劉志峰

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司 北京 101100)

1 引言

地鐵隧道施工主要采用盾構(gòu)法，在較堅(jiān)硬巖層等特殊地段一般采用礦山法。當(dāng)線路地質(zhì)變化較大時(shí)，采用單一的盾構(gòu)法或者礦山法就不能滿足施工要求，勢(shì)必采取多種工法聯(lián)合施工，“盾構(gòu)法＋礦山法”就是一典型組合工法[1－2]。在某些施工場(chǎng)地受限區(qū)域，這種組合工法會(huì)用到盾構(gòu)空推通過(guò)礦山法已施工完初支的隧道，并拼裝管片形成隧道的二襯，以此節(jié)約場(chǎng)地，方便施工組織。

盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道施工工法是為解決地下隧道施工難題而研發(fā)的一種復(fù)合施工工法[3－5]，即地鐵區(qū)間一端用盾構(gòu)法施工，另一端用礦山法相向施工；礦山法施工完成隧道初期支護(hù)，盾構(gòu)法與礦山法隧道貫通后，通過(guò)礦山法隧道時(shí)，由于刀盤不承受地層阻力，只空推；邊空推邊用盾構(gòu)機(jī)拼裝管片形成隧道的二襯，并向管片和初支之間的孔隙填充豆礫石及注漿。盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道，初支斷面不能出現(xiàn)欠挖，若欠挖，空推時(shí)會(huì)卡住刀盤而無(wú)法繼續(xù)推進(jìn)；若初支斷面超挖，管片拼接后易發(fā)生下沉或上浮。此外，盾構(gòu)空推時(shí)推力[6]達(dá)不到管片擠壓防水要求，或已拼管片周邊存在較大間隙，易發(fā)生接縫滲漏水[7]、隧道軸線偏差超限、管片錯(cuò)臺(tái)、管片上浮等質(zhì)量問(wèn)題。因此，研究盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道關(guān)鍵技術(shù)意義重大。

深圳地鐵10號(hào)線雪甘區(qū)間(雪象站～甘坑站)采用盾構(gòu)法與礦山法聯(lián)合施工，由于場(chǎng)地條件受限，盾構(gòu)法與礦山法結(jié)合處采用盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道施工工法。本文以該工程為背景，論述了盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供參考。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

深圳地鐵10號(hào)線1012-1B標(biāo)，含兩站一區(qū)間:雪象站(原雪象北站)、甘坑站、雪甘區(qū)間。該區(qū)間2.4 km長(zhǎng)，其中盾構(gòu)法隧道1 km，礦山法隧道1.4 km(含盾構(gòu)空推拼管片段)。線路最大縱坡14.45‰，最小曲線半徑500 m，隧道埋深5～87 m。沿線主要為丘陵地貌，溝谷發(fā)育，植被覆蓋好，高程100～250 m，總地勢(shì)東高西低。區(qū)間靠近甘坑站有一小段隧道處于硬巖地層，該段先采用礦山法開挖隧道并施作初期支護(hù)，隨后盾構(gòu)機(jī)空推拼裝預(yù)制鋼筋混凝土管片施作二襯。其中，左線空推段172.69 m，右線空推段204.45 m。本文以盾構(gòu)過(guò)礦山法段(空推段)左線為例進(jìn)行闡述，左線空推段的地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 左線空推段地質(zhì)剖面圖

根據(jù)設(shè)計(jì)，礦山法隧道為圓形，初支為格柵鋼架＋噴砼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的截面豎向?yàn)?.5 m、橫向6.4 m。盾構(gòu)法隧道，盾構(gòu)刀盤直徑6.28 m，管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m。盾構(gòu)貫通后沿弧形導(dǎo)臺(tái)拼裝二襯管片，采取管片背后“充填豆石＋注漿”相結(jié)合的方式，盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道。

2.2 重難點(diǎn)分析

(1)針對(duì)盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道的特殊施工方法，如何防止盾構(gòu)與礦山法隧道接口處管片錯(cuò)臺(tái)，是一項(xiàng)難點(diǎn)。

(2)礦山法隧道若存在超欠挖，欠挖時(shí)盾構(gòu)空推過(guò)隧道時(shí)易卡住刀盤，超挖時(shí)管片拼接后易發(fā)生下沉或上浮，質(zhì)量得不到保障。為此礦山法隧道初支后的凈空尺寸需要檢測(cè)，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)存在工作量大、效率低、觀測(cè)時(shí)段受限等缺點(diǎn)，需要新的檢測(cè)技術(shù)，這也是一項(xiàng)難點(diǎn)。

(3)盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道的施工工藝，也是一項(xiàng)難點(diǎn)。

(4)空推段施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)，是一項(xiàng)重點(diǎn)。

3 盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)空推方案

隧道礦山法開挖，施作初期支護(hù)，施作50 cm厚C25混凝土端封墻，回填11 m長(zhǎng)的C15素砼，并澆筑導(dǎo)臺(tái)；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)接近空推段隧道時(shí)，做好盾構(gòu)貫通準(zhǔn)備，接口處進(jìn)行注漿，導(dǎo)臺(tái)上堆放好豆礫石[8]；盾構(gòu)空推過(guò)程中，在盾構(gòu)機(jī)刀盤前方用噴錨機(jī)噴射豆礫石回填初支與管片的空隙，并及時(shí)進(jìn)行同步注漿；空推結(jié)束后檢查管片背后回填質(zhì)量。盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道示意如圖2所示，工藝流程見圖3所示。

圖2 盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道示意(單位:mm)

圖3 盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道工藝流程

3.2 測(cè)量準(zhǔn)備

(1)貫通里程復(fù)測(cè)

礦山法隧道施工完成后，在盾構(gòu)進(jìn)入空推段前需對(duì)礦山法隧道端頭里程進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)所用控制點(diǎn)需從地面業(yè)主所移交平面控制點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)引至井下進(jìn)行復(fù)測(cè)，為盾構(gòu)貫通前到達(dá)段的掘進(jìn)提供依據(jù)。

(2)礦山法段隧道凈空測(cè)量

礦山法隧道初支施工完成后設(shè)計(jì)內(nèi)徑為豎向6 500 mm、橫向6 400 mm，盾構(gòu)機(jī)外徑為6 250 mm，盾構(gòu)貫通后，盾構(gòu)機(jī)與礦山法段初支環(huán)形最小間隙75 mm，為了盾構(gòu)機(jī)順利空推過(guò)礦山法段，需要對(duì)礦山法隧道斷面凈空進(jìn)行復(fù)測(cè)，斷面間隔原則5 m布置一組(與周圍結(jié)構(gòu)明顯凹凸不平處加測(cè)一組)，每組布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，上下左右各1個(gè)、左上右上各1個(gè)、左下右下各1個(gè)，以檢查欠挖尺寸，及時(shí)處理，保證礦山法隧道的圓順。

(3)導(dǎo)臺(tái)(導(dǎo)向平臺(tái))復(fù)測(cè)

導(dǎo)臺(tái)是盾構(gòu)空推時(shí)的下部支撐，它的施工精度決定著盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。它的設(shè)計(jì)半徑為3 150 mm，盾構(gòu)機(jī)盾體半徑為3 125 mm，復(fù)測(cè)主要檢查導(dǎo)臺(tái)底部標(biāo)高、導(dǎo)臺(tái)兩端標(biāo)高、導(dǎo)臺(tái)的弧長(zhǎng)及弦長(zhǎng)，以檢查導(dǎo)臺(tái)是否圓順。導(dǎo)臺(tái)的標(biāo)高精度控制在0～＋15 mm。

3.3 盾構(gòu)法與礦山法隧道接口防措臺(tái)處理技術(shù)

(1)導(dǎo)臺(tái)施作。導(dǎo)臺(tái)設(shè)計(jì)半徑為3 150 mm，采用150 mm厚的C30鋼筋混凝土，在隧底60°范圍施作。由于在空推掘進(jìn)前需轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，為防止已施工的導(dǎo)臺(tái)對(duì)盾構(gòu)刀盤正常轉(zhuǎn)動(dòng)有較大影響，距離掌子面1.2 m距離不施作混凝土導(dǎo)臺(tái)。

(2)在礦山法隧道開挖至端頭位置時(shí)，先采用50 cm厚C25混凝土G20@150雙排玻璃纖維筋臨時(shí)封閉掌子面，然后施作回填[9]。隧道采用C15素砼回填，回填范圍沿隧道縱向11 m范圍充填整個(gè)橫斷面(見圖4)。盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)，使用刀盤開挖素混凝土并組裝管片，通過(guò)這樣技術(shù)措施來(lái)確保接口質(zhì)量。

圖4 盾構(gòu)空推段礦山法端頭封堵示意(單位:cm)

(3)待管片脫出盾尾6環(huán)后，通過(guò)管片吊裝孔進(jìn)行雙液二次注漿止水。

3.4 盾構(gòu)空推過(guò)隧技術(shù)

3.4.1 豆石的堆放

盾構(gòu)機(jī)礦山法隧道空推掘進(jìn)時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)前方阻力很小，需對(duì)盾體及管片周圍噴射豆石，以便增大摩擦阻力，增加推力，擠緊管片止水膠條。豆石選擇直徑5～10 mm的花崗巖，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入礦山法隧道前需提前備料，具體備料方量為需填充空隙的80%。豆石從礦山法隧道豎井用溜槽下放到井下，井下采用4 m3自卸翻斗車進(jìn)行水平運(yùn)輸，均勻鋪到導(dǎo)臺(tái)上。在礦山法隧道內(nèi)刀盤前方堆放二分之一刀盤高度的豆石，以空推過(guò)程中增加盾構(gòu)機(jī)的反力，保證管片拼裝質(zhì)量。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，豆石在刀盤推力的作用下自動(dòng)擠壓填充底部及兩側(cè)空隙，剩余空隙靠后續(xù)同步注漿、二次注漿及刀盤前方噴射豆石來(lái)密實(shí)。

3.4.2 盾構(gòu)空推參數(shù)控制

根據(jù)導(dǎo)臺(tái)與刀盤的關(guān)系，調(diào)整油缸行程，使盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)線路前行?？胀破陂g，盾構(gòu)前進(jìn)速度控制在15～40 mm/min之間；上、下部油缸壓力有差別，上部的要略小于下部的。

3.4.3 安裝管片

與正常掘進(jìn)的工藝相同[10]，按下部、中部、上部的先后順序進(jìn)行。拖出盾尾的管片上部采用支頂由吊裝孔固定在隧道初支上，管片支頂絲牙與管片吊裝孔吻合，如圖5所示。

圖5 管片支頂作用示意

3.4.4 管片背后噴填豆石

為防止管片下沉、錯(cuò)臺(tái)，增加推進(jìn)盾構(gòu)的摩擦力，在管片脫離盾尾時(shí)，要噴射豆石對(duì)管片進(jìn)行支撐[11]。刀盤前采用3臺(tái)噴錨機(jī)噴豆石填料，噴錨機(jī)噴速為6～9 m3/h。刀盤 2、10、12點(diǎn)方向分別焊接直徑50 mm、長(zhǎng)度9～10 m的鋼管，噴錨機(jī)通過(guò)加長(zhǎng)鋼管噴嘴，從刀盤前面向盾構(gòu)吹填5～10 mm粒徑的豆石，壓力控制在0.25～0.3 MPa。豆石噴射過(guò)程中，為避免飛石傷人，非作業(yè)人員禁止進(jìn)入。

3.4.5 同步注漿

(1)注漿漿液

砂、水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土按一定比例制備，初凝5 h、終凝8 h。根據(jù)盾構(gòu)空推過(guò)程中漿液流動(dòng)情況，調(diào)整漿液的膠凝時(shí)間，適當(dāng)添加速凝劑。

(2)注漿工藝

注漿分兩步:第一步是在各環(huán)管片噴豆石回填時(shí)進(jìn)行。采用盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)，注漿流量、速度、壓力可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況隨時(shí)手動(dòng)調(diào)節(jié)[12]。第二步是利用管片上的注漿孔，在距離盾尾約20環(huán)的位置進(jìn)行注漿。漿液仍為水泥漿，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。注漿過(guò)程中，加強(qiáng)盾構(gòu)周圍的觀察，如果發(fā)現(xiàn)漿液泄漏，暫停注漿。

3.4.6 二次注漿

二次注漿的目的是填充管片后面的空腔，確保礦山隧道初支與管片之間填充密實(shí)。在盾構(gòu)空推過(guò)程中，二次注漿也分兩步。第一步，隧道內(nèi)每隔15環(huán)使用水泥－水玻璃雙液漿進(jìn)行二次注漿，形成一個(gè)止水環(huán)，以阻擋管片背后來(lái)水。第二步是用水泥漿對(duì)15環(huán)內(nèi)的隧道進(jìn)行二次注漿，以填補(bǔ)背后空隙。雙液注漿泵用于雙液注漿。水泥和水玻璃(40 Be)雙液漿，體積比1∶1，流量≤10 L/min，壓力 0.2 ～0.3 MPa。

3.4.7 檢查與修補(bǔ)

每隔4環(huán)管片(6 m)，開口檢查注漿效果；在盾構(gòu)空推作業(yè)完成后，也檢查管片間滲漏水情況；采用雙液注漿堵水修補(bǔ)。

3.5 三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)，與水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、測(cè)距儀、全站儀等傳統(tǒng)的單一測(cè)繪技術(shù)相比，該技術(shù)具有數(shù)字空間信息采集、高精度、高自動(dòng)化、全息性、大數(shù)據(jù)、速度快等特點(diǎn)。

利用三維激光掃描儀采集隧道空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，來(lái)判斷隧道超欠挖、監(jiān)測(cè)隧道變形。

用Leica ScanStation P40/P30三維激光掃描儀對(duì)空推段隧道進(jìn)行掃描，具體見圖6、圖7。

圖6 三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)

圖7 隧道輪廓點(diǎn)云圖像

通過(guò)提取掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)34個(gè)斷面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。隧道超挖量大，各斷面均有不同程度的超挖。此外，共有14個(gè)斷面欠挖，有的欠挖比例大于10%，最高欠挖比例達(dá)37%。由于欠挖值超過(guò)控制限值，阻礙了盾構(gòu)空推，必須對(duì)欠挖部位進(jìn)行鑿除處理。

3.6 空推段質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.6.1 監(jiān)測(cè)目的

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，可掌握同步注漿、二次注漿的注漿效果，管片背后噴填豆石效果以及管片支頂對(duì)管片上浮的作用，以利于修正施工參數(shù)，確保施工質(zhì)量。

3.6.2 監(jiān)測(cè)儀器及點(diǎn)位布置

(1)監(jiān)測(cè)儀器

本工程采用萊卡精密水準(zhǔn)儀＋測(cè)微器FS1(精度0.3 mm)和銦鋼尺對(duì)空推段管片姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

(2)點(diǎn)位布置

隧道沉降(上浮)測(cè)量時(shí)，觀測(cè)點(diǎn)的標(biāo)志設(shè)置在隧道拱頂和左右兩側(cè)，每環(huán)管片設(shè)置3個(gè)沉降(上浮)觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)穩(wěn)定的工作點(diǎn)來(lái)測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)的沉降(上浮)，而工作點(diǎn)再應(yīng)用水準(zhǔn)基點(diǎn)來(lái)做檢測(cè)。

3.6.3 監(jiān)測(cè)頻率

當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面與掘進(jìn)面的距離小于20 m時(shí)，每天測(cè)量一次；當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面與掘進(jìn)面的距離大于20 m且小于50 m時(shí)，每?jī)商鞙y(cè)量一次；當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面與掘進(jìn)面的距離大于50 m時(shí)，每周測(cè)量一次。

管片姿態(tài)水平方向和垂直方向的控制值均為50 mm。當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)控制值時(shí)，除了繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、觀察、檢查和處理外，應(yīng)根據(jù)預(yù)警狀態(tài)的特點(diǎn)進(jìn)一步完善針對(duì)該方案的預(yù)警方案，同時(shí)根據(jù)工地現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議及專項(xiàng)會(huì)議要求執(zhí)行。

3.6.4 左線空推段監(jiān)測(cè)結(jié)果

(1)管片水平偏移量

左線空推段管片水平偏移量監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖8a。左線空推段從672環(huán)到788環(huán)，共117環(huán)。其中，有59環(huán)管片向右偏移，最大偏移量為115.65 mm；58環(huán)管片向左偏移，最大偏移量為113.06 mm。

(2)管片垂直偏移量

左線空推段管片垂直偏移量監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖8b。左線空推段從672環(huán)到788環(huán)，共117環(huán)。其中，有2環(huán)管片上浮，最大上浮量為5.69 mm；115環(huán)管片下沉，最大下沉量為206.29 mm。

圖8 左線空推段管片水平、垂直偏移量

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示:水平方向上，空推段管片主要向右偏移；垂直方向上，管片主要表現(xiàn)為下沉，部分管片上浮。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，本項(xiàng)目的盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道已順利實(shí)施完成，效果良好，實(shí)踐表明:

(1)采用50 cm厚C25混凝土G20@150雙排玻璃纖維筋臨時(shí)封閉掌子面，回填施作11 m長(zhǎng)C15素混凝土，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)，使用刀盤開挖素混凝土并組裝管片，這種方式防止盾構(gòu)與礦山法隧道接口處管片錯(cuò)臺(tái)。

(2)盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道時(shí)，需要嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度在15～40 mm/min之間，同時(shí)加強(qiáng)同步注漿和二次注漿。

(3)當(dāng)管片脫離盾尾時(shí)，管片由噴射豆石支撐，增加了盾構(gòu)前移摩擦力，防止了管片下沉和錯(cuò)臺(tái)。

(4)為防止空推時(shí)管片上浮或下沉，待管片拼裝完成后，在管片吊裝孔處安裝支頂。

(5)針對(duì)礦山法隧道初支斷面欠挖易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)空推困難這一難題，采用三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)，快速確定了欠挖部分需二次開挖鑿除的隧道斷面部分，節(jié)約了本次空推過(guò)隧作業(yè)時(shí)間。