盾構法隧道硬巖段礦山法開挖管片襯砌綜合項目施工新工法

盾構法隧道硬巖段礦山法開挖管片襯砌施工工法中鐵隧道集團中鐵隧道股份有限公司：楊書江一、前言隨著都市軌道交通事業(yè)迅速發(fā)展，盾構法施工技術在上海、廣州、深圳、北京、南京等都市地鐵建設中得到廣泛應用。當前國內(nèi)使用復合式土壓平衡盾構對于軟土及巖石單軸抗壓強度不大于80Mpa硬巖地層施工是完全適應，但是對于長度超過100米、巖石單軸抗壓強度超過100Mpa地層，在國內(nèi)用盾構法施工還沒有先例，在國外也沒有這方面成功經(jīng)驗報到。廣州市軌道交通三號線【大石南～漢溪站～市橋北區(qū)間】盾構工程，其中左右線隧道共有427.5m巖石單軸抗壓強度達118Mpa硬巖地層，存在較大施工難度。為減少施工風險，拓展土壓平衡盾構在較長距離與硬巖地層中施工配套技術，開展了專項科研課題研究，采用了鉆爆法開挖與初期支護、盾構空載推動拼裝管片通過、管片背后吹米石與注漿結合新工藝，并獲得了圓滿成功。在此基本上，總結形成本工法。二、工法特點1、將鉆爆法施工與盾構法施工相結合，局部硬巖地段用鉆爆法開挖支護、盾構法襯砌，極大地拓展了盾構法施工合用范疇。2、避免了盾構法在巖層太硬、距離偏長地層中施工對設備損壞和對盾構法應用限制。3、施工速度快、工期效應明顯。盾構拼裝管片通過硬巖段可以達到平均每天11米施工進度，其綜合進度比盾構法在普通軟巖地段進度還快。4、避免了盾構在巖層段掘進時刀具磨損及意外破壞。相比之下有較大成本節(jié)約，效益好。5、工藝可操作性強，在只要采用相應辦法和辦法滿足都市環(huán)境條件即可推廣使用。三、合用范疇本工法合用于采用盾構或雙護盾TBM施工都市地鐵、鐵路、公路、水工隧道等地下工程中有較長距離硬巖地層地段。四、施工工藝(一)工藝原理在盾構到達硬巖地層前，運用鉆爆法開挖硬巖地層并進行必要初期支護，隧道底部施作弧形鋼筋混凝土導向平臺。盾構在導向平臺上空載推動、拼裝管片通過，管片背后與鉆爆法初期支護間空隙運用吹米石與注漿結合方式充填密實。達到全隧道凈空、構造和防水設計一致。(二)施工流程施工工藝流程圖見圖1。(三)施工辦法硬巖段鉆爆法施工視狀況有先于盾構法施工和后于盾構法施工兩種狀況，后者對工期和已施工相鄰段隧道構造安全影響很大，需采用相應有效辦法。本文所述內(nèi)容為前者。硬巖段鉆爆法開挖、盾構法襯砌涉及不同辦法和較長施工區(qū)段，其縱斷面示意參見圖2。1、硬巖段鉆爆法施工硬巖段隧道斷面普通設計為圓形（隧道構造示意見圖3），采用新奧法原理設計、施工。依照盾構通過需要，將硬巖段鉆爆法施工段分為盾構通過段和盾構接受段。硬巖段鉆爆法施工硬巖段鉆爆法施工碴土清理及刀盤防護硬巖段開挖完后盾構到達交接面至導臺間砼澆注補充注漿拼裝管片豆礫石吹填效果檢查每4環(huán)檢查注漿效果YESYESNONO吹填豆礫石(米石)后期補充注漿盾構通過硬巖段………….盾構空載推動盾尾同步注漿盾構推動至導向平臺施工結束圖1施工工藝流程圖普通段盾構法施工圖2硬巖段鉆爆法開挖、盾構法襯砌縱斷面示意圖圖3硬巖隧道斷面構造示意圖圖3硬巖隧道斷面構造示意圖(1)盾構通過段盾構通過段隧道設計比盾構外徑大120mm。該段采用光面爆破技術開挖、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護，詳細支護參數(shù)依照圍巖條件和監(jiān)控量測成果進行調節(jié)。(2)盾構接受段為了保證盾構出洞時空間，硬巖隧道接近盾構隧道處3米隧道作為盾構機接受段。盾構接受段隧道凈空為6800mm。為便于盾構到達后對盾構進行底部解決，底部70°范疇內(nèi)半徑加大到3700mm。(3)導向平臺施工為保證盾構按設計姿態(tài)通過，隧道底部60°范疇內(nèi)設立半徑為3150mm厚度150mm弧形混凝土導向平臺，導向平臺頂部鋪設φ10@200鋼筋網(wǎng)片，混凝土保護層厚度為50mm。在導向平臺兩側每隔6m對稱預埋兩塊鋼板，鋼板與平臺鋼筋進行焊接，便于安裝牛腿，為盾構推動時提供反力。2、盾構到達段掘進施工盾構隧道與硬巖隧道貫通前25m為盾構到達段，采用土壓平衡模式掘進。盾構進入到達段時，逐漸減小推力、減少推動速度，并加強出土量監(jiān)控。隧道貫通前3環(huán)采用敞開式模式掘進。采用小推力、低轉速進入盾構接受段。掘進參數(shù)見表1、表2。隧道貫通前150～200m，對盾構隧道和硬巖隧道洞內(nèi)所有測量控制點進行一次整體、系統(tǒng)復測和聯(lián)測，對所有控制點坐標進行精密、精確平差計算。貫通前100m、50m時分別人工復測盾構姿態(tài)，及時糾正偏差，保證盾構順利進入接受段。盾構在到達段掘進過程中，派專人負責觀測硬巖隧道段巖面變化狀況。發(fā)現(xiàn)圍巖或硬巖隧道初期支護混凝土有較大震動或變形時，及時告知盾構主司機調節(jié)掘進參數(shù)，防止推力過大，導致刀盤前部圍巖大面積坍塌。表1盾構到達段掘進參數(shù)表編號項目參數(shù)適用范圍1土倉壓力1.2～1.4bar隧道貫通前25m2刀盤轉速1.65～1.85r/min3推力≤800T4推動速度≤25mm/min表2貫通前3環(huán)掘進參數(shù)表編號項目參數(shù)適用范圍1土倉壓力敞開式貫通前最后3環(huán)2刀盤轉速1.60～1.75r/min3推力≤600T4推動速度≤10mm/min3、盾構進入接受段后工作盾構進入接受段后，重要有如下三方面工作：(1)刀盤前方碴土清理隧道貫通時碴土無法用盾構出碴系統(tǒng)出碴，只能人工清理。清理后碴土運用硬巖隧道施工運送車輛從豎井運出洞外。(2)導向平臺順接碴土清理完畢后，用C30早強混凝土將盾構前體下部至硬巖隧道段已施工導向平臺進行順接，保證盾構順利過渡到導向平臺。(3)安設提供反力牛腿及千斤頂在導向平臺預埋鋼板上安設牛腿，在牛腿與盾構土倉隔板間安設液壓千斤頂，為盾構步進提供反力。此外，也可采用在刀盤前方堆碴，為盾構推動提供足夠反力。4、盾構步進、拼裝管片通過硬巖隧道段盾構推動前，將噴射機、米石等材料機具通過硬巖隧道段施工豎井運至刀盤前方。(1)盾構步進依照刀盤與導向平臺之間關系，調節(jié)各組推動油缸行程，使盾構姿態(tài)沿設計線路方向推動。前期施工時推動速度普通控制在15～40mm/min之間，工藝純熟后推動速度可達到60～85mm/min，總推力在300t左右，下部油缸壓力略不不大于上部油缸壓力。盾構步進時，派專人在盾構前方檢查、監(jiān)測盾構步進狀況，重要檢查硬巖隧道開挖與否有侵入盾構刀盤輪廓巖石存在、盾構前體下部與導臺結合狀況、米石回填與否密實等。盾構步進時，刀盤前方監(jiān)測人員與盾構主司機要緊密配合，使盾構沿導臺中心進行前移，保證盾構前移時管片受力均勻。依照該段曲線半徑（R＝1800米），計算出盾構每推動一環(huán)所發(fā)生偏轉角與鉸接油缸行程差和推動油缸行程差。經(jīng)計算，每推動一環(huán)管片所發(fā)生偏轉角α＝0.04775°，油缸產(chǎn)生行程差為4mm。在盾構推動前復核硬巖隧道與盾構軸線誤差，依照誤差調節(jié)鉸接油缸、推動油缸行程差，保證盾構盾殼與硬巖隧道間間隙，保證盾構按隧道設計軸線進行推動。(2)管片拼裝加強管片選型工作，通過控制盾尾與管片外表面間隙，保證管片拼裝符合設計規(guī)定。管片拼裝工藝與正常掘進時工藝相似。管片選型時，依照盾尾間隙與油缸行程差，結合盾構姿態(tài)選取適當管片。管片每安裝一片，先人工初步緊固連接螺栓；安裝完一環(huán)后，用風動扳手對所有管片螺栓進行緊固；管片出盾尾后，重新用風動扳手進行緊固。在安裝管片時，推動油缸壓力設定為50bar。5、管片背襯回填管片背襯回填由噴射米石、盾尾同步注漿、補充注漿等構成。通過噴射米石在管片脫離盾尾時對管片進行支撐，防止管片下沉產(chǎn)生錯臺，并增長盾構向前推動摩擦力。運用盾構同步注漿系統(tǒng)壓注水泥砂漿，使襯砌管片與地層間緊密接觸，提高支護效果。依照注漿后檢查成果，從管片注漿孔補充注漿固結管片。(1)噴射米石回填在管片拼裝同步進行米石噴射回填工作，噴射米石分兩步進行：第一步，每隔4.5m在盾構機切口四周用袋裝砂石料圍成一種圍堰，圍堰范疇不不大于60°～300°，以防管片背后米石、砂漿前竄。從刀盤前方向盾構后方吹入粒徑5～10mm米石骨料，噴射壓力為0.25～0.3MPa。第二步，在管片拼裝完畢并脫出盾尾后，從管片注漿孔向管片背后吹入米石骨料。但當管片背后間隙較少時，從注漿孔向管片背后吹米石比較困難，這點在施工中要充分考慮周到。噴射米石回填施工見圖3所示。充填原則：考慮暗挖隧道平均超挖15cm，管片與暗挖隧道孔隙6.98m3，噴射米石填充孔隙60～70%，則每環(huán)管片需噴射米石約4.5～5m3。圖4噴射米石回填示意圖(2)盾尾同步注漿圖4噴射米石回填示意圖①同步注漿漿液性能同步注漿采用水泥砂漿。漿液配比為——水泥：膨潤土：粉煤灰：砂：水＝160：56：341：779：446。漿液膠凝時間為——初凝時間8h，終凝時間10.5h，施工時依照盾構推動過程中漿液流動狀況，恰當調節(jié)漿液膠凝時間。②注漿工藝同步注漿在每環(huán)管片噴射米石回填后進行，與盾構步進同步。注漿通過盾構自身配備同步注漿系統(tǒng)，采用手動控制方式，由人工依照現(xiàn)場狀況隨時調節(jié)注漿流量、速度、壓力。注漿壓力：為保證對管片背后空隙有效填充，同步防止砂漿前竄至刀盤前方，注漿壓力取值為0.05～0.08MPa。注漿結束原則：同步注漿時盾殼外圍是敞開，壓力變化不大，不以壓力作為注漿結束控制原則。當注漿量達到理論注漿量80%以上（考慮漿液向刀盤前方流動，每環(huán)同步注漿量普通取6m3）時，即可結束注漿。在注漿過程中，加強對盾構四周以及盾殼外部圍堰變形觀測，發(fā)既有漿液外泄，應暫時停止注漿。③注漿效果檢查在盾構管片安裝10環(huán)后，間隔6m（4環(huán)管片）在管片注漿孔處開口檢查注漿效果。依照檢查效果，決定與否進行補充注漿。(3)補充注漿①第一次補充注漿第一次補充注漿目是填充管片背后特別是頂部空洞，保證管片與硬巖隧道初期支護間密實度。盾構步進過程中，每6m通過管片注漿孔檢查同步注漿效果。管片背后如果存在空洞，運用砂漿運送罐車從管片上部30°或330°位置注漿孔進行注漿。注漿時，避開封頂塊位置。漿液采用水泥單液漿。漿液配比為：水泥：水=1：0.8。注漿壓力取值為0.3～0.4MPa。注漿結束原則采用注漿壓力單指標控制。②第二次補充注漿在盾構通過硬巖隧道后，依照管片間滲漏水狀況，采用KBY-50/70雙液注漿泵進行注漿堵水。漿液采用水泥－水玻璃雙液漿。漿液配比為水泥：水玻璃為1：1，注漿壓力取值為0.2～0.3MPa，注漿流量不不不大于10L/min。注漿結束原則采用注漿壓力單指標控制。6、監(jiān)控量測監(jiān)控量測隨著隧道施工全過程，依照量測數(shù)據(jù)調節(jié)施工工藝及工法，保證施工及地表建筑物安全。在硬巖隧道鉆爆法施工時，重要進行地表沉降、隧道拱頂下沉及水平收斂監(jiān)測。盾構空載過硬巖隧道時，因鉆爆法隧道變形已基本穩(wěn)定，同步注漿壓力僅有0.05～0.08MPa，對構造影響小，監(jiān)測以管片拼裝后姿態(tài)測量為主，保證隧道成洞質量。五、機具設備配備（見表3）表3機具設備配備表序號名稱規(guī)格型號數(shù)量用途1土壓平衡盾構EPB6280mm1臺推動并拼裝管片2同步注漿泵SWINGKSP122臺管片背后同步注漿3編組列車機車35T2列運送管片及砂漿4砂漿攪拌站TS-500(20m3/h)1座生產(chǎn)同步注漿用砂漿5水平運送車輛EQ1090(2m3)2輛運送米石6混凝土噴射機ZSP-62臺噴射米石7雙液注漿泵KBY-50/701臺補充注漿8雙液攪拌機QV－500/501臺漿液拌制9門式起重機15T/23.2m1臺管片及軌排等材料吊放10電動葫蘆CD1041套刀盤前方所需材料吊放11交流電焊機BX3-5001臺焊接噴射米石作業(yè)臺架12內(nèi)燃空壓機VY－12/82臺為噴射機供風六、勞動組織盾構通過硬巖隧道段施工（涉及盾構空載推動、管片安裝、背襯吹米石及同步注漿回填等工作內(nèi)容）分兩個作業(yè)班循環(huán)進行，每個作業(yè)班共計41人，勞動力組織如表4所示。表4盾構機過硬巖隧道時勞動組織序號崗位名稱人數(shù)職責1班長1負責現(xiàn)場施工管理2盾構主司機1盾構機操作3值班土木工程師1現(xiàn)場技術指引4管片安裝司機1操作管片安裝機5管片安裝工4安裝管片6管片供應4管片選型及止水材料粘貼7同步注漿司機1操作同步注漿泵8機車司機2管片、砂漿及其她材料運送9攪拌站3拌制同步注漿用砂漿10門吊司機1吊放管片及其她材料11噴射機司機1噴射機操作12水平運送車司機2運送米石13空壓機司機1空壓機操作14電動葫蘆司機1吊放刀盤前方所需材料15洞內(nèi)輔助工6米石噴射（4）、電工（1）、修理工（1）16洞外輔助工4軌排加工（2）、管線工（1）、充電工（1）17盾構機維保618安全員1刀盤前方安全巡邏合計41人管片背后空洞補充注漿和注雙液漿堵水工作安排在白天進行，分一種作業(yè)班共計12人，其勞動組織見表5。表5補充注漿時勞動組織序號崗位名稱人數(shù)職責1班長1負責現(xiàn)場施工管理2值班土木工程師1負責現(xiàn)場注漿技術指引3機修工1機械維修及管路清洗4運料工3水泥、水玻璃等材料運送5注漿泵司機2注漿泵操作及施工記錄6制漿工4漿液配制合計12人七、質量控制1、成立以項目總工任組長，盾構主司機、值班土木工程師、測量工程師、實驗工程師、掘進班班長、注漿司機為成員技術小組，負責施工方案制定并提供技術指引。2、施工前對盾構步進、噴射米石、同步注漿等核心工序作業(yè)進行培訓和技術交底，由值班土木工程師跟班進行指引、監(jiān)控。3、由專職質量工程師負責各工序質量檢查及施工過程控制，嚴格工序交接班制度，禁止不合格工序進入下一施工流程。4、詳細質量控制辦法(1)管片防水為保證管片防水效果，施工中采用如下辦法：①在隧道貫通前安裝管片時，每環(huán)管片用φ22鋼筋與上一環(huán)管片相連，并點焊連接牢固，防止因貫通時刀盤前方突然失去反力導致已安裝管片松動。②在盾構機步進前方，運用導向平臺上預埋鋼板焊接牛腿，安設兩個80t千斤頂提供反力；或者直接在刀盤前方堆碴提供盾構機步進所需反力。③安裝管片時，在該環(huán)管片螺栓緊固完畢后，對上一環(huán)管片螺栓進行二次緊固，以保證管片塊與塊之間、環(huán)與環(huán)之間緊密連接。(2)管片錯臺盾構在導向平臺上向前推動時，盾構前體、中體以及盾尾盾殼與導向臺是緊密接觸，不會產(chǎn)生大錯臺。但仍需采用如下辦法：①每3～5環(huán)對管片姿態(tài)進行人工測量，依照測量成果結合盾尾間隙進行管片選型。②加強管片背后噴射米石及注漿回填效果檢查，保證管片與硬巖隧道初期支護間空隙充填密實度，保證管片下部有足夠支撐力。(3)盾構姿態(tài)控制由于盾構主機體積大（長8.5m，刀盤直徑達6.28m）、質量重（重達300T），姿態(tài)調節(jié)比較困難。在通過硬巖隧道時采用如下辦法進行盾構姿態(tài)控制：①積極采用辦法，保證導向臺施工精度導向臺是盾構通過硬巖隧道時下部支撐，其施工精度直接決定著盾構姿態(tài)。導向臺施工前從地面通過豎井進行精準三角形定向測量和鋼尺懸垂法高程聯(lián)系測量，將地面控制導線網(wǎng)坐標、方向和高程傳遞到洞內(nèi)。導向平臺施工模板定位后必要進行測量復核，混凝土澆注后再進行標高復測，保證導臺施工精度在0～＋15mm以內(nèi)。②調節(jié)好隧道貫通時盾構姿態(tài)盾構從盾構隧道進入硬巖隧道前，及時調節(jié)盾構出洞姿態(tài)，保證盾構出洞時旋轉值Roll不大于±3mm/m。盾構在導向平臺上步進時，調節(jié)盾構旋轉值Roll不大于±5mm/m。③做好管片選型及安裝，保證隧道成洞質量由有經(jīng)驗土木工程師24小時現(xiàn)場值班，綜合盾構機姿態(tài)、盾尾間隙、油缸行程以及盾構步進狀況等因素，合理選取管片安裝類型，使盾構姿態(tài)偏差在±20mm以內(nèi)、上下左右盾尾間隙均在70mm左右、最大油缸行程差在25mm以內(nèi)，保證管片受到油缸推力較平均，在管片脫出盾尾時，盾尾內(nèi)殼不會擠壓管片外壁，可有效防止管片產(chǎn)生錯臺、裂縫。八、安全辦法1、嚴格按項目安全管理制度和施工方案組織施工，嚴格制定和執(zhí)行有關設備安全操作規(guī)程。2、加強硬巖隧道段（涉及豎井段）通風和照明工作，對米石進行灑水濕潤，以減少粉塵，提高洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境條件，保證人員和設備安全。3、隧道貫通后，及時對暴露圍巖面進行噴混凝土或噴錨網(wǎng)封閉，加強刀盤前方安全巡邏，避免發(fā)生坍塌。4、噴射米石回填及后期補充注漿，需在盾構刀盤前方、設備橋、后配套拖車及修補架等高空處進行，作業(yè)人員必要佩戴好安全防護品，布好安全防護設施，防止發(fā)生高空墜落。5、噴射米石時，先固定好噴頭，再開噴漿機進行噴射，避免米石突然噴出導致人員傷害或和設備儀表損壞。6、加強垂直運送及洞內(nèi)水平運送系統(tǒng)控制，防止高空物體墜落及車輛傷害事故發(fā)生。7、加強洞內(nèi)用電控制，保證施工安全。九、效益分析（一）社會效益本工法將鉆爆法施工與盾構法施工相結合，避免了盾構法在巖層太硬、距離偏長地層中施工對設備損壞和對盾構法應用限制，使盾構或雙護盾TBM施工都市地鐵、鐵路、公路、水工隧道等地下工程能得到進一步發(fā)展。應用本工法，有效地避免了盾構在長距離硬巖地層中掘進施工風險，極大地以便了都市與交通等方面建設規(guī)劃，并能保證工程和周邊環(huán)境安全。在采用相應辦法和辦法滿足都市環(huán)境條件條件狀況下，可得到應有推廣使用，有較大社會效益。（二）經(jīng)濟效益1、施工速度快、工期效應明顯。盾構拼裝管片通過硬巖段可以達到平均每天11米施工進度，其綜合進度比盾構法在普通較硬巖層地段進度還快，每延米隧道至少節(jié)約5.8小時。因而，硬巖隧道越長，工期提前規(guī)模效應越明顯。2、避免了盾構在巖層段掘進時刀具磨損及意外破壞。相比之下有較大成本節(jié)約。依照盾構在局部硬巖地層中正常掘進刀具磨損值記錄，在廣州市