盾構(gòu)空推拼裝管片過礦山法隧道施工工法

盾構(gòu)空推拼裝管片過礦山法隧道施工工法

中鐵二十局集團莞惠城際GZH-6標項目經(jīng)理部程義政1前沿目前我國城市地鐵及城際軌道交通工程迅猛發(fā)展，城市地下隧道施工多采用盾構(gòu)法及暗挖法進行施工，而盾構(gòu)法施工以其對地層適應性強、安全性高、施工速度快等特點逐步取代傳統(tǒng)暗挖法。而城市內(nèi)地面環(huán)境復雜，建、構(gòu)筑物覆蓋率較高，且地質(zhì)條件復雜，洞身地質(zhì)以上軟下硬及硬巖地層居多，在建項目盾構(gòu)區(qū)間單向掘進長度普遍超過3km，而在長距離掘進導致盾構(gòu)機維修保養(yǎng)、不良地質(zhì)條件下?lián)Q刀耗費時間、控制地面沉降進行加固等因素影響下，長大隧道貫通工期容易受到影響，在盾構(gòu)施工工作面局限性受制情況下，采取礦山法接應、盾構(gòu)機空推的方案措施優(yōu)化工期是獨特、科學、成熟的新型工法之一。如何做好盾構(gòu)機空推過礦山法隧道施工工法顯得尤為重要。以莞惠城際軌道交通項目為例，莞惠線正線全長99.841km，其中隧道總長度為54.428km，占線路總長度54.51%，隧道主要下穿東莞市市區(qū)及東莞市部分城鎮(zhèn)。該線路盾構(gòu)標段中GZH-2標左線區(qū)間3290m、右線區(qū)間3260m；GZH-3標左線區(qū)間2563m、右線區(qū)間2475m（新增兩臺盾構(gòu)機后左右線均分別劃分為兩個區(qū)間）；GZH-6標1#盾構(gòu)區(qū)間1453+1461m、2#盾構(gòu)區(qū)間2925m；GZH-6B標盾構(gòu)區(qū)間2932m。由于上述盾構(gòu)標段均下穿城市、鎮(zhèn)密集型居民廠房區(qū)，且地質(zhì)條件極為復雜，嚴重影響盾構(gòu)掘進進度，與盾構(gòu)上場初期預估進度指標相差甚遠，均采取不同措施優(yōu)化工期。在莞惠6標段采取盾構(gòu)空推拼管片過礦山隧道試驗性成功后，3、6B標段相繼采取該方案進行工期優(yōu)化。視盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)條件，在盾構(gòu)機繼續(xù)向前掘進的同時，從盾構(gòu)機吊出井處向盾構(gòu)機方向進行礦山法開挖及初期支護，待盾構(gòu)機掘進至盾構(gòu)及礦山法交接面后，再進行盾構(gòu)機空推拼裝管片通過已施工礦山法段，直至盾構(gòu)區(qū)間全部貫通。本文主要通過已實施的成功案例，總結(jié)相關(guān)施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上形成本工法。2工法特點2.1目前在建項目長大盾構(gòu)隧道施工時，容易出現(xiàn)工期緊張、盾構(gòu)機難以適應當前地質(zhì)、盾構(gòu)機出現(xiàn)嚴重故障且地面無法增加吊出井或需施工導洞處理刀盤前方孤石等情況，本工法可作為增加工作面的方案之一。2.2盾構(gòu)機在已施工礦山法段穩(wěn)定拼裝管片，不受地面及地質(zhì)條件影響，可有效大幅提高施工進度的目的。3適用范圍本工法尤其適用于地質(zhì)條件復雜需進行工期優(yōu)化或接應盾構(gòu)機的長大盾構(gòu)隧道中，為確保安全，礦山法施工初支主要適用于洞身為堅硬巖地質(zhì)的隧道中。4工藝原理根據(jù)盾構(gòu)剩余段長度分別劃分盾構(gòu)、礦山法施工長度，盾構(gòu)機繼續(xù)向前掘進的同時，從吊出井處向盾構(gòu)機方向進行相向礦山法開挖，開挖斷面大于盾構(gòu)機刀盤,加強初期支護措施，根據(jù)任務劃分完成礦山法開挖后，封堵接頭端墻，礦山法段施工盾構(gòu)掘進導臺。盾構(gòu)機到達端墻、步入導臺后，進行空推拼裝管片過礦山法隧道，同時進行背后回填及注漿，直至盾構(gòu)機到達吊出井。盾構(gòu)機開挖直徑8.83m，盾構(gòu)管片外徑8.5m，管片厚度400mm，礦山法開挖斷面9.78*9.54m，隧道初期支護參數(shù)如下表4-1：表4-1礦山法開挖初期支護參數(shù)表5施工工藝流程及操作要點5.1工藝流程盾構(gòu)空推拼管片過礦山法隧道施工工藝流程如圖5.1：圖5.1施工工藝流程圖5.2操作要點5.2.1測量復核礦山法開挖前及盾構(gòu)掘進剩余50m時需反復進行中線復核，確保盾構(gòu)順利貫通，減少盾構(gòu)隧道與礦山法隧道貫通誤差，減少盾構(gòu)機步入礦山法隧道時的糾偏量。導臺起點從端頭墻開始,一直至吊出井內(nèi),在端頭墻位置做10‰的坡度以便于盾構(gòu)機順利爬上導臺。因盾構(gòu)機中盾與尾盾之間是焊縫連接拆機時必須刨開焊縫，所以在吊出井內(nèi)的導臺需改變斷面形式（亦可使用接受架），中心段之間預留1m長的缺口,使盾構(gòu)機中尾盾在缺口處順利刨開。同時在井內(nèi)導臺兩側(cè)1000mm的操作臺上預埋400mm×200mm×20㎜厚的鋼板以便于盾構(gòu)機拆除，如下圖：在施工礦山法段時要特別控制好隧道的中線，導臺標高、弧度和導臺的中心線，保證施工的精度。由于盾構(gòu)機刀盤外徑比盾體外徑大,在盾構(gòu)機從端頭墻端進入導臺前,卸掉刀盤與導臺面接觸的邊緣滾刀及周邊刮刀,避免盾構(gòu)機在導臺上前進時刀具將導臺混凝土刮起,破壞導臺。5.2.4盾構(gòu)掘進在到達段(實推最后15環(huán))盾構(gòu)掘進采用敞開式模式進行掘進。其掘進施工參數(shù)見表5-1。在貫通前的最后3環(huán)，需要減小推力、降低推進速度。其掘進施工參數(shù)見表5-2。管片注漿及防止?jié){液前竄，每環(huán)按照設計方量進行同步注漿，同時提高管片抗浮能力，在掘進拼裝完成倒數(shù)第三環(huán)后，停止掘進，在倒數(shù)第10至倒數(shù)第6環(huán)進行二次雙液注漿，確保連續(xù)5環(huán)全斷面注滿。為確保隧道貫通后的管片接縫防水要求，在到達礦山與盾構(gòu)分界里程后開始，安裝每一片管片時，首先人工對每片管片連接螺栓進行初步緊固;待安裝完一環(huán)后，用風動扳手對螺栓進行進一步的緊固;待管片出盾尾之后，重新用風動扳手進行緊固。5.2.5盾構(gòu)空推段施工當盾構(gòu)機進入導臺后，啟動盾構(gòu)機往前掘進，然后開始進行管片拼裝、管片背襯回填工作。5.2.5.1空推段管片拼裝盾構(gòu)機在導臺上前行，每前行1.6米安裝一環(huán)管片。再管片拼裝過程中要在盾構(gòu)機前方提供反力，以確保管片安裝的質(zhì)量要求，增強管片的防水效果。反力由堆放在刀盤前方的砂土混合物堆提供，原設計采用噴射豆礫石，考慮到豆礫石透水性較強，盾構(gòu)機前方為空，抵制不住漿液流失，根據(jù)施工經(jīng)驗，采用一定級配的砂土進行堆放，既有利于盾構(gòu)機推進時砂土兩邊散落，又可減少滲透性，進而減少漿液流失。考慮到初襯和管片外部的填充量為11m3/m，管片拼裝所需的反力為180T，所以在刀盤前方堆積的混合料高度為4m（約刀盤1/2高度），長為4～5m。（機制砂選用粒徑為3.7～4.5mm，堆積密度大于1350㎏/m3）。盾構(gòu)機前方安排2-3人專人負責整理堆土至盾構(gòu)后。管片拼裝工藝與正常掘進時的工藝相同，管片要根據(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。在管片安裝時，先人工將每片管片連接螺栓進行初步緊固;待安裝完一環(huán)后，用風動扳手對螺栓進行進一步的緊固，待管片出盾尾之后，重新用風動扳手進行緊固。在管片拼裝最后10環(huán)時，在隧道內(nèi)已拼裝好的兩側(cè)用18cm的槽鋼將相鄰的兩環(huán)管片連接在一起，防止盾構(gòu)機在前行時反力變小，管片止水膠圈壓不密實，出現(xiàn)滲漏等質(zhì)量問題。盾構(gòu)掘進模式采用空壓模式，掘進推力控制在800T以內(nèi)（經(jīng)驗算在正常掘進時盾體的摩擦力與后配套牽引力之和大約為800T），盾構(gòu)掘進過程中如果掌子面上有較大的水在涌入隧道，為防止管片上浮，待管片拖出盾尾后及時在頂部將管片進行固定，管片固定采用從吊裝頭上安裝螺桿進行固定，隔2環(huán)固定1環(huán)。5.2.5.2管片背部回填與注漿管片拼裝完成后，要及時進行管片外徑與初襯間的回填工作，用噴射的砂土混合物在管片脫離盾尾時進行管片支撐，以防管片下沉產(chǎn)生錯臺。管片背部回填是在刀盤前方，將500mm的導管從盾構(gòu)機盾殼外伸入到當盾構(gòu)機中盾或者盾尾進行，在回填時盾構(gòu)機停止前行，使用噴射機自刀盤前方向盾體后方吹人有一定級配的砂土混合料，同時安排3～4人用鐵鍬在前盾兩側(cè)進行填充。盾構(gòu)每前行0.5m～0.8m時噴射一次，以確保管片背部充分密實。在推進的同時離盾尾3～5環(huán)后進行同步雙液注漿。利用兩臺注漿系統(tǒng)同時在已成環(huán)管片兩側(cè)（通常指3、9點位置）進行水泥漿-水玻璃注漿作業(yè)。水泥漿和水玻璃以4∶1的比例混合同時進入，所用雙液漿必須在現(xiàn)場做調(diào)配試驗凝固時間為20s，以期達到快速凝固，使管片與初支緊密連接，以提高支護效果。由于管片回填注漿時盾構(gòu)機前方敞開，管片注漿效果可能不理想，必須對管片進行補充注漿。在已拼裝成環(huán)管片10～15環(huán)的頂部間隔一環(huán)打開管片注漿孔進行二次注漿，二次注漿漿液采用水泥砂漿，配合比：水泥：砂子：膨潤土：粉煤灰：水為90:670:100:450:400，砂漿稠度控制在10～11左右，為了保證達到對環(huán)向空隙的有效填充，同時又能確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形和損壞，注漿壓力取值為0.1～0.2MPa?？胀贫尉蜻M完成的最后階段盾尾即將到達洞門20～30cm時停止掘進，對洞門與盾尾的間隙進行濕噴封閉，然后用同步注漿設備進行注漿，確?？胀贫嗡泄芷澈笕刻畛滹枬M，同時對所有管片螺栓進行再次復緊。5.2.6漿液配比常規(guī)采用42.5普通硅酸鹽水泥漿水灰比為0.8:1~1:1（具體可根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況調(diào)整），漿液調(diào)配時增加5%~15%的水玻璃，以減小注漿后的收縮性，避免二次沉降。攪拌3~5分鐘，即可放漿，先采用水泥稀漿開灌，隨著壓漿的進行，漿液逐漸加濃。6人員與設備6.1本工法每班作業(yè)人員配備表如下表6.1：表6.1人員分工表6.2本工法每班主要增加機械設備配備表如下表6.2：表6.2主要增加機械設備配備表7質(zhì)量控制7.1管片與隧道初支間空隙較大且不均勻，易導致管片上浮。在盾構(gòu)機過空推段為了防止管片上浮每隔2環(huán)采用特制支撐螺桿（如圖4所示）對管片注漿孔進行支撐加固，加固注漿孔位置的選擇為成環(huán)管片3點、9點鐘以上的位置。加強管片姿態(tài)監(jiān)控，測量班每6環(huán)對管片進行一次姿態(tài)測量，如發(fā)現(xiàn)管片有上浮和下沉趨勢應及時調(diào)整施工參數(shù)，盾構(gòu)注漿手也應根據(jù)測量數(shù)據(jù)適當調(diào)整注漿量。為防止管片在盾構(gòu)掘進后產(chǎn)生上浮，在施工過程中，管片背襯注漿只從管片大跨上部進行壓注，注漿壓力不大于2bar，并保證管片兩側(cè)同步注漿，避免因注漿而對管片產(chǎn)生偏壓，造成管片移位。如發(fā)現(xiàn)管片在后續(xù)過程中受水壓上浮，及時對管片下部注漿口開孔放水，同時在管片肩部以上進行注雙液漿。做好管片背后的排水和注漿。7.2盾構(gòu)前方敞開，易導致漿液在前方流失。盾構(gòu)掘進時提高背襯同步雙液注漿，同時通過試驗調(diào)整配合比，確保初凝時間在20s以內(nèi)，保證管片下部有足夠的抗力。在必要時，縮短回填注漿工作面與管片安裝工作面的距離，甚至在盾尾外側(cè)直接進行回填注漿?？胀贫蔚亩烟盍蠝p少透水性，不能遇水膨脹，采用成分良好有一定級配的砂土混合物。7.3盾構(gòu)姿態(tài)控制，防止管片受力不均，易導致管片破損。盾構(gòu)姿態(tài)糾偏應緩慢進行，以每環(huán)不超過10mm的糾偏量為宜。同時確保45mm以上的盾尾間隙以防止盾殼作用力于管片。在盾構(gòu)機過空推段往往由于反力不夠容易造成管片螺栓不能完全復緊，在拼完每環(huán)管片后應及時對后面3環(huán)管片螺栓進行復緊，在每次交班前對所有以拼裝管片復緊，空推結(jié)束后對所有管片螺栓復緊。調(diào)整好盾構(gòu)機從實推段到空推段進洞姿態(tài)，確保盾構(gòu)機進出洞時的旋轉(zhuǎn)值Roll＜±3mm/m。導臺的施工精度在±10mm以內(nèi)。空推過程中，控制盾構(gòu)機姿態(tài)水平和垂直偏差都在±50mm，管片拼裝后加強管片姿態(tài)監(jiān)測頻率。要控制好推力，掘進速度不能過快，要控制好盾構(gòu)機姿態(tài)，要嚴密監(jiān)測管片姿態(tài)，防止管片大面積錯臺、上浮或下沉。7.4空推止水措施盾構(gòu)即將到達端頭墻時防止將端頭墻推塌;盾尾進入導臺3～5環(huán)后要對到達端頭進行全斷面止水注漿，防止地下水大量涌入空推段造成施工不必要的麻煩。7.5盾構(gòu)前進反力不足，易導致管片接縫滲漏因盾構(gòu)機前方堆土與正常掘進不同，盾構(gòu)前進所受阻力所提供的反力遠小于管片止水膠條所需的擠壓力。從而易產(chǎn)生因反力不足而導致管片止水膠條擠壓不實，影響管片止水條的防水性能造成管片接縫滲漏。為防止出現(xiàn)該現(xiàn)象，初應做好前方堆土外，應反復檢查管片螺栓松緊程度，及時進行螺栓復緊，隨即立即進行雙液漿固定管片，使用槽鋼焊接在拼裝螺栓上，減少脫離盾尾后松動。8安全控制8.1礦山法施工嚴格按專項方案進行安全管理，開工前對專業(yè)班組進行安全教育及安全技術(shù)交底。8.2嚴格進行專人火工品使用領(lǐng)、用、退管理，堅決杜絕火工品現(xiàn)場過夜。8.3盾構(gòu)機到達與礦山法隧道交接面時，專人在前方進行安全監(jiān)督，盾構(gòu)貫通端頭墻推倒前，所有作業(yè)人員不得在盾構(gòu)機前逗留。8.4盾構(gòu)空推時，專人進行噴射砂土作業(yè)，必須配制安全帽、防護眼鏡、口罩和手套等勞保用品，控制噴射壓力，防止在前方渣土上滑倒。8.5隨時做好管片螺栓松緊檢查及復緊，及時做好背后回填注漿，防止管片松動掉落傷人。8.6漿液凝固后，打開注漿閥門，如有水溢出，盡管很微小，也需要重新掃孔再注漿。8.7做好盾構(gòu)接收安全技術(shù)交底，專業(yè)人員進行接收分項作業(yè)。9環(huán)保措施9.1砂土至吊出井井口下放是使用串通或渣斗下放，井底采用挖機倒運至刀盤前。9.2噴射砂土時注重環(huán)境衛(wèi)生，井口采用灑水防塵。9.3當出現(xiàn)漿液流失時，及時安排人員進行清理，防止?jié){液流入凝固在隧道內(nèi)。9.4儲備應急物資，及時將污水等排放至污水溝內(nèi)。9.5空推完成后，清理井口砂土并調(diào)運至渣土堆放區(qū)內(nèi)。10效益分析10.1工效方面：在原盾構(gòu)正常掘進基礎(chǔ)上，增加40m/月礦山法開挖作業(yè)面，同時盾構(gòu)空推段可確保6-8環(huán)/日持續(xù)拼裝的施工進度，較盾構(gòu)在硬巖段單向掘進月進尺，大幅提高施工工效，從而確保隧道提前貫通。10.2質(zhì)量方面：礦山法施工可嚴格按施工圖進行施工，可有效控制初期支護施工質(zhì)量。盾構(gòu)空推時管片拼裝與正常掘進無異，及時做好背后回填及注漿，防止管片上浮、錯臺、破損，同時可采取槽鋼連接加強措施，可保證管片拼裝質(zhì)量。10.3適宜性方面：長達盾構(gòu)隧道內(nèi)需優(yōu)化工期、接應盾構(gòu)機、盾構(gòu)機被困或施工導洞處理孤石時均可使