关键词：地铁；盾构法；矿山法；空推；始发；接收
Key Technology of shield driving through mine tunnel
Zhang Jihui, Xiong Zhongfei, Wu Zhongli, Hao Liang
Hongrun Construction Group Co., Ltd. Shanghai 200235
ABSTRACT: The two ends of this tunnel are mostly strong weathered rock or residual soil, and the middle and deeper sections encounter non-weathered or slightly weathered high-strength Rock, which is difficult to complete by shield construction alone, in the construction of Guangzhou Rail Transit Line twenty-one project [ construction 17 bid ] , the central section tunnel is taken as an example, this paper introduces in detail the construction technology of shield passing through the tunnel with mine method, and advances some measures for solving the key construction technology, which provides a good reference for the popularization of this new compound construction method.
Key Words: Metro; Shield Method; mine method; Air Push; start; receive
1 引言
我国许多地方，具有多山和丘陵地貌特征。一条隧道难以保证所遇的地层单一， 如果隧道中间段埋深较深， 遇到坚硬的未风化或弱风化岩层；两端覆土浅， 遇到强风化的围岩或沉积土层。为了加快进度，减少施工风险， 有时不得不采用“矿山法 + 盾构法” 两种工法相结合应用。
矿山法与盾构法结合的隧道施工工法通常的做法是：先采用矿山法将包括微风化岩层在内的岩土层爆破挖除， 施工断面稍大于盾构外径的初期衬砌， 盾构空推并完成管片拼装和壁后注浆。矿山法隧道施工完成后， 盾构机要从盾构隧道进入矿山法隧道进行空推，空推完成后盾构机再从矿山法隧道内进入土体进行掘进的过程。盾构机在矿山法隧道内的始发接收是盾构空推过矿山法隧道的一个最大的风险源，尤其盾构在矿山法段接收和始发风险极大，盾构机参数控制不当都可能导致地下水或者土体涌入矿山法隧道， 造成地面塌陷，对环境造成极大的破坏， 造成工程事故。
结合广州市轨道交通二十一号线工程【施工17标】土建工程中间风井~中新东站区间隧道工程实际情况，对开挖过程中前方遇孤石群和基岩隆起的情况， 采取 “盾构法 +矿山法” 相结合的方法进行施工时，盾构在矿山法隧道内进出洞提出有效施工方案，为地铁施工提供一定技术支持。
2工程概况
广州轨道交通二十一号线工程【施工17标】土建工程中间风井~中新东站区间隧道中间段左线241m、 右线236m范围内需穿越花岗片麻岩强风化带<7Z>、花岗片麻岩中等风化带<8Z>和花岗片麻岩微风化带<9Z>， 采用“ 矿山法 +盾构法” 复合工法施工，先在区间隧道中部施作一个工作竖井，将该里程范围内用矿山法施工初衬隧道， 然后从中间风井向中新东站进行盾构法施工，穿越已施工矿山法隧道，以管片作为二次衬砌。矿山法隧道位于平面曲线半径为R =1000 (右线)， R =1000(左线)的缓和曲线和直线上。矿山法隧道暗挖区间沿广汕公路穿越后进入广汕公路南侧空地上。盾构在矿山法隧道内的接收处左线位于广汕公路下方，右线接收处位于广汕公路下方；见图2-1。.png)
图 2-1 广州轨道交通二十一号线工程【施工17标】土建工程中中区间矿山法隧道平面图
隧道设计线路通过地层自上而下主要为（1-2）素填土、（4N-1）粉质黏土、（4N-2）粉质黏土、（5Z-1）砂质黏性土、（5Z-2）砂质黏性土、（6Z）全风化花岗片麻岩、（7Z）强风化花岗片麻岩、（8Z）中风化花岗片麻岩、（9Z）微风化花岗片麻岩，存在裂隙水。左右线盾构隧道与矿山法隧道接口段主要为（7Z）强风化花岗片麻岩， 上部为（6Z）全风化花岗片麻岩，、下部（8Z）中风化花岗片麻岩、（9Z）微风化花岗片麻岩。
3矿山法隧道与盾构隧道接口处理措施
3.1 盾构推进进入矿山法隧道时的接头处理措施
当矿山法隧道先完成施工时，盾构推进进入矿山法隧道，为了确保掌子面土体稳定，防止地下水涌入矿山法隧道， 矿山法隧道掌子面完成后，对矿山法隧道与盾构隧道接头5.0m范围内采用水平注浆管对土体进行水平注浆加固，提高土体的强度和自立性。加固范围见矿山法隧道端墙加固图3.1-1 所示。
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图3.1-1矿山法隧道端墙加固示意图
(1)矿山法隧道开挖完成后，在端头墙位置水平放置玻璃纤维筋格栅 (不可采用钢质材质，防止盾构机进出洞时对掌子面扰动过大，盾构机螺旋机被卡)，玻璃纤维筋格栅随隧道端头最后两榀密排格栅钢架同步架设，且玻璃纤维筋格栅与钢筋格栅搭接绑扎牢固，并采取适当辅助连接措施，确保玻璃纤维筋格栅伸入钢筋格栅长度不小于 300mm，绑扎牢固的同时喷混凝土密实。掌子面开挖后立即初喷50mm 厚 C25 混凝土，防止局部坍塌，且要求喷射混凝土与隧道最后三榀密排格栅的喷射混凝土同步施工，水平格栅及纤维筋网绑扎好后及时喷射混凝土，隧道端墙全断面采用C25素混凝土封堵，喷射厚度为800mm。
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图3.1-2接头封堵
(2)在矿山法的端墙采用水泥+水玻璃双液浆注浆进行加固，注浆长度为5m。注浆压力控制在 0.6～0.8MPa， 注浆管采用管径42mm 的 PVC管，环向间距1.2m，纵向向外20°,注浆管上注浆孔每隔 15cm 成梅花形布置， 浆液扩散半径控制在1.0m。
（3）砂浆顶墙施工
矿山法隧道施工完成后， 盾构过矿山法隧道段，由于盾构正面无土压力作用， 在盾构进入矿山法隧道时易造成水土流失， 造成危险;同时易造成管片环缝间隙较大，粘贴在管片上的三元乙丙橡胶止水条达不到最低的压缩量，隧道防水效果不佳，因此为了确保盾构管片防水质量和推进的轴线，在矿山法隧道内导台施工完毕后在隧道内紧靠堵头墙隧道走向3m，隧道断面的2/3的高度采用模板M10砂浆进行浇筑。以提供盾构推进时的反力和盾构进入矿山法隧道时的挡体。
3.2 矿山法隧道接盾构始发时的接头处理措施
根据地质情况， 该段矿山法与盾构段接口处为全-中风化基岩，地基土不均匀，强度差异大，透水性好，工程地质条件复杂，因此综合考虑各种因素，矿山法施工封堵与接收段相同采用喷射混凝土+端头加固的形式。
4 施工关键技术
4.1 导台施工
矿山法隧道施工完成后, 在隧道底部施工导向平台。导台支撑着盾构机并为盾构机前进起导向作用, 盾构机在导台上空载推进并拼装管片。
导台采用 C30 素混凝土施工, 高度为150 mm。由于盾构机刀盘外径为6280 mm, 刀盘顶部与隧道壁只有70 mm间距, 因此矿山法隧道严禁欠挖, 同时导台的高度和轴线必须控制在设计允许的误差范围内。
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图4.1-1矿山法圆形衬砌结构断面示意图
导台断面弧长与隧道中心夹角为 60°, 以保证盾体与导台有足够的接触面;导台弧面施工必须满足设计要求, 使盾体与导台保持均匀接触。导台起点从矿山法小里程堵头墙开始, 一直至隧道大里程端墙前方,导台与端墙之间预留1 m长的缺口, 使盾构机刀盘在缺口处顺利旋转并切入端墙。
4.2 盾构在矿山法隧道内接收施工
盾构和矿山法隧道的左线交界处有涌水现象，所以盾构机应尽可能平稳、安全地进入矿山法隧道段，降低对地层的二次扰动，防止广汕公路地面塌陷的风险。
（1）盾构进入矿山法隧道前50、30、17、10、5m应分别人工复核盾构所处的方位，复核成果确认盾构的当前姿态，评估盾构进入隧道时的姿态，拟定盾构进入矿山法隧道的施工轴线、推进坡度的控制值和施工方案等，须确保盾构在此阶段的施工中始终能够按照预定的方案实施，以良好的姿态进入隧道。
（2）在贯通前10环调整掘进参数，贯通前10环控制推进速度为0-20mm/min，刀盘转速1.35转/min，贯通前5环控制推进速度为0-10mm/min，刀盘转速1.25转/min，在掘进过程中逐渐降低推力；土压力值推进参数参考控制值；
（3）在贯通前1-2环处，控制螺旋机转速，确保土仓内渣土能够及时排出，当盾构机测量系统显示刀盘距离矿山法封堵墙200mm时，将舱内基本排空，而后缓慢掘进；
（4）盾构机刀盘通过封堵墙后需要继续转动，破除前方的砂浆封堵墙，要求推力要小，刀盘转速及扭矩要小，并及时观察盾构机滚动角，避免盾构机由于摩擦力小而发生自转；当刀盘基本通过砂浆封堵墙时，刀盘停转，刀盘的停机角度为刀盘前方确认刀盘停机位：此时矿山法隧道内清理刀盘前方的垃圾，并在盾构机两侧堆放沙包防止浆液前窜；
（5）盾构机刀盘停转并将前方土体清理干净后，在刀盘上制作工作平台，安装排水管路及喷浆管路，及时将刀盘前方的渗漏水排出；
（6）观察刀盘与导台的位置关系，若符合推进条件，先拆除编号为#38B、#36的滚刀，再将该处旋转至导台处，然后锁定刀盘旋转功能，在盾构机刀盘底部安装船板（船板厚度20mm，宽10mm，长50mm）船板焊接在刀盘面板上靠近5点钟与7点钟位置；
（7）在盾构机两侧喷射豆粒石，盾构机向前推进直至盾尾完全进入矿山法隧道；盾构机盾尾通过掌子面后在盾尾管片上注双液浆封堵洞门；待其初步凝结后开始空推段推进推进施工；双液浆配比：水玻璃：水泥浆=1.5:1凝结时间40s，水泥浆配比：水：水泥：粉煤灰=2:1:1.
（8）盾构机在接收过程中需要做好管片的三次复紧工作和接收的注浆工作，注浆详见推进参数控制表）；出封堵墙后每块管片拼装完成后必须复紧在拼装下一块，拼装时底部严禁站人；
（9）恢复推进前需要在矿山法内安装电话，在盾构机内安装两部电话，便贯通后洞内与盾构机的联系，需要准备好注浆泵、聚氨酯泵、聚氨酯、水泥、水玻璃、棉絮、木楔子、双快水泥等洞门封堵应急物资。
（10）在推进过程中， 应加强地面沉降的观测频率， 当地面发生大的沉降时， 应立即停止掘进， 在管片背后注浆， 待地面稳定后再进行推进。
4.3 刀盘部分刀具拆卸
由于盾构机刀盘外径比盾体外径大, 在盾构机从土体上进入导台前, 卸掉刀盘与导台面接触的边缘刀具, 避免盾构机在导台上前进时刀具将导台混凝土刮起, 破坏导台。在刀盘到达端墙前预留缺口1.2m, 重新安装所卸的刀具。
4.4 盾构机姿态控制
由于盾构机在导台上前进阻力很小, 并且导台已经确定了盾构机的前进方向, 为了确保盾构机沿导台轴线前进不偏离导台, 并在导台上保持正确的姿态, 在盾构机推进时采用交叉使用竖直位置(A、C)和水平位置(B、D)两组推进油缸向前推进。不停地交叉使用同时不同区域千斤顶保证每块管片两个千斤顶的情况下停用部分千斤顶。
由于该段隧道水平曲线是曲线半径 R=800 m的缓和曲线和直线, 竖向曲线是竖曲线和3.5‰的上坡, 并因盾构机自重等原因, 使用竖直位两组油缸推进时不保持油缸行程差, 使用水平位两组油缸时保持2cm左右的行程差。同时在盾构机推进过程中, 通过测量复核盾构机轴线与导台轴线误差, 并根据误差调整铰接油缸和推进油缸的行程差, 保证盾构机在导台上的良好姿态, 使盾构机沿导台轴线往前推进。
4.5管片背后填充
管片拼装完成后，管片背后的填充综合采用喷射豆砾石、盾尾同步注浆、二次注浆等方法。利用盾构机自身的同步注浆系统压注同步浆液，控制注浆压力既保证达到对环形空隙的有效填充；通过从机头向盾尾喷射喷射豆砾石，在管片脱离盾尾时对管片进行支撑，防止管片下沉产生错台，又确保管片结构不因注浆产生位移、变形和损坏，同时又要防止砂浆前窜至盾构刀盘前方，也可使衬砌管片与圆形隧道紧密结合，提供支护效果，以提高支护效果，并增大盾构往前推进的摩擦力；利用盾构机同步注浆系统压注水泥砂浆，使衬砌管片与地层间紧密接触，以提高支护效果；再根据注浆后的检查结果，从管片注浆孔补充注浆以固结管片。
4.5.1喷射豆砾石
4~5环管片脱离盾尾后，需从机头从1：00～11：00位置喷射豆砾石和压注单液浆至隧道两肩，以填充上部管片间隙，防止管片上浮，也可用于防止管片背后的碎石、砂浆流往刀盘前端。从机头上部喷射豆砾石完全填充管片背部的孔隙，砾石的填充按“先两侧后中间”的原则进行，确保豆砾石的充填饱满。
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图4.5-1 喷射豆粒石位置图
4.5.2盾尾同步注浆
整环管片豆砾石填充结束后，利用盾构机4个注浆孔进行少量的同步注浆。浆液采用与同步浆液同配比的浆液，将已填充的豆砾石密实固化，使衬砌管片与初期支护之间密贴，以提高支护效果。在进行同步注浆时应严格控制注浆量(每环注浆量约2 立方)，否则浆液将通过盾体外的间隙流入刀盘前部。
4.5.3壁后注浆及二次注浆
8~10环管片脱离盾尾后，利用盾构机4个注浆管其中一根注浆管接到管片吊装孔进行壁后注入同步浆液来填充豆粒石和同步注浆的不足。背隙顶部回填在12环管片脱离盾尾后进行，采用压注双液浆填充形成环箍，确保管片与初支之间管片顶部孔隙填充密实，也使得第二步中注入的浆液能分段稳定，保证填充质量。如图4.5-2所示。
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图4.5-2 注双液浆形成环箍和成型隧道
在盾体完全进入土体后，从矿山法隧道里的第一环开始逐环对所有的管片进行二次注浆，将管片背后间隙再次充填密实。对管片进行注浆时，管片受到浆液较大的浮力，有明显的上浮趋势，但由于每环管片上部都安装支顶，可有效地阻止管片上浮。
4.6 盾构在矿山法隧道内始发
盾构到靠上矿山法隧道与盾构隧道接口掌子面后，应慢速掘进， 掘进速度控制在 10mm/min 以内，严格控制盾构机姿态， 避免出现大的突变。每环按照设计方量进行同步注浆， 为确保在盾构出去空推段后， 纯盾构段隧道地下水不涌入空推段， 通过管片吊装孔采用水泥水玻璃双液浆浆液进行二次注浆， 确保连续 5 环全断面注满， 以切断后续水源涌入空推段隧道， 同时防止地面发生大的沉降。同时在推进过程中， 应加强地面沉降的观测频率， 当地面发生大的沉降时， 应立即停止掘进， 在管片背后注浆， 待地面稳定后再进行推进。
（1）盾构机刀盘到达掌子面后（盾构机刀盘面距端头墙1200mm），刀盘前面所有东西拆除完毕，并进行从隧道内进行喷射豆粒石，一直喷射到切口环位置，关闭仓门，接着向刀盘前面注入泥浆（膨润土加水）+加气，用于刀盘前建立压力；
（2）盾尾后面的管片同时运用盾构上的注浆泵进行壁后注浆，盾尾后20环管片通过吊装孔进行间断性注浆，直到注浆饱满，盾构推进过程进行慢推进多注浆的原则。
（3）做好管片的选型及安装，确保隧道成洞质量。综合考虑盾构机的姿态、盾尾间隙、油缸行程以及盾构机的步进情况等因素，合理选择管片的安装类型；控制推进油缸的行程差，使盾构机姿态偏差在±20mm以内、盾尾间隙在75 mm左右，确保管片受到的油缸推力均匀，以保证在管片脱出盾尾时盾尾内壳不会挤压管片外壁。这样可有效防止管片产生错台和裂缝，确保成型隧道质量。
5 结语
我国 “十三五” 期间，全国有43个城市的轨道交通建设规划获得批复，规划总里程约8600公里。城市轨道交通平均每公里投资7亿元，按照规划测算，一年投资超过3000亿元。说明我国城市轨道交通投融资创新空间巨大。城市地铁隧道施工过程中若遇到硬岩、 孤石群或长距离上软下硬地段的情况时， 皆可先采用矿山法施工， 后用盾构法施工二衬， 因此采用这种 “矿山法 + 盾构法” 的复合施工方法具有广阔的应用前景。本文针对这个复合施工方法中盾构在矿山法隧道内的始发重大风险源所采取的措施进行了阐述， 得出了以下结论。
(1)通过采用矿山法暗挖施工迎接盾构机进入矿山法暗挖隧道的方法， 解决了盾构机在不良地质条件下无法推进或者推进困难的情况， 也为此种情况提供了良好的借鉴;
(2)矿山法隧道与盾构隧道接口掌子面加固完成后， 为了保证盾构土体的稳定， 也可采取水平旋喷的加固方法， 这种方法在国内外还没有应用的先例，此种方法也为以后的此种施工提供了思路。
(3)矿山法隧道与盾构隧道接口掌子面加固完成后， 为了保证盾构土体的稳定， 也可采取水平旋喷的加固方法， 这种方法在国内外还没有应用的先例，此种方法也为以后的此种施工提供了思路。
作者简介：张吉会（1984—）男， 江苏人，宏润建设集团股份有限公司，二级建造师，工程师，从事市政工程施工。
熊忠飞（1984—）男， 山西人，宏润建设集团股份有限公司，注册造价师，工程师，从事市政工程施工。
吴中璘（1972—）男， 上海人，宏润建设集团股份有限公司，二级建造师，工程师，从事市政工程施工。
郝明亮（1980—）男，辽宁人，宏润建设集团股份有限公司，一级建造师，高工，从事市政工程施工。
论文作者:张吉会, 熊忠飞,吴中璘,郝明亮
论文发表刊物:《城镇建设》2020年4期
论文发表时间:2020/4/13
标签：盾构论文; 管片论文; 隧道论文; 矿山论文; 注浆论文; 片麻岩论文; 浆液论文; 《城镇建设》2020年4期论文;