盾构空推过矿山法隧道新工艺

李剑明

(中铁六局集团盾构分公司，北京 100036)

1 概述

盾构掘进机依靠旋转刀盘上预装的刀具对土体进行碾压、切削,在掘进过程中不可避免的存在磨损。当遭遇极硬岩、孤石群或上软下硬等风险段时,将加速刀具磨耗,甚至出现偏磨、崩裂等非正常磨损,更有甚者可能出现掘进姿态难以控制、地面坍塌等问题。广深地区作为复合地层的典型代表已经出现了十数起类似案例。设计上越来越多的采用矿山法先行开挖隧道通过风险段,然后再盾构机空推过境的方案。传统的空推工艺是在盾构空推的同时从刀盘前方喷射豆粒石充填管片与矿山法隧道初支间隙并从管片内部进行注浆稳固。深圳地铁2号线某盾构标段,施工过程中遇到了类似问题,但在盾构空推过矿山法隧道施工过程中采用了在刀盘前方堆填豆粒石,空推过程中通过盾构机上的注浆系统进行注浆的新工艺,取得了较传统工艺更好的效果。结合该工程实施情况阐述这一新工艺,为地铁类似工况施工提供一定技术支持。

2 工程概况

深圳地铁2号线某盾构区间地质补勘钻孔揭示隧道距离吊出井约200 m处开挖限界内存在大量孤石,且局部基岩隆起,长度近20 m。为降低施工风险,加快施工进度,将YDK14+015～YDK14+237.85段约244 m改为矿山法开挖+锚喷初支+管片衬砌的复合施工方法。即对补勘揭示的风险区至盾构吊出井段在盾构到达前采用矿山法开挖并施作隧道初期支护,盾构机掘进通过矿山法隧道与盾构隧道分界里程进入矿山法隧道,然后再利用盾构拼装管片空推通过矿山法隧道。空推的同时由盾构机拼装管片,管片与初支之间的空隙采用粒径小于13 mm的碎石(细石)填充,并通过水泥浆液固结形成填充层,最终由填充体和管片共同构成矿山法隧道的二衬。

3 传统空推施工工艺

3.1 接口段加固

传统的盾构空推过矿山法隧道施工,在矿山法隧道初支完成后,首先需要在靠近盾构隧道与矿山法隧道接口处施工端头墙及类似盾构接收端的环板、帘布等密封系统,并根据地质情况对端头墙前后接口段进行不少于11 m的地层加固，剖面示意如图1所示,确保盾构机顺利由盾构隧道进入矿山法隧道。

图1 端头墙加固示意(单位：mm)

3.2 导台施工

盾构机通过调节推进油缸分区推力进行姿态调整。在完成的初支的矿山法隧道内推进极易撞上初支结构,轻则卡住盾构机,重则可能导致隧道初支失效造成重大安全事故。为保证盾构按设计线路推进，传统的工艺必须施工弧形的盾构机推进导向平台,厚度一般为150 mm,圆心与隧道同心。盾构空推导台如图2所示。

图2 钢筋混凝土导台示意(单位：mm)

3.3 盾构空推

盾构空推过矿山法隧道,其传统工法施工工艺如下所述。

(1)盾构机由盾构隧道穿过端头墙上导台,进入矿山法隧道。

(2)盾构机在导台上缓慢推进,同时通过刀盘周边向管片背后喷射豆粒石。

(3)推进完一个行程后在刀盘前方焊接挡块提供反力,拼装管片。

(4)通过特殊的支顶对脱出盾尾的管片进行支撑和调整,每5环焊接纵向型钢连接件,保证成型隧道管片质量。

3.3.1 管片支顶

由于管片与初支面间空隙较大,为防止管片脱出盾尾后下沉及整环不成圆现象,在管片生产时吊装孔预埋件加长至管片底部,管片脱出盾尾后立即用专门加工的支顶(图3)穿过吊装孔支撑在初支结构上,对管片实行支撑,并可通过支顶上螺纹调节管片中心轴线，支顶安装示意如图4所示,确保与隧道设计轴线一致。每5环为1组,采用垫板连接件从环向螺栓引出,焊接在型钢上,每个断面设置4根固定型钢,管片脱出盾尾后,立即拧紧环向、环间螺栓,并及时通过管片环间型钢连接措施连接,保证管片拼装质量。待管片背后回填、注浆完成后,拆除连接型钢。

图3 复合牙注浆孔支顶(钢质)结构(单位：mm)

图4 支顶安装示意(单位：mm)

3.3.2 喷射豆粒石

盾构机连续进行空推循环作业,在管片拼装的同时不间断从刀盘前方向管片背后喷射豆粒石；再一次紧固螺栓,由管片吊装孔(衬砌环1点或11点)注入双浆液,固结豆粒石稳定管片。

4 盾构空推新工艺

4.1 接口段处理

本工程实施过程中摒弃了传统的端头墙、密封系统等工序。矿山法隧道接口段开挖分上下台阶进行,上台阶开挖至分界里程后,喷射混凝土封闭掌子面,厚度约1 m,再开挖下台阶至分界里程,采用喷射混凝土封闭掌子面。每5 m一个断面检查矿山法隧道净空尺寸和混凝土导轨施工质量满足要求后,由掌子面开始堆填豆粒石(粒径≯13 mm),堆填体长度约15 m,其中靠近分界里程的前8 m填塞至拱顶,其余部分形成坡度。接口段处理如图5所示。采用此方法可以大大降低对地层的加固要求,本工程(地层为花岗岩残积土)施工过程中接口段地层除矿山法隧道开挖前进行超前小导管注浆外,没有进行专门加固,盾构机仍然安全顺利通过接口段驶入空推导轨。

图5 接口段处理示意(单位：m)

4.2 导轨施工

传统的盾构空推导台一般为弧形,理论弧面与盾构护盾拟合。但是实际操作中15 cm厚的薄壳弧形结构高程和精度都难以保证,为此在施工过程中,将传统的弧形导台改为2条混凝土导轨。施工难度大大降低,进度快,精度易于保证。混凝土导轨如图6所示。

图6 盾构空推导轨

4.3 盾构空推

4.3.1 推力计算

空推推力必须满足2个要求。

一是大于止水条的最小挤压力3 000 kN,以保证隧道防水效果；二是推力不能过大,避免刮坏导轨,撞上初支面出现安全问题。

由于隧道是采用矿山法先行开挖支护后,在刀盘前方回填豆粒石以提供反力,计算时大致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。刀盘前方填豆粒石计算长度大致折算为全断面堆填10延长米,则盾构机的反作用力计算如下。

(1)推进时混凝土导轨对盾构机的摩擦阻力

F1=μ摩×Wg=0.3×3 430=1 029 kN

式中，Wg为盾构及附属物总重，3 430 kN,μ摩为摩擦系数取0.3。

(2)回填土受到的摩擦阻力

1.86×9.8=1 391.77 kN

式中，L为回填豆粒石的长度，取10 m；K为豆粒石的松散系数，取0.83；γ土为豆粒石的容重，取18.6 kN/m3；D为盾构机直径，6.25 m。

(3)盾构支撑土体所受的轴向阻力

0.39=681.21 kN

式中，S为盾构机截面积；P为盾构中心土压力；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×2×W管=0.5×2×200=200 kN

其中，摩擦系数μ摩取0.5,每环管片重力W管取200 kN。

(5)后配套台车的牵引阻力

F5=μ摩×W拖=0.5×1 700=850 kN

其中，摩擦系数μ摩取0.5,后配套拖车重力W拖取1 700 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=

1 029+1 391.77+681.21+200+850=

4 151.98 kN

F>止水条挤压力3 000 kN。故前方堆土满足止水效果要求。

4.3.2 空推工艺

盾构机空推工艺流程如图7所示。

图7 盾构机空推工艺流程

新工艺采用在刀盘前方堆填豆粒石(图8),除接口段8 m填塞至隧道拱顶,需要人工配合外,其余后续部分均采用机械作业。豆粒石由吊出井地面直接倾倒至井下,井下洞口配装载机1台负责将豆粒石铲运至盾构机刀盘前方,此处配PC60挖掘机1台负责堆填,堆填高度尽可能高,本工程施工操作中基本能保证堆填高度在4.5 m以上。盾构空推过程中缓转刀盘不转螺旋机(姿态出现明显变化或扭矩、推力明显偏大时可少量出渣),盾构机内其余工作按掘进工序循环作业。盾构机内同步注浆按正常掘进循环进行,实际注浆量以保证刀盘前方无串浆为宜。刀盘前方堆填豆粒石,保证刀盘前方豆粒石堆填高度高于4.5 m的堆填体的长度不少于5 m。盾构机内推进、管片拼装、注浆各工序操作不间断,机器内外推进和堆填豆粒石等辅助工作同步进行。

图8 盾构空推示意

5 新工艺的优势

(1)成型隧道管片拼装质量高

传统空推工艺需要人工从刀盘前方喷射豆粒石,无法保证及时足量充填管片与初支面间的空隙；管片拼装油缸推力不足,止水条挤压不密实,存在成型隧道管片质量难以保证,普遍存在错台、漏水。相对于传统空推工艺,新工艺实际操作中推力不低于4 000 kN；推进的同时进行同步注浆、二次注浆衔接紧密；除管片顶部约90°范围无法充填满豆粒石外其余部分基本充满,成型隧道管片质量提高明显,本工程成品除部分姿态变化较大段外基本看不出与正常掘进段的区别。

(2)工作环境好,劳动强度低

传统工艺除正常推进外,为管片拼装提供反力需要在刀盘前方频繁焊割挡块,不间断从刀盘前方向管片背后喷射豆粒石,为保证管片成型质量还需要安装管片稳固连接件。新工艺除正常推进外,只需要在刀盘前方堆填豆粒石且完全由机械施工。

(3)施工进度快,成本低

新工艺接口段不需要加固或是简单加固,可以大大节省地层加固成本(深圳类似地层进出洞加固费用至少在100万元以上)。接口段往往只能从洞内进行加固,新工艺在矿山法隧道开挖完成后直接进行空推准备,可以节省时间至少在1个月以上。新工艺工序循环连续紧密,盾构机内外两个工作面同步作业,不存在交叉施工,安全、进度均有保障。本工程正常情况下日进度在10环以上,传统工艺喷射豆粒石速度慢效率低,每环都需要焊割挡块,焊接管片连接件,每日进度不超过5环。

6 结语

通过采用此盾构空推新工艺,本工程盾构机顺利完成了200余m的基岩及孤石区掘进,工程施工质量、成本、工期、安全文明施工等都大大优于传统工艺。在盾构施工过程中进行技术方案创新,工艺改良,并进行了有益的实践,可以为处理类似问题提供借鉴。

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