的孔隙采用粒径小于10 mm的碎石(细石)填充,然后注浆填充碎石间的空隙,最终由注浆体和管片共同构成矿山法隧道的二衬。

3.2 盾构前方堆土作用力计算

矿山法隧道施工完成后,盾构过境采用空推工况下进行管片拼装,盾构正面无土压力作用,易造成管片环缝间隙较大,粘贴在管片上的三元乙丙橡胶止水条达不到最低的压缩量,隧道防水效果不佳。为确保盾构管片防水质量,拟在矿山法隧道施工完成后在隧道内堆填土体,以提供盾构推进时的反力。

由于隧道是矿山法先行开挖支护后,在刀盘前方回填渣土以提供反力,所以按全部松土压力作用于刀盘面板上,并且在矿山法开挖支护后基本上没有水作用于盾体。刀盘前方依次全断面填土15 m,下半断面填土10 m,则盾构机的反作用力计算如下。

(1)推进时混凝土导台对盾构机的摩擦阻力

F1=μ摩·Wg=0.3×3 430=1 029kN

式中，Wg为盾构及附属物总重，取3 430kN；μ摩为摩擦系数，取0.3。

(2)回填土受到的摩擦阻力

2 087.66kN

式中，L为回填渣土的长度,取15m；K为土的松散系数；γ土取18.6kN/m3。

(3)盾构支撑土体所受的轴向阻力

681.21 kN

式中，Kg为土的侧压力系数。

(4)盾尾刷与管片之间的摩擦阻力(以2环管片计算)

F4=μ摩·2W管=0.5×2×200=200kN

其中，每环管片W管取200kN。

(5)后配套台车的牵引阻力

F5=μ摩·W拖=0.5×1 700=850 kN

因此,土压平衡掘进时提供盾构反作用力总计为

F=F1+F2+F3+F4+F5=4 847.87 kN>止水条挤压力3 000 kN。故前方堆土满足止水效果要求。

3.3 施工准备

盾构和矿山法隧道的分界面地表为空地,但是矿山法隧道开挖及左线隧道掘进过程中由于地层失水已经导致邻近建(构)筑物开裂,所以盾构机应尽可能平稳、安全地进入暗挖空推段,降低地层二次扰动,保证地表安全。因此要提前做好空推准备工作。首先矿山法段开挖完成后,应及时进行盾构与矿山法分界面端头墙和盾构空推导台的施工,复测矿山法段断面情况,监测暗挖段拱顶沉降量,检查端头墙洞门尺寸,确保净空。待混凝土强度达到设计要求90%时,在隧道内依次从盾构与矿山法分界面往竖井方向填土,在靠近端头墙端15 m范围内采用全断面隧道填土且前5 m的渣土要夯实。15 m至竖井地段采用半断面隧道填土。当盾构机进入暗挖空推前50 m时测定管片姿态,人工测量检查盾构机姿态,校正VMT测量导向系统,测定盾构推进姿态偏差,开始纠偏。在此段进行二次注浆,保证二次注浆效果,稳定管片姿态,确保VMT导向系统能精确、高效工作,保证盾构机能准确安全进入暗挖空推段隧道。

3.4 盾构与暗挖空推段接口处理

矿山法隧道开挖完成后,在端头墙位置水平放置玻璃纤维筋格栅,玻璃纤维筋格栅随隧道端头最后两榀密排格栅钢架同步架设,且玻璃纤维筋格栅与钢筋格栅搭接部分至少采用12号铅丝绑扎牢固,并采取适当辅助连接措施,确保玻璃纤维筋格栅伸入钢筋格栅长度不小于300 mm,绑扎牢固的同时喷混凝土密实。掌子面开挖后立即初喷40 mm厚C20混凝土,防止局部坍塌,且要求喷射混凝土与隧道最后三榀密排格栅的喷射混凝土同步施工,水平格栅及纤维筋网绑扎好后及时喷射混凝土。

在端头设置三榀密排格栅,如图1所示。

图1 端头墙加固平面(单位：mm)

另外在端头墙处应做好洞门预埋件,洞门预埋件必须符合设计要求,且要适当加强,严格控制预埋件尺寸,尤其要控制洞门钢环的曲率,确保盾构机顺利进入暗挖空推段。

3.5 钢筋混凝土导台施工

由于该区间盾构刀盘直径6 280 mm,盾体直径6 250 mm,而矿山法初期支护内径分别为6 400 mm(C-2、C-3型衬砌断面)和6 700 mm(C-4型衬砌断面)。为了保证盾构安全、快速、高效、优质通过矿山法段,在矿山法开挖段应设置钢筋混凝土导台为盾构机提供精确导向,确保盾构机保持良好的推进姿态,确保管片拼装质量、管片姿态良好,达到预期的防水效果。

矿山法开挖完成初期支护后,在隧道底部60°范围内施工钢筋混凝土导台。钢筋混凝土导台的中心线与隧道中心线重合,且对称于隧道中心线。钢筋混凝土导台示意如图2所示。

图2 钢筋混凝土导台示意

3.6 盾构空推施工过程

当导台混凝土强度达到设计强度,暗挖段渣土回填到位后,方可进行盾构推进施工。盾构到达端头墙,推断端头墙玻璃纤维筋,端头墙完全破除后盾构机停机。盾构机尽量不要推动端头墙处的砂袋,以保持砂袋的稳定性。盾构机推动回填的渣土,渣土在刀盘前逐渐形成密实的土柱,盾构机达到正常推进模式。管片与已开挖成形隧道间由回填土充填,同时开启同步注浆进行止水,土仓内全部填满土。当土压和推力提升至要求值后,开启螺旋输送机出土。如果上部渣土不能完全填满隧道,则只开下部同步注浆系统,上部用豆砾石回填及注水泥浆。暗挖空推段隧道支护结构示意如图3所示。

图3 暗挖空推段隧道支护结构示意(单位：mm)

3.6.1 堆土施工

渣土回填密封刀盘前方断面,渣土充填盾体与暗挖初期支护间的间隙,同步注浆正常开启,管片止水条密封良好,此条件下的两种工况示意如下。

(1)工况一

盾构机到达渣土回填断面,未向前推进。如图4所示。

图4 工况一示意(单位：m)

(2)工况二

盾构机向前推进,管片拼装和同步注浆与正常掘进一样,同样采用错缝拼装。如图5所示。

图5 工况二示意

3.6.2 管片背衬回填

当堆土对刀盘密封效果良好,管片背后回填主要由同步注浆来完成。通过同步注浆浆液在管片脱离盾尾时对管片进行支撑,以防管片下沉而产生错台。利用盾构机自身的同步注浆系统压注水泥砂浆,使管片与初支及地层间紧密接触,以提高支护效果。根据同步注浆后的检查结果,从管片注浆孔进行二次注浆固结管片。同步注浆时,要严格控制注浆压力，既保证达到对环形空隙的有效填充,又确保管片结构不因注浆产生位移、变形和损坏,同时又要防止砂浆前窜至盾构刀盘前方。当刀盘前方堆土不能密封刀盘面时，采取喷射豆砾石和注纯水泥浆来完成管片背后回填,回填材料为豆砾石(粒径为5～10 mm)。用高压风将豆砾石从吊装孔喷入,填充管片与初支面间的空间,然后进行灌浆,凝结豆砾石,使管片得到稳定,同时承受围岩压力和水压力。

4 施工关键部位质量保证

4.1 钢筋混凝土导台施工质量

采用矿山法开挖+锚喷初支+管片衬砌的复合施工方法通过硬岩段,必须在盾构机到达前,完成矿山法隧道开挖并做好空推段导台、端头墙等准备工作。导台的高程、弧度、中心线等是盾构能否安全推进的关键因素。导台施工质量不好,盾构机的姿态难以控制,盾尾间隙变化大,将直接影响管片的拼装,盾尾间隙过小,管片和盾尾刷会拉坏。导台的质量不高,还可能导致卡刀盘。在盾构空推前,应重点检查导台的高程、弧度、中心线等,如果不符合设计要求,要立即进行处理,否则会影响盾构机的步进。

4.2 堆土效应

回填的渣土松散,自稳能力差,渣土能否充满整个隧道面将直接影响盾构空推过暗挖段的施工进度和隧道成形质量,如果渣土密封效果良好将减少吹填豆砾石量,管片背后充填可以直接通过同步注浆来完成。回填的渣土类型选择合适,可以减少盾构机出土量。减少出土量有两方面好处,一方面,在盾构机刀盘前方需要回填的渣土将减少；另一方面,可以减少盾构推进出土工序,将节约大量时间。渣土的干湿、粒径、孔隙率、黏聚力和颗粒成分等,将影响土的堆积效应。选择回填的渣土,一方面要能在刀盘前密封；另一方面要减少渣土对刀盘的粘结,防止在土仓中结泥饼、卡刀盘、土仓压力过高、增加出土量等。

4.3 矿山法断面尺寸控制

隧道的开挖断面要满足盾构机安全平稳通过。考虑围岩的类型和施工误差,并设置盾构机导台。在施工暗挖段,除了注意施工安全外,还要特别控制好隧道的中心线，隧道的超挖、欠挖。在矿山法施工段,每次爆破清渣完成,钢筋格栅架立前,进行断面检查,对超挖和欠挖(尤其是欠挖)进行处理,应保证初期支护后的隧道净空。初期支护施工必须要达到预期目的,由于初支后暂不进行二次衬砌施工,所以要加强监控量测,及时采取措施防止隧道变形,保证盾构通过限界。

5 结论

城市地铁隧道施工过程中若遇到硬岩、孤石群或长距离上软下硬地段时,盾构机开挖贯通时间将大大延长,刀具磨损更加严重尤其是软硬不均地层刀具极易出现非正常磨损,使推进更加困难。采用这种矿山法开挖+锚喷初支+管片衬砌的复合施工方法,一方面缩短了工期,使盾构机能快速通过不良地质部分,降低工程成本；另一方面对不良地质开挖工作量的减少直接降低了刀具磨损程度,避免不良地质区掘进过程中频繁开仓换刀,有效降低了施工风险,确保工程安全顺利进行。

[1]徐干成，等.地下工程支护结构[M].北京：中国水利水电出版社,2002.

[2]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社,1991.

[3]铁建设[2007]106号，铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南[S].