畢經(jīng)東 趙得杰

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，300308，天津 ∥ 第一作者，高級工程師)

0 引言

盾構(gòu)法隧道施工由于其經(jīng)濟、環(huán)保且適用性強等特點，已成為當前隧道施工中最為普遍采用的施工方法。但是盾構(gòu)法也存在一些不足，如在硬巖、孤石群和上軟下硬區(qū)域進行施工時，由于刀盤磨損較大、施工速度慢、停機時間長，以及易造成較大的施工沉降，既影響工期，又增加了施工成本[1]。如何使盾構(gòu)機在此類地層中安全、快速和高質(zhì)量地推進，仍是隧道施工技術(shù)中的一項難題。

諸多學者針對盾構(gòu)通過堅硬土層的施工進行了研究：文獻[2]對盾構(gòu)空推通過礦山法隧道段時關(guān)鍵部位的質(zhì)量控制進行了探討；文獻[3]根據(jù)武漢某地鐵區(qū)間施工的實際情況，介紹了盾構(gòu)在中風化泥巖地層中空推通過礦山法隧道時，盾構(gòu)到達、推進和接收階段的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制措施；文獻[4]結(jié)合深圳地鐵2號線某工程實例，介紹了城市地鐵盾構(gòu)施工遭遇極硬巖、孤石群或上軟下硬地層時采用礦山法加盾構(gòu)法聯(lián)合施工的方法；文獻[5]針對深圳地鐵2號線區(qū)間盾構(gòu)空推拼管片通過礦山法隧道段的施工，從空推拼管片滲漏水機理分析入手，分析了滲漏水的控制難點；文獻[6-9]研究分析了盾構(gòu)空推通過既有礦山法隧道現(xiàn)場施工時出現(xiàn)的管片錯臺、隧道滲漏水、管片上浮、管片破損等質(zhì)量缺陷及其形成原因，并闡述了預(yù)防和控制措施。

綜上，既有文獻都是針對地鐵隧道在硬巖、孤石群及上軟下硬地層中的盾構(gòu)法聯(lián)合礦山法施工進行研究，且盾構(gòu)直徑較小，一般為6 m左右。本文針對大直徑(8.8 m)盾構(gòu)空推通過既有礦山法隧道的施工技術(shù)，對進洞前、空推及出洞過程中的施工質(zhì)量控制措施進行了研究，可為以后類似工程的施工提供參考。

1 工程概況

東南沿海地區(qū)某城際軌道交通車站至4號工作井區(qū)間原設(shè)計采用盾構(gòu)法施工，通過現(xiàn)場補勘得知，DK14+592—DK14+709及YDK14+635.155—YDK14+727.155區(qū)間隧道范圍內(nèi)硬巖局部強度大于120 MPa。該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工將大大增加盾構(gòu)機停機時間及換刀頻率，降低了施工效率和經(jīng)濟效益，故該段采用礦山法施工。盾構(gòu)空推段為單向上坡，最大坡度為20.1‰。盾構(gòu)空推施工示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)空推施工示意圖

2 盾構(gòu)空推通過礦山法隧道段的施工重點

2.1 導(dǎo)臺與導(dǎo)軌精確定位與施工

盾構(gòu)機在礦山法隧道中空推步進時，在位于隧底已施作好的混凝土導(dǎo)臺上向前推進，導(dǎo)臺及導(dǎo)軌要保證盾構(gòu)機嚴格按照設(shè)計軸線姿態(tài)平穩(wěn)推進，且保證管片的拼裝質(zhì)量及防水效果。因此，混凝土導(dǎo)臺與預(yù)埋導(dǎo)軌的精確施工，是盾構(gòu)空推施工的重點之一。

2.2 盾構(gòu)機的安全到達

在盾構(gòu)機到達礦山法隧道段前，隨著剩余巖體長度不斷減小，盾構(gòu)機前進對前方巖體及隧道結(jié)合部的擾動和影響逐漸增大。設(shè)定合理的前進參數(shù)，尤其是推力和推進速度的控制，是保證貫通面的穩(wěn)定以及盾構(gòu)安全順利到達礦山法隧道段的關(guān)鍵。

2.3 盾構(gòu)機推進反力的設(shè)置

盾構(gòu)機在空推前進過程中，如果前方?jīng)]有阻力的作用，會使安放在管片間的橡膠止水條受到的壓力達不到設(shè)計要求，管片之間的密封性能會急劇下降，容易發(fā)生滲漏水。因此，在刀盤前方采取措施，以提供足夠的頂推反力是盾構(gòu)空推施工的重點。

2.4 管片壁后豆礫石的密實充填和防止?jié){液前竄

管片與初期支護之間空隙較大，且不均勻，豆礫石吹填不易密實；尤其是下坡段，豆礫石及注漿漿液容易向刀盤前方竄流，影響壁后填充效果。因此，保證填充效果和減少漿液竄流也是盾構(gòu)空推施工的重點。

3 主要施工控制措施

盾構(gòu)機到達前，應(yīng)完成礦山法隧道段的初支結(jié)構(gòu)及其堵頭墻的封端施工?？胀魄斑M時，管片及漿液運輸通過電瓶車編組從后方橫琴站實施，豆礫石提前放置在刀盤前方導(dǎo)臺上;采取刀盤前方噴射豆礫石的方式，混凝土噴射機位于刀盤前方，同時刀盤前方堆放的豆礫石為盾構(gòu)推進提供反力。盾構(gòu)進礦山法隧道段開始空推和出礦山法隧道段開始前進時，其分界位置和端頭應(yīng)按照盾構(gòu)到達和盾構(gòu)始發(fā)形式進行，并提前在隧道端頭采取施作堵頭墻的措施。礦山法暗挖隧道與盾構(gòu)隧道交界處采用鋼筋混凝土端封墻，礦山法暗挖隧道內(nèi)設(shè)置素混凝土端封墻。

3.1 進洞前施工控制措施

1) 為了確保盾構(gòu)機平穩(wěn)進入礦山法暗挖隧道，防止土倉壓力驟減引起的地面沉降，在做好洞內(nèi)注漿的同時，礦山法隧道接收段13 m范圍內(nèi)下臺階與中臺階預(yù)留不進行開挖，如圖2所示。上臺階開挖完成后施作端封墻，端封墻厚60 cm，采用C25鋼筋混凝土。端封墻上部鋼筋與初支鋼架焊接，下部植入中臺階，與下臺階花崗巖地層連接為整體，上臺階與鋼筋混凝土擋墻之間回填C15素混凝土。

圖2 暗挖隧道的盾構(gòu)接收段及端封墻

2) 當盾構(gòu)機刀盤前進至距離鋼筋混凝土擋墻5 m時停機，對礦山法暗挖段隧道端封墻進行開孔檢查處理，主要檢查出水量。

3) 在盾構(gòu)機前進過程中，隨著多環(huán)管片脫出盾尾，對管片與土層之間的空隙進行同步注漿，確?？障段恢锰畛涿軐崳煌C后繼續(xù)采取二次注漿做止水環(huán)，以有效進行止水。

4) 止水環(huán)施作完成后前進至距離端封墻3 m時停機，對預(yù)留下臺階進行開挖，施作初支鋼架，破除端封墻。

5) 端封墻破除完畢后，復(fù)測盾構(gòu)機中心，根據(jù)復(fù)測數(shù)據(jù)施作下臺階段導(dǎo)臺。導(dǎo)臺與接收斷面間應(yīng)預(yù)留1 m(刀盤厚0.8 m)的間距，以利于空載和負載的轉(zhuǎn)換。

6) 刀盤周邊刀切削外徑大于盾體直徑，為盡量減少初支及預(yù)埋注漿管阻擋刀盤，應(yīng)拆除刀盤最邊緣刀具。

7) 為使盾構(gòu)機順利上導(dǎo)臺，在預(yù)留下臺階開挖完成及初支施作后，施作“引軌”(即下臺階長度為7 m，預(yù)留1 m至接收斷面，臺階剩余長度為6 m)。導(dǎo)臺施作時從小里程方向往大里程方向按10‰坡度上坡。

8) 端封墻混凝土鑿除：礦山法暗挖段隧道頂覆土平均深度為10 m，為確保盾構(gòu)平穩(wěn)進入礦山法暗挖隧道，待刀盤及盾體完全進入回填區(qū)內(nèi)，隨著盾構(gòu)步進應(yīng)逐步降低土壓至常壓狀態(tài)。為防止端封墻受盾構(gòu)機推力致使初支鋼架受力而導(dǎo)致初支不穩(wěn)定，在刀盤前進至端封墻3 m時，停機將端封墻與初支連接鋼筋全部割除。另外，為降低盾構(gòu)刀盤面對洞門墻體的頂壓力，打開洞門中心釋放孔釋放應(yīng)力；盾構(gòu)機距鋼筋混凝土端封墻5 m時，為降低盾構(gòu)正面壓力對洞門墻體的推力，應(yīng)逐漸將土壓降至0；打開端封墻釋放孔，以降低盾構(gòu)集中推力；盾構(gòu)機距離鋼筋混凝土端頭墻3 m位置時，為防止盾構(gòu)機前進過程中推力傳導(dǎo)至端封墻導(dǎo)致初支拉斷及端封墻倒塌，盾構(gòu)應(yīng)停機，破除端封墻及下臺階硬巖后，施作初支，然后再施作導(dǎo)臺。

9) 進入礦山法暗挖隧道段前盾構(gòu)機的前進姿態(tài)控制：盾構(gòu)機到達暗挖隧道段前150 m時，要對所有監(jiān)測點進行復(fù)測，并對各個點位的坐標進行精密計算；盾構(gòu)機到達暗挖隧道段前100 m時，要對盾構(gòu)機姿態(tài)進行人工復(fù)測，掌握盾構(gòu)機的實際坐標并進行相應(yīng)的糾偏，使盾構(gòu)機保持良好的正確姿態(tài)(豎直方向上要高于設(shè)計軸線20 mm)，使其順利進入到達段。對盾構(gòu)機的前進參數(shù)，如土壓、推力、出土量等進行調(diào)整，以降低盾構(gòu)機臨近洞門前進對洞門結(jié)構(gòu)的影響；盾構(gòu)機到達暗挖隧道段前13 m時，要逐步降低刀盤轉(zhuǎn)速、推力及推進速度(刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.80～1.06 r/min，推進速度保持在10 mm/min以內(nèi)，總推力不大于8 000 kN)；加強洞門及底板的監(jiān)測頻率，并將監(jiān)測結(jié)果及時反映給盾構(gòu)機車控室以便優(yōu)化前進控制。

10) 導(dǎo)臺施工:導(dǎo)臺分為導(dǎo)臺底基座和上部導(dǎo)向臺。盾構(gòu)機在導(dǎo)臺上空載推進并拼裝管片。導(dǎo)臺混凝土強度等級為C30，下部底基座部分為素混凝土。導(dǎo)臺厚150 mm，底部縱向單層布設(shè)φ8 mm@200 mm鋼筋，環(huán)向箍筋按φ10 mm、@200 mm布設(shè)。導(dǎo)臺底部兩側(cè)鋪設(shè)43 kg/m鋼軌，鋼軌下方預(yù)埋厚2 cm鋼板墊塊供后續(xù)安裝導(dǎo)軌和焊接擋板，以為盾構(gòu)機提供反力。鋼板下方焊接長15 cm、φ22 mm鋼筋，使其錨入導(dǎo)臺底基座。鋼軌軌面高出導(dǎo)臺混凝土面2～3 cm。

11) 豆礫石的準備與填充：盾構(gòu)機在空推過程中，由于前方及周邊的阻力相對較小，故需對這些位置噴射豆礫石，以增大盾構(gòu)機的阻力，從而給盾構(gòu)機提供足夠的反力，使管片止水條擠壓密實，也能使水平連接螺栓擰緊牢固，達到抑制成型管片錯臺漏水的效果。豆礫石直徑宜在5 mm至10 mm之間。在盾構(gòu)機進入暗挖隧道之前，應(yīng)將豆礫石提前準備齊全。

12) 空推段反力計算：暗挖空推推力需滿足大于止水條最小擠壓力的要求。止水條的受壓變形試驗曲線如圖3所示。

圖3 止水條受壓變形試驗曲線圖

止水條安裝直徑為8 416 mm，單環(huán)止水條長度為26.426 m，單環(huán)受力為1 321.3 kN。按設(shè)計圖紙及圖3計算，管片止水條受到的總壓力可達2 642.6 kN，滿足止水強度要求。

3.2 盾構(gòu)空推的主要施工控制措施

3.2.1 盾構(gòu)機前進

依據(jù)導(dǎo)臺與盾構(gòu)刀盤之間的幾何關(guān)系，對各個方向推進油缸的油壓(下部油缸壓力略大于上部油缸壓力)進行調(diào)整，使得盾構(gòu)施工時隧道真實軸線盡量接近設(shè)計軸線。初期盾構(gòu)推進速度控制在15～30 mm/min，后期隨著操作技術(shù)的熟練，推進速度可達到30～45 mm/min。盾構(gòu)推進過程中要對礦山法暗挖段隧道與刀盤輪廓之間的間距及盾構(gòu)前體下部與導(dǎo)臺的結(jié)合情況進行嚴密監(jiān)測。導(dǎo)臺軌道涂抹油脂潤滑，以盡量減少摩擦阻力，確保盾構(gòu)機在導(dǎo)臺上安全順利步進。

3.2.2 盾構(gòu)軸線控制

依據(jù)軸線的設(shè)計半徑及盾構(gòu)刀盤直徑計算各個方向上千斤頂?shù)男谐滩?。由于本區(qū)間為直線段，只需調(diào)整上下的鉸接油缸和推進油缸行程差值在46 mm(管片楔形量)以內(nèi)即可，以確保盾構(gòu)機姿態(tài)符合礦山法暗挖段隧道設(shè)計軸線的要求。

3.2.3 豆礫石填充

管片拼裝完成后，要及時進行管片外圍與地層間的背襯回填工作?；靥畈牧蠟閲娚涞亩沟[石。

因所用盾構(gòu)機在盾尾處設(shè)計有止?jié){板，故將φ50 mm導(dǎo)管的長度設(shè)定為11.2 m，使豆礫石充分填充在管片與初支空隙中。導(dǎo)管自盾構(gòu)機刀盤2及10點位處插入到盾尾后20 cm處(盾構(gòu)機盾體含刀盤總長為11 m)，導(dǎo)管與盾體焊接固定，推進前和隨同盾構(gòu)步進時要從刀盤前向盾體后方噴射粒徑為5～10 mm的豆礫石骨料，并進行同步注漿。

若發(fā)現(xiàn)管片背后填充不密實，則每步進100 cm，利用管片注漿孔再一次用混凝土噴射機向管片背后吹入豆礫石，以確保管片背后充分密實?；靥顢?shù)量基本達到理論數(shù)量后，打開管片頂部的注漿孔觀察，直到注漿孔內(nèi)充滿豆礫石。噴射豆礫石時，在盾構(gòu)機的切口四周要按照每隔5 m設(shè)置1個袋裝砂石料圍堰。為了防止管片后面的砂漿及豆礫石向前竄，圍堰高度要控制在時鐘的2點位置以下。

3.2.4 同步注漿

每環(huán)管片安裝完成后，要對管片外圍噴射豆礫石，豆礫石噴射完成后進行同步注漿。注漿的同時，盾構(gòu)機正常推進，采用盾構(gòu)機上自帶的同步注漿設(shè)備進行注漿?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實際情況，手動調(diào)整注漿壓力及注漿量。注漿壓力一般設(shè)為0.05～0.15 MPa。當注漿量為理論計算值的80%時停止注漿，且在注漿過程中要對盾構(gòu)機周圍進行嚴密觀測，一旦發(fā)現(xiàn)有漏漿情況，應(yīng)立即停止注漿。

3.2.5 管片外側(cè)二次注漿

管片頂部豆礫石往往很難一次注漿充填密實，會留有少量空洞，為此，當管片脫出盾尾且待第1次注漿凝固后，需每隔2環(huán)打穿拱腰以上管片吊裝孔，檢查第1次注漿效果。盾構(gòu)每推進4～5環(huán)，通過隧道上部的管片注漿孔進行二次注漿。注漿材料采用水泥漿和水玻璃溶液，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，水灰比為0.5～1.0。

3.3 4號工作井盾構(gòu)接收方案

礦山法暗挖隧道內(nèi)導(dǎo)臺施工完畢后，進行4號工作井內(nèi)接收導(dǎo)臺施工，其施工方法同暗挖隧道內(nèi)導(dǎo)臺。盾構(gòu)機進洞后繼續(xù)推進，直至盾構(gòu)機盾尾處管片完成拼裝且管片突出圍護結(jié)構(gòu)。此時區(qū)間管片拼裝已完成，利用千斤頂對盾構(gòu)機進行頂進;進行過程中盾構(gòu)機繼續(xù)注漿，使盾構(gòu)機完全駛進接收導(dǎo)臺。

如發(fā)現(xiàn)管片背后填充不密實，則利用管片注漿孔再一次用混凝土噴射機向管片背后吹入豆礫石，以確保管片背后充填密實。回填數(shù)量基本達到理論數(shù)量后，打開管片頂部的注漿孔觀察，直到注漿孔內(nèi)充滿豆礫石。洞門處利用混凝土噴射機對管片與初支間的空隙進行混凝土噴射，確保填充密實。

4 施工質(zhì)量分析

盾構(gòu)空推施工成功與否是整個區(qū)間施工的關(guān)鍵，對整個區(qū)間的施工進度起著非常重要的作用。通過對空推施工過程中隧道管片的拼裝偏差及隧道拱頂?shù)某两登闆r進行統(tǒng)計，來考察整個大直徑盾構(gòu)空推通過既有礦山法暗挖隧道的施工工藝水平。

4.1 管片拼裝質(zhì)量

盾構(gòu)施工質(zhì)量的好壞絕大部分取決于隧道管片的拼裝情況，拼裝質(zhì)量主要取決于管片的水平偏差及高程偏差。拼裝質(zhì)量越好，后期的養(yǎng)護維修費用也會大大降低。左、右線的盾構(gòu)空推施工中隧道管片的拼裝偏差如圖4～5所示。

圖4 左線盾構(gòu)空推的管片安裝偏差

由圖4可以看出：左線隧道的管片拼裝高程偏差最大為9.6 mm，前4環(huán)標高偏差為負值，隨著糾偏的控制，第5環(huán)之后標高偏差都為正值，隨著施工的進行，總體上偏差值越來越小，均控制在10 mm以內(nèi)；水平偏差都為負值，向右偏，最大水平偏差為向右偏11 mm，總體變化趨勢也是偏差越來越小。

由圖5可以看出：右線隧道的管片拼裝偏差情況與左線基本相同，但標高偏差都為正值，最大值為10 mm；水平偏差都為負值，向右偏，最大值為12 mm。

圖5 右線盾構(gòu)空推的管片安裝偏差

4.2 盾構(gòu)空推施工的隧道拱頂變形

大直徑盾構(gòu)機空推既有礦山法暗挖隧道的施工難度很大，對周邊土層的影響也較大，如果處理不好會使周邊土層產(chǎn)生較大的變形。本次空推過程中隧道拱頂?shù)呢Q向位移情況如圖6所示(隆起為正，下沉為負)。

圖6 盾構(gòu)空推過程中左、右線管片拱頂豎向位移

由圖6可以看出：空推施工過程中左、右線隧道拱頂變形均表現(xiàn)為下沉，左線最大沉降量為2.42 mm，右線最大沉降量為4.61 mm，遠遠低于規(guī)范的控制要求。

5 結(jié)語

本文研究直徑8.8 m的大直徑盾構(gòu)空推通過既有礦山法暗挖隧道的施工工藝，施工完成后整個礦山法暗挖隧道的管片拼裝左線水平方向最大偏差為11 mm，高程方向的最大偏差為9.6 mm；右線水平方向的最大偏差為12 mm，高程方向上最大偏差為10 mm；左線隧道拱頂位置的最大沉降位移為2.42 mm，右線為4.61 mm。管片拼裝偏差及隧道的變形均滿足現(xiàn)有規(guī)范的控制要求，解決了大直徑盾構(gòu)機空推通過礦山法暗挖隧道的難題，為以后類似項目的施工積累了經(jīng)驗。