矿山法扩挖盾构隧道断面的关键技术

任 磊，陈瑞征

(1.郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102627)

随着我国城市轨道交通建设的快速发展，渡线、联络线等分岔区隧道在地铁工程中不断涌现。岔线多与车站和区间隧道正线合建，采用明挖法或矿山法施工[4-8]。李兆平等[9]研究了先采用矿山法开挖横向通道，然后由大断面到小断面纵向开挖构筑分岔区隧道的关键技术。严彬等[10]介绍了宁波轨道交通3号线鄞南区间隧道采用的盾构法构筑分岔联络通道施工技术。受工法、工期、征迁、经济性等因素制约，各分岔区隧道情况各异，施工技术还需要不断探索和丰富。

郑州市轨道交通1，2号线联络线位于富水粉砂层，地质条件差，周边存在多处老危建筑和大直径管线，工程风险大。为降低工程风险，加快工程进度，分岔区采用矿山法扩挖盾构隧道施工技术。

1 工程概况

1.1 分岔区地理位置

郑州市轨道交通1，2号线联络线与2号线紫(荆山站)—东(大街站)区间隧道左线同期合建(见图1)，分岔区隧道的建设受2号线紫东区间隧道左线的影响和制约。

图1 线路与周边建(构)筑物位置关系

分岔区周边环境复杂，黄委小学教学楼(5层)、西侧商铺(4层)、顺河路、黄委会住宅楼(6层)、新月大厦(5层)、既有给水管(φ1 000 mm)均为影响施工方案的控制性因素。此外，道岔岔心前14 m至岔心后16 m范围内隧道结构不能设置变形缝。

1.2 工程地质及水文地质

分岔区隧道埋深约22.6 m，所处地貌单元为黄河冲积平原。隧道穿越地层自上而下为第四系全新统冲洪积粉砂层④-2、粉土层④-5和粉砂层④-3。3种地层力学参数见表1。

表1 3种地层力学参数

分岔区地下水类型为潜水，主要赋存于粉砂层④-2、粉土层④-5和粉砂层④-3中。稳定地下水位位于自然地表以下13.5 m,线路轨顶面以上约15.2 m处。

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2 施工方案

黄委小学附近的分岔区隧道长57 m，存在场地开挖条件，采用明挖法施工。顺河路下方的分岔区隧道长30.2 m，受管线改迁及交通疏解限制，可采用矿山法或盾构法施工。东紫区间隧道正线长 1 393 m，采用盾构法施工。盾构从东大街站始发向紫荆山站掘进，途中盾构空推通过分岔区明挖段，后从分岔区明挖段左端头二次始发掘进至紫荆山站。受外界条件影响，分岔区明挖段开工时间延迟至2015年3月，此刻东大街站端头盾构井已施作完成，盾构已经具备始发掘进条件。因工期严峻,在盾构从分岔区明挖段左端头二次始发掘进期间，同时采用矿山法反向扩挖顺河路下方的盾构隧道，将有效节省时间，加快工程进度(如图2、图3所示)。因此，采用矿山法扩挖盾构隧道成为工程实施的关键。

图2 工程平面

图3 分岔区扩挖段大断面示意(单位：mm)

3 关键施工技术

1)特殊衬砌预拼装

分岔区扩挖段盾构隧道衬砌全环采用特殊钢管片通缝拼装，方便扩挖期间切割拆除，并在管片内部增设径向注浆孔。

2)纵向紧固

管片拆除易引起邻近管片的变形和位移。扩挖施工前采用槽钢通过吊装孔将管片连接，将与扩挖段相接的盾构隧道20环长度范围内管片进行纵向紧固，环向共布置6道槽钢。

3)洞内径向注浆

管片拆除易造成管片背后土体空洞坍塌，管片局部受力状态改变而开裂，对扩挖段地层进行注浆加固，以改善开挖条件。注浆通过管片预留注浆孔或开孔进行，以管片中心为圆心按11.25°环向布置32个注浆孔，纵向间距1.0 m；扩挖轮廓线外3 m范围内为注浆区域(如图4所示)。浆液采用水泥+水玻璃双液浆，扩散半径1.0 m。根据现场试验结果调整注浆压力，确保加固后土体28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。

图4 径向注浆示意(单位：mm)

4)超前支护

分岔区位于深埋富水粉砂层，开挖风险大。采用超前管棚+超前小导管支护措施，防止坍塌。

超前管棚单根长35 m，共打设1环，环向间距400 mm，外插角1.0°～1.5°。超前小导管单根长1.8 m，环向间距400 mm，纵向间距0.5 m，外插角不大于33.5°。超前管棚及小导管均在拱部150°范围内布设，并压注水泥+水玻璃双液浆。

5)降水

采用以洞外为主、以洞内为辅的管井降水，防止隧道开挖时涌水涌砂发生。洞外采用地表管井降水，井深45 m，在扩挖段隧道两侧3.5 m处地表沿纵向以 5～6 m间隔布置。洞内在既有盾构隧道钢管片底部打设管井降水，管井内径275 mm，深3.5 m，纵向间距5 m，将水位降至仰拱下1 m 以下。洞内降水配合地表降水有效解决富水砂层降水深度大、难度大的问题。扩挖段隧道初期支护施工时封堵洞内降水井。

6)扩挖段施工顺序及方法

结合钢管片衬砌位置及施工作业条件综合确定各洞室开挖顺序，采用交叉中隔壁法分左上、右上、左下、右下4步开挖洞室，设临时中隔壁和临时仰拱，如图5所示。

图5 扩挖段施工顺序

扩挖前采用I22b临时型钢支撑穿越TK块钢管片深入拱顶土体，在下部接焊I22b临时型钢并与TK块、TA2块钢管片焊接牢固，在盾构隧道下半断面堆填沙袋进一步稳固型钢支撑和压载盾构隧道，解决上半断面扩挖导致的既有盾构隧道结构上浮问题。扩挖时首先开挖TK块上部小空间土体，及时将临时型钢支撑与扩挖段初期支护连接牢固，然后进行各工序开挖。

7)隧道接口处理

采用矿山法扩挖盾构隧道至接口处，采用超前小导管对临土区掌子面前方3 m范围土体进行注浆加固。采用型钢喷混凝土施作堵头墙，型钢与混凝土管片间通过环状背覆钢板连接(如图6所示)。钢板覆盖于管片外表面，已在前期盾构隧道施作衬砌时预留。

图6 扩挖段与正线盾构段的衔接示意(单位:mm)

4 扩挖段数值模拟及实施效果

利用MIDAS GTS NX有限元分析软件模拟,采用矿山法反向扩挖,得到各分步开挖引起的地表沉降云图,见图7。临时中隔壁及临时仰拱在二次衬砌施工后再切割拆除。

图7 各分步开挖地表沉降云图

将各分步最大地表沉降的模拟值与后续施工的实测值对比于图8。

图8 最大地表沉降模拟计算值与实测值对比

由图8可知:①在扩挖上半断面与下半断面时最大地表沉降发展速率差异明显，扩挖下半断面引起的沉降发展速率大，这与扩挖上半断面前新建与既有隧道衬砌间采取了临时型钢连接以及在下半断面堆填沙袋压载措施有关。②上半断面开挖即分步1，2中，最大地表实测值明显大于模拟计算值，这可能与管片顶部扩挖造成土体二次扰动或施工时临时型钢连接措施不到位、上半断面初期支护未及时封闭有关。③断面开挖结束后，最大地表沉降实测值25.1 mm，模拟计算值21.9 mm，相差不大，且两者在断面开挖结束后均趋于稳定。

5 结语

1)采用矿山法扩挖盾构隧道解决了分岔区隧道施工难题。工程最大地表沉降25.1 mm，缩短工期3.5～5.0个月。

2)在周边环境复杂地段，富水粉砂层中强降水采用超前管棚+小导管支护措施，不仅为矿山法扩挖施工提供了有利条件，而且既安全又经济。

3)采用矿山法返向扩挖盾构隧道，并采取临时型钢支撑及堆填沙袋压载措施，可将新建与既有结构稳固连接，有利于控制隧道扩挖施工对周边土体的影响。