盾构穿越矿山法隧道施工工法

王建山

盾构法隧道施工具有自动化程度高、施工速度快、施工质量高、对地面和管线影响小,以及施工作业环境好等优点,已广泛应用于城市轨道交通的施工。某一特定的盾构机是针对特定的地质状况设计的,一旦出现超出盾构机设计施工能力的地质状况,必须采用特殊的施工方法完成隧道施工,并安全撤离盾构机。深圳地铁一期工程2A标段(购物公园站—香蜜湖站区间隧道)的施工过程中,右线盾构隧道遭遇到高强度花岗岩岩脉,首次采用盾构穿越矿山法隧道的施工方法完成隧道的施工,安全撤离盾构机。

1 工程概况

深圳地铁一期工程2A标段购物公园—香蜜湖区间隧道工程采用盾构法施工,分左线和右线两条隧道,购物公园站盾构工作井里程桩号为CK8+642.75,香蜜湖站端头井里程桩号为CK10+240.2(左线短链2.945 m),其中左线区间隧道长为1 594.505 m,右线区间隧道长为1 597.45 m。两台盾构机在购物公园站相继离站后(间隔1个月左右),分别沿平行方向掘进,两条隧道水平净距约为10 m,在整个区间隧道施工中,盾构须穿越新洲河、高尔夫球场和别墅群等建筑物和众多的地下管线,进入香蜜湖站盾构接收井,完成本区间隧道施工。

2 盾构穿越矿山法隧道施工

2.1 遭遇高强度硬岩

盾构掘进过程中,刀盘和孤石碰撞,造成刀盘和刀具发生变形,而且多次停机开仓处理孤石,严重影响了施工进度,为了进一步查明前方地质状况的真实情况,停止掘进,进行详细探测,左线和右线盾构机分别停止于里程CK9+995.145,CK9+914.792处。

根据最新的地质勘察发现,左线隧道范围内有部分漂石存在,但数量不多,可以采用土仓排石的施工方法继续掘进;右线隧道范围内存在强度高达100 MPa的花岗岩岩脉,分布里程CK9+914.792～CK10+062.792,大部分隧道全断面遭遇岩脉,一部分为上层全风化岩层,下层半风化高强度岩层,岩石强度已经超出了盾构机的设计切割能力,必须提出确实可行的办法处理盾构前方的岩石,保证盾构机顺利通过。

2.2 施工方案

右线盾构前方红线部分是详细勘测之后在盾构施工范围内存在花岗岩岩脉的位置,右线里程:CK9+914.792～CK10+062.792,全长约148 m。为了保证施工工期,在深南大道中央绿化隔离带和辅道上各施工一个竖井,这样可以保证4个作业面施工,以最快的速度施工完成矿山法隧道的初期支护,右线盾构穿越已成形的矿山法隧道,顺利地通过岩脉地带之后恢复正常掘进,确保购物公园—香蜜湖区间的施工总工期的顺利实现。

2.3 矿山法隧道施工

1)矿山法隧道尺寸。本隧道采用复合式土压平衡盾构机,管片外径6 000 mm,内径5 400 mm,壁厚300 mm,环宽1 200 mm,盾构机外径6 360 mm,刀盘凸出外径20 mm,盾构机最大的外径尺寸是6 400 mm。矿山法隧道转弯半径为400 m,盾构机节段长8.52 m,为了让盾构机能够顺利地通过转弯段,隧道直径必须不小于6 400+46=6 446 mm。由于矿山法隧道施工精度比较差,不可能是一个纯圆的隧道,而且钢格栅喷混凝土支护凹凸不平,预留150 mm的空间,下面设导台控制盾构机的轴线,厚度150 mm,隧道直径应不小于6 446+300=6 746 mm。根据有关矿山法隧道的拱顶沉降一般为10 mm～20 mm,隧道直径应不小于6 746+20=6 766 mm。为了预留更多的空间,便于施工控制,取整数隧道直径为6 800 mm。2)混凝土导台施工。导台横断面图如图1所示,盾构机主体总重量300 t,长8.52 m,C30混凝土导台强度验算,导台设计厚150 mm,强度C30,通过受力分析图,可知导台主要受压作用,混凝土导台抗压强度C30满足施工要求。采用C30混凝土现浇,以 R=3.05 m下拱60°铺设作为盾构支撑。内弧面放置Φ6钢筋200×200网片,径向放置Φ 10@1 000钢筋与初衬钢筋连接,混凝土导台浇捣采用钢制模板,5 m一段,分段完成。在盾构切口处的导台最低点,放置840 mm×700 mm钢板,加强导台边缘的强度。由于导台是控制盾构推进的导向,是控制盾构隧道轴线基础,必须严格根据隧道轴线的空间位置、平面半径400 m弯曲度等进行放样。

2.4 盾构穿越矿山法隧道

1)盾构轴线控制[1]。根据隧道轴线设计半径 R=400 m,计算盾构铰接千斤顶的行程差,推进千斤顶行程差,确保盾构机沿矿山隧道轴线行走,同时在盾构推进前复核矿山隧道与盾构机轴线误差,根据误差调整铰接千斤顶、推进千斤顶行程差,保证盾构与矿山隧道间的间隙。2)管片拼装。在平面半径R=400 m下,管片的拼装必须有一定的拼装模式,考虑管片外周与盾尾间隙,以及按轴线走向安排拼装模式。主要考虑间隙问题,如无间隙将导致盾构机在推进过程中轴线发生偏离,即盾构机与矿山法隧道的间隙逐渐缩小而与矿山隧道初衬发生相碰,影响施工安全,因此管片拼装着重于管片的选形及封顶块安装的位置。对于盾构轴线高程的控制及管片轴线控制,在CK9+914.792～CK9+985.500为 R=5 000 m竖曲线,CK9+985.500～CK10+034.792坡度为25‰。对于 R=5 000 m竖曲线,盾构机总长度为8 520 mm,对轴线影响相当小(通过计算,盾构上下铰接千斤顶行程差为4 mm)。对于坡度为25‰,由于有混凝土导台,所以在推进时,保持上下推进千斤顶油压相等则盾构机将沿导台的导向行走。在轴线高程中推进,控制关键也是盾构盾尾与管片外围间隙的控制,原理与平面盾构推进,管片拼装模式一样。3)盾构在矿山法隧道内的推进控制。盾构机在进入矿山隧道前,对接触混凝土导台刀盘刀具进行调整,避免刀具与导台接触。应对盾构各类型千斤顶进行调整,使盾构姿态符合平面半径 R=400 m曲线推进。考虑到土体对盾构壳摩擦阻力(或裹实),推力控制在 50 t～150 t范围内,当推进速度达到要求,则此推力就为此时的推力。在变坡段的推进,关键是控制推进千斤顶的行程差及铰接千斤顶行程差,确保矿山隧道与盾构壳间的间隙。在推进时,每一环必须进行测量工作,根据测量数据,调整千斤顶行程差(区域油压)。在这一阶段推进工作中,由于盾构推力将逐步增大,对矿山隧道内的管片将产生一定量的位移(R=400平面曲线),因此盾构推力不能过大,一般控制在600 t～800 t左右,推进速度在 10～20范围内,刀盘转速控制在1.0 rpm～1.8 rpm范围内,土压控制在0.1 MPa～0.15 MPa范围。在盾构进入土体前,必须对矿山隧道内的管片进行二次注浆施工,注浆材料为单液水泥浆(配比:水泥∶水=1∶0.6),注浆压力控制在0.1 MPa～0.3 MPa范围内,注浆顺序为:底部→推进方向左方→推进方向右方→顶部。4)建筑间隙压注回填[1]。管片与矿山隧道间隙的回填在每推进1环时进行。压注位置在盾构后第3环开始,首先用碎石进行初步回填(从管片注浆口压注),推进4环后用单液水泥浆再压注。压注碎石顺序从隧道底部开始,首先压注底部,然后压注左右两上角。其压注压力:初始压力在0.1 MPa,正常压力控制在0.2 M Pa,最高压力不超过0.3 MPa,在压注时应逐步循环压注,压力逐步提高,不允许一次压注完毕。压注单液水泥浆压注点在隧道左右两上角(±36°)。单液注浆压力,初始压力在 0.1 MPa～0.2 MPa,正常压力控制在0.2 MPa～0.3 MPa,最高压力不超过0.3 MPa。如在压注过程中,浆液泄漏严重,则采用双液注浆,浆液凝固时间20 s～30 s,混合率7.6%。5)管片防水改良。由于盾构在矿山隧道进行推进,其推力可能达不到管片止水带的压密要求,因此为保证管片嵌缝的防水效果,在管片离手孔30 mm处(外侧)沿管片单边增加一道遇水膨胀止水带。在每安装一片管片后,先用人工将管片连接螺杆进行初步紧固;待安装完一环后,再用高速气扳机对螺栓进行修紧。在安装管片时,推进千斤顶的压力应设定为拼装压力(拼装压力5 MPa)。6)盾构恢复正常掘进施工。盾构结束在矿山法隧道中的推进,抵达矿山法隧道尽端,将恢复正常掘进,不同的施工方案对矿山法隧道尽端的要求是不同的。盾构恢复推进方案一和盾构出站时的施工方案类似,施工三排混凝土搅拌桩,维持掌子面和盾构推进时的土体稳定;盾构恢复推进方案二,采用分台阶法维持掌子面的稳定,在地面钻一个直径200的孔作为运输石粉渣的通道,盾构抵达尽端之后用石粉渣填满上台阶空隙处,然后盾构恢复推进。

综合两个方案的优缺点,针对本工程的特点,为了确保清理完前方的硬岩,争取施工时间,采用方案二进行施工,在施工过程中严格控制盾构的推力、出土量和轴线。

3 结语

本文详细介绍了盾构穿越矿山法隧道施工工法的施工方法、关键技术,以及需要注意的控制点,取得了以下成功经验:

1)合理布置施工竖井,制定科学合理的工程筹划方案,缩短施工工期,采用科学合理的工期补救措施,确保合同施工总工期的要求,对于遭遇特殊情况的盾构隧道施工至关重要。2)矿山法隧道尺寸的选取必须遵循科学规律和施工队伍施工精度控制的实际情况,选择恰当的隧道尺寸是保证施工顺利进行的关键。3)盾构在矿山法隧道中推进,控制隧道轴线非常关键,要控制好轴线必须做到:a.施工导台;b.导台空间位置的精度直接关系到盾构在推进过程中的轴线控制;c.盾构推进过程中的交接部位行程差控制。4)由于盾构推进过程中前方没有推进阻力,管片之间不能够很好地压紧密贴,必须采取措施保证管片的防水质量。5)盾构通过矿山法隧道之后,恢复正常推进的施工方案和质量控制,也是该施工工法施工成功的一个重要控制点。

[1] 黄德中,翟宝海.施工程序文件[Z].深圳地铁2A标段程序文件,1999.