盾構(gòu)法隧道硬巖段礦山法開挖管片襯砌施工工法

-標準化文件發(fā)布號：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII-標準化文件發(fā)布號：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII盾構(gòu)法隧道硬巖段礦山法開挖管片襯砌施工工法盾構(gòu)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、前言隨著城市軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)法施工技術(shù)在上海、廣州、深圳、北京、南京等城市地鐵建設中得到廣泛應用。目前國內(nèi)使用的復合式土壓平衡盾構(gòu)對于軟土及巖石單軸抗壓強度小于80Mpa的硬巖地層施工是完全適應的，但是對于長度超過100米、巖石單軸抗壓強度超過100Mpa的地層，在國內(nèi)用盾構(gòu)法施工還沒有先例，在國外也沒有這方面的成功經(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(gòu)工程，其中左右線隧道共有巖石單軸抗壓強度達118Mpa的硬巖地層，存在較大的施工難度。為減少施工風險，拓展土壓平衡盾構(gòu)在較長距離與硬巖地層中的施工配套技術(shù)，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(gòu)空載推進拼裝管片通過、管片背后吹米石與注漿結(jié)合的新工藝，并取得了圓滿成功。在此基礎上，總結(jié)形成本工法。二、工法特點1、將鉆爆法施工與盾構(gòu)法施工相結(jié)合，局部硬巖地段用鉆爆法開挖支護、盾構(gòu)法襯砌，極大地拓展了盾構(gòu)法施工的適用范圍。2、避免了盾構(gòu)法在巖層太硬、距離偏長的地層中施工對設備的損壞和對盾構(gòu)法應用的限制。3、施工速度快、工期效應明顯。盾構(gòu)拼裝管片通過硬巖段可以達到平均每天11米的施工進度，其綜合進度比盾構(gòu)法在一般軟巖地段的進度還快。4、避免了盾構(gòu)在巖層段掘進時的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，在只要采取相應方法和措施滿足城市環(huán)境條件即可推廣使用。三、適用范圍本工法適用于采用盾構(gòu)或雙護盾TBM施工的城市地鐵、鐵路、公路、水工隧道等地下工程中有較長距離硬巖地層的地段。四、施工工藝(一)工藝原理在盾構(gòu)到達硬巖地層前，利用鉆爆法開挖硬巖地層并進行必要的初期支護，隧道底部施作弧形鋼筋混凝土導向平臺。盾構(gòu)在導向平臺上空載推進、拼裝管片通過，管片背后與鉆爆法初期支護間的空隙利用吹米石與注漿結(jié)合的方式充填密實。達到全隧道的凈空、結(jié)構(gòu)和防水設計一致。(二)施工流程施工工藝流程圖見圖1。(三)施工方法硬巖段鉆爆法施工視情況有先于盾構(gòu)法施工和后于盾構(gòu)法施工兩種情況，后者對工期和已施工的相鄰段隧道結(jié)構(gòu)安全影響很大，需采取相應有效措施。本文所述的內(nèi)容為前者。硬巖段鉆爆法開挖、盾構(gòu)法襯砌涉及不同的方法和較長的施工區(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一般設計為圓形（隧道結(jié)構(gòu)示意見圖3），采用新奧法原理設計、施工。根據(jù)盾構(gòu)通過的需要，將硬巖段鉆爆法施工段分為盾構(gòu)通過段和盾構(gòu)接收段。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(gòu)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(gòu)通過硬巖段………….盾構(gòu)空載推進盾尾同步注漿盾構(gòu)推進至導向平臺施工結(jié)束圖1施工工藝流程圖一般段盾構(gòu)法施工圖2硬巖段鉆爆法開挖、盾構(gòu)法襯砌縱斷面示意圖圖3硬巖隧道斷面結(jié)構(gòu)示意圖圖3硬巖隧道斷面結(jié)構(gòu)示意圖(1)盾構(gòu)通過段盾構(gòu)通過段隧道設計比盾構(gòu)外徑大120mm。該段采用光面爆破技術(shù)開挖、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護，具體支護參數(shù)根據(jù)圍巖條件和監(jiān)控量測結(jié)果進行調(diào)整。(2)盾構(gòu)接收段為了保證盾構(gòu)出洞時的空間，硬巖隧道靠近盾構(gòu)隧道處的3米隧道作為盾構(gòu)機接收段。盾構(gòu)接收段隧道凈空為6800mm。為便于盾構(gòu)到達后對盾構(gòu)進行底部處理，底部70°范圍內(nèi)的半徑加大到3700mm。(3)導向平臺施工為保證盾構(gòu)按設計姿態(tài)通過，隧道底部60°范圍內(nèi)設置半徑為3150mm厚度150mm的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(cè)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(gòu)推進時提供反力。2、盾構(gòu)到達段的掘進施工盾構(gòu)隧道與硬巖隧道貫通前25m為盾構(gòu)到達段，采用土壓平衡模式掘進。盾構(gòu)進入到達段時，逐步減小推力、降低推進速度，并加強出土量的監(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(zhuǎn)速進入盾構(gòu)接收段。掘進參數(shù)見表1、表2。隧道貫通前150～200m，對盾構(gòu)隧道和硬巖隧道洞內(nèi)所有測量控制點進行一次整體的、系統(tǒng)的復測和聯(lián)測，對所有控制點的坐標進行精密、準確的平差計算。貫通前100m、50m時分別人工復測盾構(gòu)姿態(tài)，及時糾正偏差，確保盾構(gòu)順利進入接收段。盾構(gòu)在到達段掘進過程中，派專人負責觀察硬巖隧道段的巖面變化情況。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，立即通知盾構(gòu)主司機調(diào)整掘進參數(shù)，防止推力過大，造成刀盤前部圍巖的大面積坍塌。表1盾構(gòu)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～隧道貫通前25m2刀盤轉(zhuǎn)速～min3推力≤800T4推進速度≤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(zhuǎn)速～min3推力≤600T4推進速度≤10mm/min3、盾構(gòu)進入接收段后的工作盾構(gòu)進入接收段后，主要有以下三方面的工作：(1)刀盤前方碴土清理隧道貫通時的碴土無法用盾構(gòu)出碴系統(tǒng)出碴，只能人工清理。清理后的碴土利用硬巖隧道施工的運輸車輛從豎井運出洞外。(2)導向平臺的順接碴土清理完成后，用C30早強混凝土將盾構(gòu)前體下部至硬巖隧道段已施工的導向平臺進行順接，確保盾構(gòu)順利過渡到導向平臺。(3)安設提供反力的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(gòu)的土倉隔板間安設液壓千斤頂，為盾構(gòu)步進提供反力。此外，也可采用在刀盤前方堆碴，為盾構(gòu)推進提供足夠的反力。4、盾構(gòu)步進、拼裝管片通過硬巖隧道段盾構(gòu)推進前，將噴射機、米石等材料機具通過硬巖隧道段的施工豎井運至刀盤前方。(1)盾構(gòu)步進根據(jù)刀盤與導向平臺之間的關(guān)系，調(diào)整各組推進油缸的行程，使盾構(gòu)姿態(tài)沿設計線路方向推進。前期施工時推進速度一般控制在15～40mm/min之間，工藝熟練后推進速度可達到60～85mm/min，總推力在300t左右，下部油缸壓力略大于上部油缸壓力。盾構(gòu)步進時，派專人在盾構(gòu)前方檢查、監(jiān)測盾構(gòu)步進情況，主要檢查硬巖隧道的開挖是否有侵入盾構(gòu)刀盤輪廓的巖石存在、盾構(gòu)前體下部與導臺的結(jié)合情況、米石回填是否密實等。盾構(gòu)步進時，刀盤前方的監(jiān)測人員與盾構(gòu)主司機要緊密配合，使盾構(gòu)沿導臺的中心進行前移，保證盾構(gòu)前移時管片受力均勻。根據(jù)該段曲線半徑（R＝1800米），計算出盾構(gòu)每推進一環(huán)所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角與鉸接油缸行程差和推進油缸行程差。經(jīng)計算，每推進一環(huán)的管片所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角α＝°，油缸產(chǎn)生的行程差為4mm。在盾構(gòu)推進前復核硬巖隧道與盾構(gòu)軸線誤差，根據(jù)誤差調(diào)整鉸接油缸、推進油缸的行程差，保證盾構(gòu)的盾殼與硬巖隧道間的間隙，確保盾構(gòu)按隧道設計軸線進行推進。(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的間隙，確保管片拼裝符合設計要求。管片拼裝工藝與正常掘進時的工藝相同。管片選型時，根據(jù)盾尾間隙與油缸行程差，結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)選擇合適的管片。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，推進油缸的壓力設定為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、補充注漿等組成。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，并增加盾構(gòu)向前推進的摩擦力。利用盾構(gòu)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。根據(jù)注漿后的檢查結(jié)果，從管片注漿孔補充注漿固結(jié)管片。(1)噴射米石回填在管片拼裝的同時進行米石噴射回填工作，噴射米石分兩步進行：第一步，每隔在盾構(gòu)機的切口四周用袋裝砂石料圍成一個圍堰，圍堰范圍不小于60°～300°，以防管片背后的米石、砂漿前竄。從刀盤前方向盾構(gòu)后方吹入粒徑5～10mm的米石骨料，噴射壓力為～。第二步，在管片拼裝完成并脫出盾尾后，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。充填標準：考慮暗挖隧道平均超挖15cm，管片與暗挖隧道的孔隙，噴射米石填充孔隙的60～70%，則每環(huán)管片需噴射米石約～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，施工時根據(jù)盾構(gòu)推進過程中漿液的流動情況，適當調(diào)整漿液膠凝時間。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(gòu)步進同步。注漿通過盾構(gòu)自身配備的同步注漿系統(tǒng)，采用手動控制方式，由人工根據(jù)現(xiàn)場情況隨時調(diào)整注漿流量、速度、壓力。注漿壓力：為保證對管片背后空隙的有效填充，同時防止砂漿前竄至刀盤前方，注漿壓力取值為～。注漿結(jié)束標準：同步注漿時盾殼外圍是敞開的，壓力變化不大，不以壓力作為注漿結(jié)束的控制標準。當注漿量達到理論注漿量的80%以上（考慮漿液向刀盤前方的流動，每環(huán)同步注漿量一般取6m3）時，即可結(jié)束注漿。在注漿過程中，加強對盾構(gòu)四周以及盾殼外部的圍堰變形觀測，發(fā)現(xiàn)有漿液外泄，應暫時停止注漿。③注漿效果檢查在盾構(gòu)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。根據(jù)檢查效果，決定是否進行補充注漿。(3)補充注漿①第一次補充注漿第一次補充注漿的目的是填充管片背后尤其是頂部的空洞，確保管片與硬巖隧道初期支護間的密實度。盾構(gòu)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，利用砂漿運輸罐車從管片上部30°或330°位置的注漿孔進行注漿。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：。注漿壓力取值為～。注漿結(jié)束標準采用注漿壓力單指標控制。②第二次補充注漿在盾構(gòu)通過硬巖隧道后，根據(jù)管片間滲漏水情況，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～，注漿流量不大于10L/min。注漿結(jié)束標準采用注漿壓力單指標控制。6、監(jiān)控量測監(jiān)控量測伴隨隧道施工全過程，根據(jù)量測數(shù)據(jù)調(diào)整施工工藝及工法，確保施工及地表建筑物的安全。在硬巖隧道鉆爆法施工時，主要進行地表沉降、隧道拱頂下沉及水平收斂的監(jiān)測。盾構(gòu)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～，對結(jié)構(gòu)影響小，監(jiān)測以管片拼裝后的姿態(tài)測量為主，確保隧道的成洞質(zhì)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(gòu)EPB6280mm1臺推進并拼裝管片2同步注漿泵SWINGKSP122臺管片背后同步注漿3編組列車機車35T2列運輸管片及砂漿4砂漿攪拌站TS-500(20m3/h)1座生產(chǎn)同步注漿用砂漿5水平運輸車輛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/1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(gòu)通過硬巖隧道段施工（包括盾構(gòu)空載推進、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(gòu)機過硬巖隧道時的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(gòu)主司機1盾構(gòu)機操作3值班土木工程師1現(xiàn)場技術(shù)指導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、砂漿及其他材料運輸9攪拌站3拌制同步注漿用砂漿10門吊司機1吊放管片及其他材料11噴射機司機1噴射機操作12水平運輸車司機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(gòu)機維保618安全員1刀盤前方安全巡查合計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，分一個作業(yè)班共計12人，其勞動組織見表5。表5補充注漿時的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(shù)指導3機修工1機械維修及管路清洗4運料工3水泥、水玻璃等材料運輸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(zhì)量控制1、成立以項目總工任組長，盾構(gòu)主司機、值班土木工程師、測量工程師、試驗工程師、掘進班班長、注漿司機為組員的技術(shù)小組，負責施工方案的制定并提供技術(shù)指導。2、施工前對盾構(gòu)步進、噴射米石、同步注漿等關(guān)鍵工序作業(yè)進行培訓和技術(shù)交底，由值班土木工程師跟班進行指導、監(jiān)控。3、由專職質(zhì)量工程師負責各工序質(zhì)量的檢驗及施工過程的控制，嚴格工序交接班制度，嚴禁不合格工序進入下一施工流程。4、具體的質(zhì)量控制措施(1)管片防水為保證管片的防水效果，施工中采取以下措施：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造成已安裝的管片松動。②在盾構(gòu)機步進前方，利用導向平臺上的預埋鋼板焊接牛腿，安設兩個80t的千斤頂提供反力；或者直接在刀盤前方堆碴提供盾構(gòu)機步進所需的反力。③安裝管片時，在該環(huán)管片的螺栓緊固完畢后，對上一環(huán)管片的螺栓進行二次緊固，以保證管片的塊與塊之間、環(huán)與環(huán)之間的緊密連接。(2)管片錯臺盾構(gòu)在導向平臺上向前推進時，盾構(gòu)的前體、中體以及盾尾的盾殼與導向臺是緊密接觸的，不會產(chǎn)生大的錯臺。但仍需采取以下措施：①每3～5環(huán)對管片姿態(tài)進行人工測量，根據(jù)測量結(jié)果結(jié)合盾尾間隙進行管片的選型。②加強管片背后噴射米石及注漿回填效果的檢查，確保管片與硬巖隧道初期支護間空隙的充填密實度，保證管片下部有足夠的支撐力。(3)盾構(gòu)姿態(tài)控制由于盾構(gòu)主機的體積大（長，刀盤直徑達）、質(zhì)量重（重達300T），姿態(tài)調(diào)整比較困難。在通過硬巖隧道時采取以下措施進行盾構(gòu)姿態(tài)的控制：①積極采取措施，確保導向臺施工精度導向臺是盾構(gòu)通過硬巖隧道時的下部支撐，其施工精度直接決定著盾構(gòu)的姿態(tài)。導向臺施工前從地面通過豎井進行精確的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)的坐標、方向和高程傳遞到洞內(nèi)。導向平臺施工模板定位后必須進行測量復核，混凝土澆注后再進行標高的復測，確保導臺的施工精度在0～＋15mm以內(nèi)。②調(diào)整好隧道貫通時盾構(gòu)的姿態(tài)盾構(gòu)從盾構(gòu)隧道進入硬巖隧道前，及時調(diào)整盾構(gòu)的出洞姿態(tài)，確保盾構(gòu)出洞時的旋轉(zhuǎn)值Roll小于±3mm/m。盾構(gòu)在導向平臺上步進時，調(diào)整盾構(gòu)的旋轉(zhuǎn)值Roll小于±5mm/m。③做好管片的選型及安裝，確保隧道成洞質(zhì)量由有經(jīng)驗的土木工程師24小時現(xiàn)場值班，綜合盾構(gòu)機的姿態(tài)、盾尾間隙、油缸行程以及盾構(gòu)的步進情況等因素，合理選擇管片的安裝類型，使盾構(gòu)的姿態(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)，確保管片受到的油缸推力較平均，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、安全措施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)行相關(guān)設備的安全操作規(guī)程。2、加強硬巖隧道段（包括豎井段）的通風和照明工作，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，確保人員和設備安全。3、隧道貫通后，及時對暴露的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查，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(gòu)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)人員必須佩戴好安全防護品，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，避免米石突然噴出造成人員傷害或和設備儀表損壞。6、加強垂直運輸及洞內(nèi)水平運輸系統(tǒng)的控制，防止高空物體墜落及車輛傷害事故的發(fā)生。7、加強洞內(nèi)用電控制，確保施工安全。九、效益分析（一）社會效益本工法將鉆爆法施工與盾構(gòu)法施工相結(jié)合，避免了盾構(gòu)法在巖層太硬、距離偏長的地層中施工對設備的損壞和對盾構(gòu)法應用的限制，使盾構(gòu)或雙護盾TBM施工的城市地鐵、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(gòu)在長距離硬巖地層中掘進的施工風險，極大地方便了城市與交通等方面的建設規(guī)劃，并能保證工程和周圍環(huán)境的安全。在采取相應方法和措施滿足城市環(huán)境條件條件的情況下，可得到應有的推廣使用，有較大的社會效益。（二）經(jīng)濟效益1、施工速度快、工期效應明顯。盾構(gòu)拼裝管片通過硬巖段可以達到平均每天11米的施工進度，其綜合進度比盾構(gòu)法在一般較硬巖層地段的進度還快，每延米隧道至少節(jié)省小時。因此，硬巖隧道越長，工期提前的規(guī)模效應越明顯。2、避免了盾構(gòu)在巖層段掘進時的刀具磨損及意外破壞。相比之下有較大成