地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的礦山法施工

地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的礦山法施工【摘要】盾構(gòu)法隧道施工經(jīng)常會遇到上軟下硬不均勻地層，此時倘若隧道下穿既有線或建筑物不具備開艙換刀條件，將會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無法正常掘進(jìn)。在深圳地鐵5號線盾構(gòu)區(qū)間上軟下硬地層中，局部改用礦山法開挖、初期支護(hù)后由盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過的施工方法，其經(jīng)驗可供地鐵隧道施工參考?！娟P(guān)鍵詞】礦山法；臺階法；盾構(gòu)區(qū)間隧道；上軟下硬地層；長管棚；超前小導(dǎo)管；1、引言礦山法是傳統(tǒng)的地下巷道施工方法，其主要特點是以鉆眼爆破方式開挖土石。20世紀(jì)50年代，奧地利學(xué)者拉布西維茲提出了巖體自身具有承載能力的理論，給傳統(tǒng)礦山法賦予了新的理念，逐步形成了以保護(hù)和發(fā)揮圍巖的自承能力為原則，以控制爆破或機(jī)械開挖為主要掘進(jìn)手段，以錨噴支護(hù)為主要支護(hù)措施，通過監(jiān)控量測手段實現(xiàn)信息化動態(tài)施工的一種現(xiàn)代隧道施工技術(shù)。現(xiàn)代礦山法［1］，即新奧法具有施工技術(shù)簡單、工程造價低等特點，被廣泛應(yīng)用于山嶺隧道工程［2勺。21世紀(jì)以來，隨著城市軌道交通的發(fā)展，我國進(jìn)入了地下鐵道建設(shè)的高峰期。地鐵工程一般覆蓋層較淺，大多處于淤泥質(zhì)、粉質(zhì)粘土地層或砂卵石地層中(尤其是在上海、廣州、深圳等地)，地下水位通常較高，地層自穩(wěn)能力差，周邊環(huán)境復(fù)雜。為了確保施工安全、減少地表沉降、加快施工速度，地鐵工程大多采用盾構(gòu)法施工。但在復(fù)雜的地層環(huán)境中，盾構(gòu)施工經(jīng)常會遇到上軟下硬等不均勻地層，在這樣的地層中掘進(jìn)會引起刀具嚴(yán)重磨損不能正常使用，假如此時地鐵下穿既有線或其他建筑物、不具備開艙換刀條件，將會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)無法正常掘進(jìn)。如何解決盾構(gòu)區(qū)間隧道上軟下硬地層中下穿既有線或其他建筑物的掘進(jìn)問題，深圳地鐵5號線所采用的礦山法為工程界提供了一個先例。2、 工程概況工程概況深圳地鐵5號線民治—五和區(qū)間線路整體呈東西走向，區(qū)間起點位于民治大道東側(cè)、平南鐵路南側(cè)的既有道路下方，出民治站后與平南鐵路平行前進(jìn)，經(jīng)坂田火車站后向北偏轉(zhuǎn)，四次下穿平南鐵路后進(jìn)入五和站，終點位于五和南路。左右兩線總長4061.59m,線間距11.9?15.5m。隧道頂部覆土厚11.5?33.0m。隧道主要穿越礫質(zhì)粘土、礫砂、全風(fēng)化花崗巖及少量強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化花崗巖。地下水主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水?？紫端饕x存于沖洪積砂層、圓礫層、坡積層、殘積層、全風(fēng)化花崗巖中。基巖裂隙水主要賦存于花崗巖強(qiáng)—中風(fēng)化層中，略具承壓性。地下水埋深1.22?17.8m。區(qū)間隧道采用土壓平衡式盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)外徑6.28m。隧道襯砌采用6塊管片錯縫拼裝而成，管片環(huán)寬1.5m,外徑6.0m,厚度0.3m,隧道內(nèi)徑5.4m。工程難點線路條件復(fù)雜，隧道上覆地層薄，最小僅11.5m，同時下穿運(yùn)營鐵路，地表沉降要求高，施工難度大。隧道斷面范圍內(nèi)地質(zhì)復(fù)雜，存在上軟下硬地層，尤其是在右線DK23+241.5?+292.4(50.9m)段，有微風(fēng)化巖層侵入隧道斷面內(nèi)2.8m,巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)到160MPa，盾構(gòu)機(jī)難以掘進(jìn)，故區(qū)間隧道施工的難點是盾構(gòu)機(jī)如何穿越硬巖侵入段。3、 施工方案在飽和軟土地區(qū)開挖隧道，采用盾構(gòu)法施工具有安全、快速、對環(huán)境影響小等優(yōu)點［4］。但是，對于硬巖及軟硬差異大的上軟下硬地層，采用盾構(gòu)法施工會造成刀具嚴(yán)重磨損、需要多次更換刀具的現(xiàn)象［6］。該段隧道硬巖侵入斷面2.8m,侵入長度達(dá)50余米，若采用盾構(gòu)法掘進(jìn)，需要多次更換刀具，但由于隧道下穿運(yùn)營中的平南鐵路，不具備開艙換刀條件，因此采用盾構(gòu)法無法掘進(jìn)?，F(xiàn)代礦山法是以保護(hù)和發(fā)揮圍巖的自承能力為原則，以控制爆破或機(jī)械開挖為主要掘進(jìn)手段，以錨噴支護(hù)為主要支護(hù)措施，通過監(jiān)控量測手段實現(xiàn)信息化動態(tài)施工的一種現(xiàn)代隧道施工技術(shù)，該法與相應(yīng)的地層預(yù)支護(hù)手段相結(jié)合可以靈活地應(yīng)用于各種地層。綜合考慮隧道穿越硬巖侵入段的環(huán)境條件、施工安全及技術(shù)經(jīng)濟(jì)因素，擬采用礦山法開挖，初期支護(hù)后盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過。為減小施工風(fēng)險，將礦山法施工長度延長到54m，即對右線DK23+238.3?+292.3（54m）段采用礦山法施工。具體方案是：在DK23+235處修建豎井作為礦山法施工通道，設(shè)置60m長管棚超前支護(hù)配合小導(dǎo)管注漿；隧道開挖采用臺階法、控制爆破，初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴及鋼拱架聯(lián)合支護(hù)。礦山法隧道施工完成后，在隧道底部施作盾構(gòu)導(dǎo)向平臺，盾構(gòu)機(jī)在導(dǎo)向平臺支撐及引導(dǎo)下空載推進(jìn)并拼裝管片，從而通過硬巖侵入段。此外，為保證礦山法隧道端頭墻的安全及盾構(gòu)機(jī)能順利進(jìn)入前方土體，采用C25素混凝土全斷面封堵端頭墻。4、礦山法結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1礦山法隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計隧道斷面為馬蹄形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部凈空最小尺寸為6.4m,采用復(fù)合式襯砌（圖1）。初期支護(hù)由網(wǎng)噴混凝土與鋼架組成支護(hù)體系，鋼筋網(wǎng)間距為150mmx150mm,噴混凝土等級為C25，鋼架采用I20b格柵鋼架（間距0.5m）；二次襯砌為盾構(gòu)拼裝式管片。（fr42小<25（fr42小<25網(wǎng)噴慨I?（土+!20h一'甦八匸訃槳TFWT—圖i礦山也隧逍斷面示意超前支護(hù)采用申159mm長管棚支護(hù)及?42mm小導(dǎo)管注漿，管棚長60m,間距250mm，共37根;隧道開挖之前在長管棚之間設(shè)置Q42mm、長4.0m超前小導(dǎo)管，并通過小導(dǎo)管向圍巖預(yù)注漿。4.2豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計在DK23+235處修建施工豎井，豎井?dāng)嗝鏋?.5mx8.6m。為保證盾構(gòu)機(jī)能順利到達(dá)豎井，在豎井小里程方向安裝鋼洞門及簾布板，豎井周邊采用旋噴樁加固，加固范圍為上下左右各3m，隧道軸線方向5m。為了確保豎井施工安全，豎井井壁采用錨、網(wǎng)、噴及格柵鋼架聯(lián)合支護(hù)。錨桿為長度5.0m、直徑22mm的砂漿錨桿，間距1.0m,呈梅花形布置；噴混凝土等級為C25，厚度400mm；鋼架間距0.5m,在鋼架內(nèi)外側(cè)全環(huán)布設(shè)直徑10mm、間距150mm的鋼筋網(wǎng)。井底設(shè)置型鋼鋼架支撐及C25、厚400mm的網(wǎng)噴混凝土（圖2）。

Enrlztwrl地R|73.60mWftKh. 網(wǎng)片22祁橫曲桿?1=5冊爐hnxIni圖Enrlztwrl地R|73.60mWftKh. 網(wǎng)片22祁橫曲桿?1=5冊爐hnxIni圖2矗井?dāng)嗝媸疽猓▎蝔fi：mm）'Fig.2 1.nj^-srcthMinfrlie*hfi『t[JM卑加曲]I「卜舁疝6丄第2臺階開挖I—「「 * 「* 「「-麗《支冋I_■'T二次封砌[￥[臺階開冠1l4塞統(tǒng)mItr網(wǎng)初礎(chǔ)％“1L>st±.!: 111111r立眠拱架航時典拱淮網(wǎng)L__瘟私\二廠_A逬人下-I臺階開挖「工藝流程tunnelconfitmclion圖3腿道施卜厚.3Prm「工藝流程tunnelconfitmclion5、礦山法隧道施工礦山法隧道施工工藝見圖3。5.1超前管棚施工（1）管棚制作

管棚由0159x8mm熱軋無縫鋼管制作而成，為避免接頭在同一斷面上，鋼管采用兩種規(guī)格，奇數(shù)孔首根4.0m,偶數(shù)孔首根6.0m,其余的均為6.0m。鋼管采用絲扣聯(lián)接，鋼花管大樣見圖4。注漿孔 |IUhIf 瞬邢布■H 4」圖4鋼花骨大樣Fig.4Delaitdrawingofsinallpilotpipe（2） 鉆孔鉆孔前在隧道開挖輪廓線以外20cm范圍內(nèi)畫出鉆孔位置，架設(shè)導(dǎo)向架，精確調(diào)整導(dǎo)向架后用MK-5型水平地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔。鉆孔由高孔位向低孔位進(jìn)行，鉆孔孔徑比鋼管直徑大30?40mm,外插角1。?3°。每鉆進(jìn)5m用儀器復(fù)核鉆孔角度，并及時糾偏。（3） 下管下管前預(yù)先對每個鉆孔的鋼管進(jìn)行配管和編號，保證同一斷面上的接頭數(shù)不超過50%。由于地質(zhì)條件較差，因此下管要及時、快速，以保證在鉆孔穩(wěn)定時將管子送到孔底。前期靠人工送管，當(dāng)阻力增大、人力無法送進(jìn)時，借助鉆機(jī)頂進(jìn)。（4） 注漿鋼管安裝完后，通過鋼管向地層內(nèi)注漿。采用后退式注漿，順序為先兩側(cè)拱腳、后拱頂。注漿分兩步完成，第一次注入水泥砂漿，等漿液充分收縮后第二次注入水泥漿，以使管棚填充密實。注水泥漿時，水灰比為0.5?1.0,注漿壓力為0.5?1.0MPa；注水泥砂漿時，灰砂比為1：2?1：2.5,注漿壓力為0.5?1.0MPa。5.2超前小導(dǎo)管注漿施工超前小導(dǎo)管布置情況如圖5所示。圖5超前小導(dǎo)躲市單位：mm）I'ig.5 snmll卩圖5超前小導(dǎo)躲市單位：mm）I'ig.5 snmll卩ipmarrangemenlL=4Jn)、I昂 150150嚴(yán)出?—l2(KI--屏一l —弋一"「遷一J- —T\ _ 4M0 3_衛(wèi)］A小導(dǎo)管安裝小導(dǎo)管安設(shè)采用鉆孔打入法，采用YT28型風(fēng)槍鉆孔，鉆孔直徑比鋼管直徑大3?5mm。將小導(dǎo)管穿過鋼架，用錘擊或鉆機(jī)頂入，頂入長度不小于鋼管長度的90%，并用高壓風(fēng)將鋼管內(nèi)的砂石吹出。小導(dǎo)管安設(shè)后，用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，并在工作面及附近5m范圍內(nèi)噴射5cm厚混凝土作為止?jié){墻。注漿采用水泥-水玻璃漿液，漿液擴(kuò)散半徑為1?1.5m；注漿終壓為靜水壓力的1.5倍。采用全孔一次注漿方式。注漿結(jié)束條件注漿結(jié)束條件根據(jù)注漿壓力和單孔注漿量兩個指標(biāo)來判斷。單孔結(jié)束條件為：注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓，漿液注入量已達(dá)到計算值的80%以上。全段結(jié)束條件為：所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無漏注。注漿結(jié)束后對注漿效果進(jìn)行檢查，如未達(dá)到設(shè)計要求，進(jìn)行補(bǔ)孔注漿。臺階法隧道開挖隧道依據(jù)新奧法原理組織施工，結(jié)合圍巖條件采用臺階法開挖，施工中嚴(yán)格遵循管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、緊封閉、勤量測原則。在豎井施工及地層加固完成后，沿區(qū)間隧道拱部打設(shè)管棚(37根60m長)，并通過長管棚注漿加固地層,待漿液凝固后按以下步驟循環(huán)開挖隧道：設(shè)置Q42mm小導(dǎo)管超前注漿加固地層；人工風(fēng)鎬開挖上斷面土體，必要時進(jìn)行弱爆破，并噴射5cm厚混凝土封閉掌子面；(3)施作臨時鋼架仰拱；(4)架立格柵鋼架，打設(shè)鎖腳錨桿；(5)掛網(wǎng)噴射混凝土；(6)控制爆破開挖下臺階石方，并噴射5cm厚混凝土封閉掌子面；(7)接長格柵鋼架，打設(shè)鎖腳錨桿，掛網(wǎng)噴射混凝土；(8)重復(fù)以上(1)?(7)循環(huán)作業(yè)，每循環(huán)進(jìn)尺0.5m,臺階長度10?15m。施工中要求超前小導(dǎo)管搭接長度不小于1.5m,隧道開挖面始終滯后于超前小導(dǎo)管注漿范圍；爆破作業(yè)應(yīng)在小導(dǎo)管注漿漿液完全凝固后進(jìn)行；超前小導(dǎo)管與系統(tǒng)錨桿、鋼架應(yīng)牢固連接，確保初期支護(hù)的整體穩(wěn)定性。端頭墻施工礦山法隧道端頭全斷面采用C25素混凝土封堵，做法是：先噴射厚度為150mm素混凝土，然后澆注C25厚1000mm的素混凝土封堵端頭墻，以防止其暴露時間過長出現(xiàn)塌方。導(dǎo)臺施工礦山法隧道施工完成后，在隧道底部施作導(dǎo)向平臺，以保證盾構(gòu)機(jī)能順利通過。導(dǎo)向平臺采用C30素混凝土施工，高度為50cm,其上預(yù)埋2根P50鋼軌。導(dǎo)向平臺斷面弧長與隧道中心夾角為60。，以保證盾體與導(dǎo)向平臺有足夠的接觸面［7。］導(dǎo)向平臺起點從豎井洞門開始，一直延伸至隧道端頭墻前方，與端頭墻之間預(yù)留1m長的缺口，使盾構(gòu)機(jī)刀盤在缺口處順利旋轉(zhuǎn)并切入端頭墻。6、施工監(jiān)控量測為了確保隧道開挖安全及平南鐵路正常運(yùn)營，施工中堅持勤量測原則，將監(jiān)控量測納入施工環(huán)節(jié)，并根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果指導(dǎo)施工和進(jìn)行施工管理。量測主要項目如下：(1)既有線位移監(jiān)測在掌子面前后50m范圍內(nèi)沿平南鐵路路肩及鋼軌每隔5m布設(shè)1個沉降觀測點及水平位移觀測點。(2)地面沉降點監(jiān)測每20m設(shè)一斷面，觀測點間距2?5m,分布于隧道兩邊45°擴(kuò)散角范圍內(nèi)(圖6)。地面沉降觀測點采用Q25鋼筋打入地下不小于80cm,四周用C25混凝土圍護(hù)。

圖&隧道上方地廊沉降監(jiān)制點布丹I-1^,6ArraH^(*m<bnlofsell!en)ritliTiuniloriiippointfiangruLimlj^lirlavr^hir\F*l!irtHTlHibl閨例:水平收越位移詣於二^閨例:水平收越位移詣於二^iM格帆噸力盼.[y7iH內(nèi)現(xiàn)iffl點布強(qiáng)|-1',.7Xrmngin^-itlol■tLsrni'inn[xnulritillirluiim^（3）洞內(nèi)監(jiān)控量測洞內(nèi)監(jiān)測項目主要有：洞內(nèi)圍巖與支護(hù)狀態(tài)觀察、水平收斂量測、拱頂下沉量測及鋼格柵應(yīng)力量測等。洞內(nèi)圍巖與支護(hù)狀態(tài)觀察在每一斷面開挖后進(jìn)行，其余測點布置見圖7。（4）量測頻率既有線位移監(jiān)測在施工前取得初始數(shù)據(jù)，施工中每日進(jìn)行1次，當(dāng)沉降與位移變形加大時每2小時量測一次。隧道施工地面沉降點監(jiān)測及洞內(nèi)監(jiān)測在開挖初期每天1?2次，中期每2天1次，后期每周1次。監(jiān)測期直到圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定之后2?3周。7、結(jié)語（1） 在盾構(gòu)區(qū)間隧道硬巖侵入段，采用礦山法施工具有安全、經(jīng)濟(jì)、快速等特點。該隧道應(yīng)用的成功案例對其他盾構(gòu)區(qū)間隧道在上軟下硬地層中下穿既有線或其他建筑物的施工具有一定的參考價值。（2） 在復(fù)雜環(huán)境下，礦山法必須與長管棚、超前小導(dǎo)管注漿等預(yù)支護(hù)手段或地層加固手段相結(jié)合，才能有效地控制地層沉降和變形，確保施工安全。（3） 為了確保隧道端頭安全及盾構(gòu)機(jī)順利通過