盾构法隧道硬岩段矿山法开挖管片衬砌综合项目施工新工法.doc

盾构法隧道硬岩段矿山法开挖管片衬砌施工工法

中铁隧道集团中铁隧道股份有限公司：杨书江
一、前言
随着都市轨道交通事业迅速发展，盾构法施工技术在上海、广州、深圳、北京、南京等都市地铁建设中得到广泛应用。当前国内使用复合式土压平衡盾构对于软土及岩石单轴抗压强度不大于80Mpa硬岩地层施工是完全适应，但是对于长度超过100米、岩石单轴抗压强度超过100Mpa地层，在国内用盾构法施工还没有先例，在国外也没有这方面成功经验报到。
广州市轨道交通三号线【大石南～汉溪站～市桥北区间】盾构工程，其中左右线隧道共有427.5m岩石单轴抗压强度达118Mpa硬岩地层，存在较大施工难度。为减少施工风险，拓展土压平衡盾构在较长距离与硬岩地层中施工配套技术，开展了专项科研课题研究，采用了钻爆法开挖与初期支护、盾构空载推动拼装管片通过、管片背后吹米石与注浆结合新工艺，并获得了圆满成功。在此基本上，总结形成本工法。
二、工法特点
1、将钻爆法施工与盾构法施工相结合，局部硬岩地段用钻爆法开挖支护、盾构法衬砌，极大地拓展了盾构法施工合用范畴。
2、避免了盾构法在岩层太硬、距离偏长地层中施工对设备损坏和对盾构法应用限制。
3、施工速度快、工期效应明显。盾构拼装管片通过硬岩段可以达到平均每天11米施工进度，其综合进度比盾构法在普通软岩地段进度还快。
4、避免了盾构在岩层段掘进时刀具磨损及意外破坏。相比之下有较大成本节约，效益好。
5、工艺可操作性强，在只要采用相应办法和办法满足都市环境条件即可推广使用。
三、合用范畴
本工法合用于采用盾构或双护盾TBM施工都市地铁、铁路、公路、水工隧道等地下工程中有较长距离硬岩地层地段。
四、施工工艺
(一) 工艺原理
在盾构到达硬岩地层前，运用钻爆法开挖硬岩地层并进行必要初期支护，隧道底部施作弧形钢筋混凝土导向平台。盾构在导向平台上空载推动、拼装管片通过，管片背后与钻爆法初期支护间空隙运用吹米石与注浆结合方式充填密实。达到全隧道净空、构造和防水设计一致。
(二) 施工流程
施工工艺流程图见图1。
(三) 施工办法
硬岩段钻爆法施工视状况有先于盾构法施工和后于盾构法施工两种状况，后者对工期和已施工相邻段隧道构造安全影响很大，需采用相应有效办法。本文所述内容为前者。
硬岩段钻爆法开挖、盾构法衬砌涉及不同办法和较长施工区段，其纵断面示意参见图2。
1、硬岩段钻爆法施工
硬岩段隧道断面普通设计为圆形（隧道构造示意见图3），采用新奥法原理设计、施工。依照盾构通过需要，将硬岩段钻爆法施工段分为盾构通过段和盾构接受段。

硬岩段钻爆法施工
碴土清理及刀盘防护
硬岩段开挖完后盾构到达
交接面至导台间砼浇注
补充注浆
拼装管片
豆砾石吹填效果检查
每4环检查注浆效果
YES
YES
NO
NO
吹填豆砾石(米石)
后期补充注浆
盾构通过硬岩段
………….
盾构空载推动
盾尾同步注浆
盾构推动至导向平台
施工结束
图1 施工工艺流程图
普通段盾构法施工

图2 硬岩段钻爆法开挖、盾构法衬砌纵断面示意图

图3 硬岩隧道断面构造示意图

(1) 盾构通过段
盾构通过段隧道设计比盾构外径大120mm。该段采用光面爆破技术开挖、锚喷网联合支护，详细支护参数依照围岩条件和监控量测成果进行调节。
(2) 盾构接受段
为了保证盾构出洞时空间，硬岩隧道接近盾构隧道处3米隧道作为盾构机接受段。盾构接受段隧道净空为6800mm。为便于盾构到达后对盾构进行底部解决，底部70°范畴内半径加大到3700mm。
(3) 导向平台施工
为保证盾构按设计姿态通过，隧道底部60°范畴内设立半径为3150mm厚度150mm弧形混凝土导向平台，导向平台顶部铺设φ10@200钢筋网片，混凝土保护层厚度为50mm。
在导向平台两侧每隔6m对称预埋两块钢板，钢板与平台钢筋进行焊接，便于安装牛腿，为盾构推动时提供反力。
2、盾构到达段掘进施工
盾构隧道与硬岩隧道贯通前25m为盾构到达段，采用土压平衡模式掘进。盾构进入到达段时，逐渐减小推力、减少推动速度，并加强出土量监控。隧道贯通前3环采用敞开式模式掘进。采用小推力、低转速进入盾构接受段。掘进参数见表1、表2。
隧道贯通前150～200m，对盾构隧道和硬岩隧道洞内所有测量控制点进行一次整体、系统复测和联测，对所有控制点坐标进行精密、精确平差计算。贯通前100m、50m时分别人工复测盾构姿态，及时纠正偏差，保证盾构顺利进入接受段。
盾构在到达段掘进过程中，派专人负责观测硬岩隧道段岩面变化状况。发现围岩或硬岩隧道初期支护混凝土有较大震动或变形时，及时告知盾构主司机调节掘进参数，防止推力过大，导致刀盘前部围岩大面积坍塌。

表1 盾构到达段掘进参数表
编号
项 目
参 数
适 用 范 围
1
土仓压力
1.2～1.4bar
隧道贯通前25m
2
刀盘转速
1.65～1.85r/min
3
推 力
≤800T
4
推动速度
≤25mm/min

表2 贯通前3环掘进参数表
编号
项 目
参 数
适 用 范 围
1
土仓压力
敞开式
贯通前最后3环
2
刀盘转速
1.60～1.75r/min
3
推 力
≤600T
4
推动速度
≤10mm/min

3、盾构进入接受段后工作
盾构进入接受段后，重要有如下三方面工作：
(1) 刀盘前方碴土清理
隧道贯通时碴土无法用盾构出碴系统出碴，只能人工清理。清理后碴土运用硬岩隧道施工运送车辆从竖井运出洞外。
(2) 导向平台顺接
碴土清理完毕后，用C30早强混凝土将盾构前体下部至硬岩隧道段已施工导向平台进行顺接，保证盾构顺利过渡到导向平台。
(3) 安设提供反力牛腿及千斤顶
在导向平台预埋钢板上安设牛腿，在牛腿与盾构土仓隔板间安设液压千斤顶，为盾构步进提供反力。此外，也可采用在刀盘前方堆碴，为盾构推动提供足够反力。
4、盾构步进、拼装管片通过硬岩隧道段
盾构推动前，将喷射机、米石等材料机具通过硬岩隧道段施工竖井运至刀盘前方。
(1) 盾构步进
依照刀盘与导向平台之间关系，调节各组推动油缸行程，使盾构姿态沿设计线路方向推动。前期施工时推动速度普通控制在15～40mm/min之间，工艺纯熟后推动速度可达到60～85mm/min，总推力在300t左右，下部油缸压力略不不大于上部油缸压力。盾构步进时，派专人在盾构前方检查、监测盾构步进状况，重要检查硬岩隧道开挖与否有侵入盾构刀盘轮廓岩石存在、盾构前体下部与导台结合状况、米石回填与否密实等。盾构步进时，刀盘前方监测人员与盾构主司机要紧密配合，使盾构沿导台中心进行前移，保证盾构前移时管片受力均匀。
依照该段曲线半径（R＝1800米），计算出盾构每推动一环所发生偏转角与铰接油缸行程差和推动油缸行程差。经计算，每推动一环管片所发生偏转角α＝0.04775°，油缸产生行程差为4mm。在盾构推动前复核硬岩隧道与盾构轴线误差，依照误差调节铰接油缸、推动油缸行程差，保证盾构盾壳与硬岩隧道间间隙，保证盾构按隧道设计轴线进行推动。
(2) 管片拼装
加强管片选型工作，通过控制盾尾与管片外表面间隙，保证管片拼装符合设计规定。管片拼装工艺与正常掘进时工艺相似。管片选型时，依照盾尾间隙与油缸行程差，结合盾构姿态选取适当管片。
管片每安装一片，先人工初步紧固连接螺栓；安装完一环后，用风动扳手对所有管片螺栓进行紧固；管片出盾尾后，重新用风动扳手进行紧固。在安装管片时，推动油缸压力设定为50bar。
5、管片背衬回填
管片背衬回填由喷射米石、盾尾同步注浆、补充注浆等构成。通过喷射米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，并增长盾构向前推动摩擦力。运用盾构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，提高支护效果。依照注浆后检查成果，从管片注浆孔补充注浆固结管片。
(1) 喷射米石回填
在管片拼装同步进行米石喷射回填工作，喷射米石分两步进行：第一步，每隔4.5m在盾构机切口四周用袋装砂石料围成一种围堰，围堰范畴不不大于60°～300°，以防管片背后米石、砂浆前窜。从刀盘前方向盾构后方吹入粒径5～10mm米石骨料，喷射压力为0.25～0.3MPa。第二步，在管片拼装完毕并脱出盾尾后，从管片注浆孔向管片背后吹入米石骨料。但当管片背后间隙较少时，从注浆孔向管片背后吹米石比较困难，这点在施工中要充分考虑周到。喷射米石回填施工见图3所示。
充填原则：考虑暗挖隧道平均超挖15cm，管片与暗挖隧道孔隙6.98m3，喷射米石填充孔隙60～70%，则每环管片需喷射米石约4.5～5m3。
图4 喷射米石回填示意图
(2) 盾尾同步注浆
① 同步注浆浆液性能
同步注浆采用水泥砂浆。浆液配比为——水泥：膨润土：粉煤灰：砂：水＝160：56：341：779：446 。浆液胶凝时间为——初凝时间8h，终凝时间10.5h，施工时依照盾构推动过程中浆液流动状况，恰当调节浆液胶凝时间。
② 注浆工艺
同步注浆在每环管片喷射米石回填后进行，与盾构步进同步。注浆通过盾构自身配备同步注浆系统，采用手动控制方式，由人工依照现场状况随时调节注浆流量、速度、压力。
注浆压力：为保证对管片背后空隙有效填充，同步防止砂浆前窜至刀盘前方，注浆压力取值为0.05～0.08MPa。
注浆结束原则：同步注浆时盾壳外围是敞开，压力变化不大，不以压力作为注浆结束控制原则。当注浆量达到理论注浆量80%以上（考虑浆液向刀盘前方流动，每环同步注浆量普通取6m3）时，即可结束注浆。在注浆过程中，加强对盾构四周以及盾壳外部围堰变形观测，发既有浆液外泄，应暂时停止注浆。
③ 注浆效果检查
在盾构管片安装10环后，间隔6m（4环管片）在管片注浆孔处开口检查注浆效果。依照检查效果，决定与否进行补充注浆。
(3) 补充注浆
① 第一次补充注浆
第一次补充注浆目是填充管片背后特别是顶部空洞，保证管片与硬岩隧道初期支护间密实度。盾构步进过程中，每6m通过管片注浆孔检查同步注浆效果。管片背后如果存在空洞，运用砂浆运送罐车从管片上部30°或330°位置注浆孔进行注浆。注浆时，避开封顶块位置。
浆液采用水泥单液浆。浆液配比为：水泥：水=1：0.8。注浆压力取值为0.3～0.4MPa。注浆结束原则采用注浆压力单指标控制。
② 第二次补充注浆
在盾构通过硬岩隧道后，依照管片间渗漏水状况，采用KBY-50/70双液注浆泵进行注浆堵水。
浆液采用水泥－水玻璃双液浆。浆液配比为水泥：水玻璃为1：1，注浆压力取值为0.2～0.3MPa，注浆流量不不不大于10L/min。注浆结束原则采用注浆压力单指标控制。
6、监控量测
监控量测随着隧道施工全过程，依照量测数据调节施工工艺及工法，保证施工及地表建筑物安全。在硬岩隧道钻爆法施工时，重要进行地表沉降、隧道拱顶下沉及水平收敛监测。盾构空载过硬岩隧道时，因钻爆法隧道变形已基本稳定，同步注浆压力仅有0.05～0.08MPa，对构造影响小，监测以管片拼装后姿态测量为主，保证隧道成洞质量。
五、机具设备配备（见表3）
表 3 机　具　设　备 配 备 表
序号
名 称
规格型号
数 量
用 途
1
土压平衡盾构
EPB6280mm
1台
推动并拼装管片
2
同步注浆泵
SWING KSP12
2台
管片背后同步注浆
3
编组列车
机车35T
2列
运送管片及砂浆
4
砂浆搅拌站
TS-500(20m3/h)
1座
生产同步注浆用砂浆
5
水平运送车辆
EQ1090(2m3)
2辆
运送米石
6
混凝土喷射机
ZSP-6
2台
喷射米石
7
双液注浆泵
KBY-50/70
1台
补充注浆
8
双液搅拌机
QV－500/50
1台
浆液拌制
9
门式起重机
15T/23.2m
1台
管片及轨排等材料吊放
10
电动葫芦　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CD104
1套
刀盘前方所需材料吊放
11
交流电焊机
BX3-500
1台
焊接喷射米石作业台架
12
内燃空压机
VY－12/8
2台
为喷射机供风
六、劳动组织
盾构通过硬岩隧道段施工（涉及盾构空载推动、管片安装、背衬吹米石及同步注浆回填等工作内容）分两个作业班循环进行，每个作业班共计41人，劳动力组织如表4所示。
表4 盾 构 机 过 硬 岩 隧 道 时 劳 动 组 织
序号
岗 位 名 称
人 数
职 责
1
班长
1
负责现场施工管理
2
盾构主司机
1
盾构机操作
3
值班土木工程师
1
现场技术指引
4
管片安装司机
1
操作管片安装机
5
管片安装工
4
安装管片
6
管片供应
4
管片选型及止水材料粘贴
7
同步注浆司机
1
操作同步注浆泵
8
机车司机
2
管片、砂浆及其她材料运送
9
搅拌站
3
拌制同步注浆用砂浆
10
门吊司机
1
吊放管片及其她材料
11
喷射机司机
1
喷射机操作
12
水平运送车司机
2
运送米石
13
空压机司机
1
空压机操作
14
电动葫芦司机
1
吊放刀盘前方所需材料
15
洞内辅助工
6
米石喷射（4）、电工（1）、修理工（1）
16
洞外辅助工
4
轨排加工（2）、管线工（1）、充电工（1）
17
盾构机维保
6

18
安全员
1
刀盘前方安全巡逻
合 计
41人

管片背后空洞补充注浆和注双液浆堵水工作安排在白天进行，分一种作业班共计12人，其劳动组织见表5。
表5 补 充 注 浆 时 劳 动 组 织
序号
岗 位 名 称
人 数
职 责
1
班长
1
负责现场施工管理
2
值班土木工程师
1
负责现场注浆技术指引
3
机修工
1
机械维修及管路清洗
4
运料工
3
水泥、水玻璃等材料运送
5
注浆泵司机
2
注浆泵操作及施工记录
6
制浆工
4
浆液配制
合 计
12人
七、质量控制
1、成立以项目总工任组长，盾构主司机、值班土木工程师、测量工程师、实验工程师、掘进班班长、注浆司机为成员技术小组，负责施工方案制定并提供技术指引。
2、施工前对盾构步进、喷射米石、同步注浆等核心工序作业进行培训和技术交底，由值班土木工程师跟班进行指引、监控。
3、由专职质量工程师负责各工序质量检查及施工过程控制，严格工序交接班制度，禁止不合格工序进入下一施工流程。
4、详细质量控制办法
(1) 管片防水
为保证管片防水效果，施工中采用如下办法：
① 在隧道贯通前安装管片时，每环管片用φ22钢筋与上一环管片相连，并点焊连接牢固，防止因贯通时刀盘前方突然失去反力导致已安装管片松动。
② 在盾构机步进前方，运用导向平台上预埋钢板焊接牛腿，安设两个80t千斤顶提供反力；或者直接在刀盘前方堆碴提供盾构机步进所需反力。
③ 安装管片时，在该环管片螺栓紧固完毕后，对上一环管片螺栓进行二次紧固，以保证管片块与块之间、环与环之间紧密连接。
(2) 管片错台
盾构在导向平台上向前推动时，盾构前体、中体以及盾尾盾壳与导向台是紧密接触，不会产生大错台。但仍需采用如下办法：
① 每3～5环对管片姿态进行人工测量，依照测量成果结合盾尾间隙进行管片选型。
② 加强管片背后喷射米石及注浆回填效果检查，保证管片与硬岩隧道初期支护间空隙充填密实度，保证管片下部有足够支撑力。
(3) 盾构姿态控制
由于盾构主机体积大（长8.5m，刀盘直径达6.28m）、质量重（重达300T），姿态调节比较困难。在通过硬岩隧道时采用如下办法进行盾构姿态控制：
① 积极采用办法，保证导向台施工精度
导向台是盾构通过硬岩隧道时下部支撑，其施工精度直接决定着盾构姿态。导向台施工前从地面通过竖井进行精准三角形定向测量和钢尺悬垂法高程联系测量，将地面控制导线网坐标、方向和高程传递到洞内。导向平台施工模板定位后必要进行测量复核，混凝土浇注后再进行标高复测，保证导台施工精度在0～＋15mm以内。
② 调节好隧道贯通时盾构姿态
盾构从盾构隧道进入硬岩隧道前，及时调节盾构出洞姿态，保证盾构出洞时旋转值Roll不大于±3mm/m。盾构在导向平台上步进时，调节盾构旋转值Roll不大于±5mm/m。
③ 做好管片选型及安装，保证隧道成洞质量
由有经验土木工程师24小时现场值班，综合盾构机姿态、盾尾间隙、油缸行程以及盾构步进状况等因素，合理选取管片安装类型，使盾构姿态偏差在±20mm以内、上下左右盾尾间隙均在70mm左右、最大油缸行程差在25mm以内，保证管片受到油缸推力较平均，在管片脱出盾尾时，盾尾内壳不会挤压管片外壁，可有效防止管片产生错台、裂缝。
八、安全办法
1、严格按项目安全管理制度和施工方案组织施工，严格制定和执行有关设备安全操作规程。
2、加强硬岩隧道段（涉及竖井段）通风和照明工作，对米石进行洒水湿润，以减少粉尘，提高洞内作业环境条件，保证人员和设备安全。
3、隧道贯通后，及时对暴露围岩面进行喷混凝土或喷锚网封闭，加强刀盘前方安全巡逻，避免发生坍塌。
4、喷射米石回填及后期补充注浆，需在盾构刀盘前方、设备桥、后配套拖车及修补架等高空处进行，作业人员必要佩戴好安全防护品，布好安全防护设施，防止发生高空坠落。
5、喷射米石时，先固定好喷头，再开喷浆机进行喷射，避免米石突然喷出导致人员伤害或和设备仪表损坏。
6、加强垂直运送及洞内水平运送系统控制，防止高空物体坠落及车辆伤害事故发生。
7、加强洞内用电控制，保证施工安全。
九、效益分析
（一）社会效益
本工法将钻爆法施工与盾构法施工相结合，避免了盾构法在岩层太硬、距离偏长地层中施工对设备损坏和对盾构法应用限制，使盾构或双护盾TBM施工都市地铁、铁路、公路、水工隧道等地下工程能得到进一步发展。
应用本工法，有效地避免了盾构在长距离硬岩地层中掘进施工风险，极大地以便了都市与交通等方面建设规划，并能保证工程和周边环境安全。在采用相应办法和办法满足都市环境条件条件状况下，可得到应有推广使用，有较大社会效益。
（二）经济效益
1、施工速度快、工期效应明显。盾构拼装管片通过硬岩段可以达到平均每天11米施工进度，其综合进度比盾构法在普通较硬岩层地段进度还快，每延米隧道至少节约5.8小时。因而，硬岩隧道越长，工期提前规模效应越明显。
2、避免了盾构在岩层段掘进时刀具磨损及意外破坏。相比之下有较大成本节约。依照盾构在局部硬岩地层中正常掘进刀具磨损值记录，在广州市轨道交通三号线大汉区间盾构工程427.5m硬岩地段，如用盾构掘进，仅刀具费用就达120万元以上，尚未涉及刀具意外损坏发生费用。
3、避免了硬岩地层掘进中盾构震动激烈对设备导致损坏，延长了盾构使用寿命。
十、工程实例
广州市轨道交通三号线【大石南～汉溪站～市桥北区间】盾构工程右线隧道YDK16+708.5～+937（228.5m），左线隧道ZDK16+730～16+929（199 m）段地层重要为〈8Z-2〉混合岩中风化层、〈9Z-2〉混合岩微风化层，围岩分类为Ⅰ、Ⅱ级，属上元古界震旦系花岗岩片麻岩混合岩体，其岩石单轴抗压强度达118MPa，且软硬岩层互为夹层现象普遍，岩层均一性差，对盾构法施工极为不利。
在盾构到达前，运用区间隧道中间风机房风井作为施工竖井，采用钻爆法开挖并进行必要初期支护，盾构隧道与硬岩隧道贯通后，盾构在已施工混凝土导向平台上空载推动并拼装管片通过、管片背后与钻爆法初期支护间空隙采用吹米石与注浆结合新工艺进行回填密实，成功通过了该硬岩地层。
1、右线隧道应用状况
右线隧道9月20日10：45贯通，9月24日完毕准备工作开始推动，但是因混凝土导向平台标高问题，9月29日～10月5日停机解决导向平台，10月6日恢复推动，11月1日通过硬岩隧道。综合进度为平均每天3.4环（5.1m），最高13环（19.5m），扣除导向平台导致影响，平均进度为每天4.8环（7.1m），
2、左线隧道应用状况
左线隧道11月22日23：00贯通，11月26日完毕准备工作开始推动， 12月10日通过硬岩隧道。平均进度为每天7.4环（11.1m），最高为14环（21m）。
3、应用效果及质量评价
经现场实测管片姿态，高程和平面偏差均不大于30mm，符合《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299－1999）中管片拼装容许偏差规定（±50mm），管片表面无破损，相邻管片无明显错台，无渗漏水现象。工程质量得到驻地监理部和业主代表好评。