土压平衡盾构机通过地铁隧道矿山法段的回填掘进施工技术

霍元盛

(中铁十二局集团第四工程有限公司,西安 710021)

1 工程概况

深圳地铁2号线东延线黄贝岭站～新秀站区间盾构隧道起点为中间盾构工作井,沿新秀路前行,下穿沙湾桥,终点为新秀站西端井,左线全长681.351 m,右线全长675.921 m。沙湾河桥3号桥台为φ1.2 m挖孔桩基础,有10根桩位于线路断面范围内,盾构机无法穿越,由于周围建筑物和地形的限制,左线ZDK35+476.0～ZDK35+518.0(42 m)和右线YDK35+472.0～YDK35+518.0(46 m)段,设计采用竖井加横通道至正线,矿山法开挖至桥头于洞内被动托换沙湾河桥桩基础,盾构空推、拼管片通过矿山法地段。盾构过沙湾河桥桩基托换段施工平面见图1。

2 施工方案比选

目前,我国盾构空推施工技术,由于地质条件和环境不同,各施工单位采用的方案也不尽相同,常用的施工方案有以下几种。

方案一：隧道底部采用C50混凝土施做导台,靠近掌子面前10 m全断面、后15 m半断面回填渣土。开始掘进不出渣,用回填土填充管片与暗挖隧道间的间隙并增大推力,掘进至最后再正常出渣,管片壁厚注浆采用同步注浆与二次注浆相结合。

图1 盾构过沙湾河桥桩基托换段施工平面

方案二：隧道底部采用C50混凝土施做导台,不进行任何回填,在暗挖隧道初期支护及导台上预埋顶推反力装置,当盾构空推一定距离后,刀盘顶至预埋装置上,压紧后续管片,然后割除顶推反力装置,继续向前掘进。该方案管片与暗挖隧道间隙较大,为使管片壁厚密实,通过二次注浆孔向管片壁厚回填豆砾石并进行二次注浆。

方案三：全断面采用渣土、砂浆等回填密实,正常掘进通过。

考虑到本段工程,沙湾桥桩基托换段西侧在沙湾河下,隧道顶部至河底仅为10 m,上覆地层主要为粗砂层、拱顶1～2 m为全风化凝灰质砂岩,矿山法开挖掌子面位于沙湾河的正下方,地下水丰富,岩层自稳性较差,空推段达46 m。方案一和方案二均不适宜,方案三也有掘进方向不易控制的缺陷,为此在上述3个方案的基础上进行优化,结合实际情况制定了如下施工方案。

(1)左线ZDK35+476.0～ZDK35+488.0(12 m)、右线YDK35+472.0～YDK35+484.0(12 m)段在开挖过程中,由于掌子面锚杆影响盾构掘进无法施工的情况下,分台阶分段回填与托换梁浇筑(托换梁设计为C30混凝土)一起施工,全断面采用C30混凝土回填。

(2)不施做导台,隧道底部700 mm(线路中线处厚度)浇筑C15素混凝土,盾构掘进时切削混凝土高度为460 mm。

(3)由于工期紧张,左线ZDK35+488.0～ZDK35+518.0(30 m)上部6 060 mm采用M2.5砂浆回填；右线YDK35+484.0～YDK35+518.0(34 m)中部4 000 mm采用渣土回填,顶部2 060 mm采用M2.5砂浆回填。

(4)横通道及竖井底部(横通道顶部以上1 m)采用M2.5砂浆回填,竖井剩余部分采用渣土回填。

(5)渣土回填料要均匀、均质,保证掘进中螺旋机能够正常出渣。

桩基托换段回填平面及横断面示意分别见图2、图3。

图2 桩基托换段回填平面示意(单位：mm)

图3 桩基托换段回填横断面示意(单位：m)

3 掘进施工

3.1 掘进模式

盾构掘进C30混凝土回填段采用敞开模式掘进,掘进其余部分采用半敞开模式,以增大盾构机推力,压紧后续管片,确保管片质量。

3.2 掘进参数

施工采用的是土压平衡式盾构机,掘进中随着回填材料的不同而改变掘进参数,当盾构机刀盘到达C30混凝土回填段前1 m及剩余最后1 m时,要减小推力及速度(≤20 mm/min),注意观察盾构机姿态、出渣情况及扭矩大小,调整掘进参数及速度。其余托换段掘进速度也不宜过快(20～40 mm/min),因为底部回填C25混凝土,上部为渣土及砂浆,相当于上软下硬地层,掘进速度过快将对刀具不利。盾构机在不同回填段实际掘进参数见表1。

表1 盾构机掘进参数

3.3 盾构姿态控制

掘进中严格按照设计线路进行,尽量避免盾构机发生偏离,将水平偏差X、竖直偏差Y控制在±50 mm以内。盾构机刀盘与暗挖隧道理论间隙为240 mm(刀盘半径3 140 mm,隧道内径3 380 mm),若盾构机姿态偏离过大,可能会使盾构机刀盘顶到已开挖完成的暗挖隧道,导致无法掘进。即使姿态发生偏离,纠偏时也不要过急,应按技术要求执行。

掘进过程中,尽可能将盾构机竖直姿态控制在-20 mm左右,给管片预留一定的上浮量。

3.4 同步注浆及二次注浆

桩基托换段已成形暗挖隧道具有很好的自稳能力,掘进中主要控制注浆量,使管片与暗挖隧道之间的间隙填充饱满,稳定管片,防止管片脱出盾尾后发生错台现象,并增强隧道的防水能力。

(1)同步注浆

通过矿山法段,应缩短浆液的初凝时间,及时稳定管片,根据施工经验,同步注浆拟采用表2所示的配合比,并在施工中通过现场试验优化确定最合理的配合比。

表2 同步注浆配比 kg

浆液初凝时间控制在6～9 h,7 d强度大于2.0 MPa。

同步注浆通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管,在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行,采用顶部2条管路(1号、4号管)对称注浆,减小管片上浮量。每环管片注浆量为5.5～6 m3,主要控制管片壁厚填充饱和度,并根据管片检测情况调整注浆量。

(2)二次注浆

当管片出现渗漏水、严重上浮或同步注浆不饱满时,及时采取二次注浆,对同步注浆起充填和补充作用。二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆,浆液的凝胶时间调整至30 s左右,双液浆的初步配比见表3。

表3 双液浆浆液配比

二次注浆采用自备的2ZBQ-75/2气动双液注浆泵,注浆部位主要为11点、1点位,注浆过程中根据现场材料试验凝胶时间,调整配比,注浆压力控制在0.2～0.5 MPa。

3.5 管片拼装

(1)管片下井前必须认真检查是否有缺棱掉角、三元乙丙橡胶止水条是否完整无缺陷、粘贴牢固及丁腈橡胶传力衬垫粘贴位置是否正确等。

(2)管片选型以满足隧道线形为前提,重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一循环掘进限值,确保有合适的盾尾间隙,以防盾尾接触并挤压管片,造成管片破损。

(3)拼装前将管片冲洗干净,尤其是止水条、手孔及螺栓孔。

(4)管片安装必须从隧道底部开始,然后依次安装相邻块,最后安装封顶块。封顶块安装前,应对止水条进行润滑处理,安装时先径向插入2/3,调整位置后缓慢纵向顶推插入。

(5)管片拼装严格按照有关设计和规范执行,保证拼装过程无管片破损、错台过大(环缝大于6 mm,纵缝大于5 mm)等情况发生。

(6)管片安装完后应及时进行连接螺栓紧固,并在管片环脱离盾尾后对管片连接螺栓进行二次紧固。

3.6 施工监测

盾构通过矿山法段每掘进5环对成环管片及盾构机姿态检测1次,每天对沙湾河桥桥面及桥台监测2次,并根据管片检测及沙湾河桥监测数据及时调整掘进参数、盾构机姿态,确保施工质量。

掘进中对沙湾河桥影响很小,沙湾桥共3跨,监测点分别设置在0号台后(L1),0号台顶(L2),1号墩顶(L3),2号墩顶(L4),3号台顶(L5),3号台后(L6)共6个点,其中各台墩顶沉降监测成果见表4。

表4 沙湾桥沉降监测成果 mm

3.7 施工注意事项

(1)盾构通过C30混凝土回填段时,提前做好刀具检查与更换工作,使得刀具能够完全破岩,避免造成不必要的停机。

(2)盾构通过各交界面(软岩地层～C30混凝土段～土石、砂浆回填段～硬岩地层)时,注意掘进参数变化,及时进行调整。

(3)出现管片渗漏水或严重上浮现象,立即采取二次注浆措施进行堵漏、稳定管片。

4 结论

经过现场施工人员7天7夜的不懈努力,盾构机于2010年3月4日顺利完成矿山法段(355环～385环)的掘进。通过该矿山法段的掘进施工,对采用回填后掘进施工的一些利弊和体会进行了思考、总结,希望对类似工程提供参考。

(1)管片姿态及上浮得到了有效控制,根据管片检测结果,管片最大水平偏移量为+34 mm(第378环),最大垂直偏移量为+26 mm(第371环),最大上浮量为36 mm(第381环)。

(2)管片错台均很小,有4环管片(第355～361环间,且均为9点位)封顶块错台较大,最大纵向错台为7 mm,最大环向错台为13 mm,仍然在规范要求的纵向10 mm、环向15 mm范围内。

(3)基本杜绝了管片渗漏水(仅第377环出现渗水),并在打穿管片二次注浆孔后只出现少许渗水,说明管片壁厚与暗挖隧道间隙填充密实。

(4)河道下方即靠近掌子面12 m采用全断面混凝土回填,当刀盘掘进至土石回填段时,盾尾(盾体+刀盘长度为8.5 m)已进入全断面混凝土回填段并完成了同步注浆,有效防止了河水通过盾体与开挖面间隙渗入托换段。

(5)采取砂浆回填易将洞内填饱满,空隙小,仅有少量隧道渗漏水充满隧道内空隙,掘进中未出现喷涌现象。

(6)隧道底部回填700 mm、厚C15素混凝土能够有效控制盾构机栽头,保持盾构机姿态,免去施工C50钢筋混凝土导台的复杂工序及费用,但对边缘滚刀磨损较大。

(7)矿山法段掘进完成后立即组织开仓检查,发现回填砂浆易造成中心滚刀结泥饼,致使5号、6号、7号中心滚刀偏磨损严重,其余滚刀均为正常磨损。应及时清理泥饼,若继续掘进,则将对刀具造成更大损坏。

(8)该段回填砂浆约1 750 m3(除去原设计横通道及竖井回填量),材料费用高,回填渣土可节约成本,但若空推断距离过长采用全断面回填法则不经济。

(9)回填的C30混凝土强度太高,对掘进造成一定的困难,若掌子面能够确保稳定,保证安全的情况下,可采用低强度等级混凝土回填。

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