41硬岩地铁隧道钻爆法开挖盾构法衬砌施工技术

硬岩地铁隧道钻爆法开挖盾构法衬砌施工技术杨书江（中铁隧道股份有限公司河南新乡453000）摘要：盾构法施工技术在城市地铁隧道建设中得到广泛应用，但其本身也具有一定的局限性，如长距离硬岩地层及软硬互为夹层地层的掘进施工。在广州市地铁三号线【大石南～汉市区间】盾构工程施工中，创造性地采用了钻爆法开挖盾构法衬砌施工工艺，成功解决了长距离硬岩地层的施工难题。文章介绍了这种新工艺，希望对类似工程施工有所借鉴。关键词：地铁隧道硬岩钻爆法盾构法新工艺1前言随着城市轨道交通事业的快速发展，盾构法施工技术在上海、广州、深圳、南京、北京等城市地铁建设中得到广泛应用。目前国内使用的复合式土压平衡盾构对于软土及岩石单轴抗压强度小于80Mpa的硬岩地层施工是完全适应的，但是对于长度超过100米、岩石单轴抗压强度超过100Mpa的长距离硬岩地层，不仅在国内盾构法施工中没有先例，即使在盾构技术比较发达的国外也鲜有成功经验可循，存在较大的施工难度。为减少施工风险，进一步完善土压平衡盾构在长距离硬岩地层的施工配套技术，必须探索其他的辅助施工模式。中铁隧道股份有限公司在广州市轨道交通三号线工程施工中，采用钻爆法开挖硬岩隧道并进行初期支护、隧道底部施作弧形钢筋混凝土导向平台、盾构空载推进拼装管片通过、管片背后与钻爆法初期支护间的空隙利用吹米石与注浆结合的新工艺，成功通过了427.5m（右线隧道228.5m，左线隧道199m）岩石单轴抗压强度最高达118Mpa的硬岩地层。2技术特点⑴钻爆法开挖盾构法衬砌施工技术作为盾构法施工的配套技术，极大地拓展了盾构法施工的适用范围。⑵有效地避免了盾构在长距离硬岩地层中掘进的施工风险，确保了工程的顺利实施，硬岩隧道越长，工期提前的规模效应越明显。⑶节省大量的刀具费用，同时避免了硬岩地层掘进盾构震动剧烈对设备造成的损坏，延长了盾构的使用寿命。3施工关键技术3.1硬岩段钻爆法施工为提高断面利用率，减少施工投入，硬岩段隧道设计为圆形断面，采用新奥法原理设计施工，根据盾构通过的需要分为盾构通过段和盾构接收段。(1)盾构通过段盾构通过段隧道设计为净空6400mm的圆形断面，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，具体支护参数根据围岩条件和监控量测结果进行调整。见图1硬岩段隧道施工示意图。(2)盾构接收段为了保证盾构出洞时的空间，硬岩隧道靠近盾构隧道处的3米隧道作为盾构机接收段，接收段隧道净空为6800mm。为便于在盾构机到达后对盾构机进行底部处理，底部70°范围内的半径加大到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°范围内设置半径为3150mm，厚度150mm的弧形混凝土导向平台。3.2隧道贯通前盾构掘进施工盾构隧道与硬岩隧道贯通前的25m作为盾构到达段，采用土压平衡模式掘进。盾构进入到达段时，逐步减小推力、降低推进速度，并加强出土量的监控次数。刀盘转速1.65～1.85r/min，盾构推进总推力小于800吨，推进速度不大于25mm/min。隧道贯通前3环采用敞开式模式掘进。掘进速度控制在15mm/min以内，总推力在600吨以内，采用小推力、低速度进入盾构接收段。隧道贯通前150～200m，对盾构隧道和硬岩隧道内所有测量控制点进行一次整体的、系统的控制测量复测和联测，对所有控制点的坐标进行精密、准确的平差计算。贯通前100m、50m时分别人工复测盾构姿态，及时纠正偏差，确保盾构顺利进入接收段。盾构在到达段掘进过程中，派专人负责观察硬岩隧道段的岩面变化情况。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，立即通知盾构主司机调整掘进参数，防止推力过大，造成刀盘前部围岩的大面积坍塌。在碴土清理完成后，用C30早强混凝土将盾构前体下部至硬岩隧道段已施工的导向平台进行顺接，确保盾构能顺利过渡到导向平台上。3.3盾构步进拼装管片施工盾构推进前将喷射机、米石等材料机具，通过硬岩隧道段的施工竖井运至刀盘前方。(1)盾构步进根据曲线半径，计算出盾构每推进一环所发生的偏转角与铰接油缸行程差和推进油缸行程差，在盾构推进前复核硬岩隧道与盾构轴线误差，根据误差调整铰接油缸、推进油缸的行程差，保证盾构盾壳与硬岩隧道间的间隙，确保盾构按隧道设计轴线进行推进。根据刀盘与导向平台之间的关系，调整各组推进油缸的行程，使盾构姿态沿设计线路方图2：喷射米石回填示意图向推进，推进速度在60~85mm/min之间。盾构步进时，派专人在盾构前方检查、监测盾构步进情况，主要检查硬岩隧道的开挖是否有侵入盾构刀盘轮廓的岩石存在、盾构前体下部与导向平台的结合情况、米石回填是否密实等。(2)管片拼装管片拼装工艺与正常掘进时的工艺相同。管片选型要根据盾尾间隙与油缸行程差结合盾构姿态选择合适的管片。通过控制盾构盾尾与管片外表面的间隙，确保管片拼装符合设计要求。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；待管片脱出盾尾后，重新用风动扳手进行紧固。安装管片时推进油缸的压力设定为50bar。3.4管片背衬回填管片背衬回填由喷射米石、盾尾同步注浆、补充注浆等组成。①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，并增加盾构向前推进的摩擦力。②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，提高支护效果。③根据注浆后的检查结果，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的同时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在盾构的切口四周用袋装砂石料围成一个围堰，围堰范围不小于60°～300°，以防管片背后的米石、砂浆前窜。从刀盘前方向盾构后方吹入粒径5~10mm的米石骨料，喷射压力为0.25~0.3MPa。第二步，在管片拼装完成并脱出盾尾后，从管片注浆孔向管片背后吹入米石骨料，在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。喷射米石回填施工见图2所示。充填标准：考虑暗挖隧道平均超挖15cm，管片与暗挖隧道的孔隙6.98m3，喷射米石填充孔隙的60~70%，则每环管片需喷射米石约4.5～5m3。(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。浆液胶凝时间：初凝时间8h，终凝时间10.5h，施工时根据盾构推进过程中浆液的流动情况，适当调整浆液胶凝时间。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的同步注浆系统，采用手动控制方式，由人工根据现场情况调整注浆流量、速度、压力。注浆压力：为保证对管片背后空隙的有效填充，同时防止砂浆前窜至刀盘前方，注浆压力取值为0.05~0.08MPa。注浆结束标准：同步注浆时盾壳外围是敞开的，压力变化不大，不以压力作为注浆结束的控制标准。当注浆量达到理论注浆量的80%以上时，即可结束注浆。在注浆过程加强对盾构四周以及盾壳外部的围堰变形的观测，发现有浆液外泄，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，根据检查效果，决定是否进行补充注浆。(3)补充注浆①第一次补充注浆第一次补充注浆的目的是填充管片背后尤其是顶部的空洞，确保管片与硬岩隧道初期支护间的密实度。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，利用砂浆运输罐车从管片上部30°或330°位置的注浆孔注入水泥单液浆，注浆时避开封顶块位置。②第二次补充注浆在盾构通过硬岩隧道后，根据管片间渗漏水情况，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，注浆流量不大于10L/min。注浆结束标准采用注浆压力单指标控制。3.5监控量测监控量测伴随隧道施工全过程，根据量测数据随时调整施工工艺及工法，确保施工及地表建筑物的安全。在硬岩隧道钻爆法施工时，主要进行地表沉降、隧道拱顶下沉及水平收敛的监测。盾构空载通过硬岩隧道时，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，不会引起地表变形，监测以管片拼装后的姿态测量为主，确保隧道的成洞质量。4质量控制措施4.1管片防水盾构步进通过硬岩隧道时，盾构盾壳与导向平台间的摩擦力约100t，管片与盾尾尾刷间的摩擦力20t，拖拉后配套的拉力75t，即盾构在导向平台上向前步进所需反力为195t。现场施工时，盾构油缸推力均在300t以上，没有因止水条挤压不紧而造成管片漏水现象。为保证管片的防水效果，施工中采取以下措施：⑴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，防止因贯通时刀盘前方突然失去反力造成已安装的管片松动。⑵在盾构步进前方，利用导向平台上的预埋钢板焊接牛腿，安设两个80t的千斤顶提供反力；或者直接在刀盘前方堆碴提供盾构步进所需的反力。⑶安装管片时，在该环管片的螺栓紧固完毕后，对上一环管片的螺栓进行二次紧固，以保证管片的块与块之间、环与环之间的紧密连接。4.2管片错台盾构在导向平台上向前推进时，盾构的前体、中体以及盾尾的盾壳与导台是紧密接触的，只要注意管片选型与姿态调整，不会产生大的错台。⑴每3~5环对管片姿态进行人工测量，根据测量结果结合盾尾间隙进行管片的选型。⑵加强管片背后喷射米石及注浆回填效果的检查，确保管片与硬岩隧道初期支护间空隙的充填密实度，保证管片下部有足够的支撑力。4.3盾构姿态控制由于盾构主机的体积大（长8.5m，刀盘直径达6.28m）、质量重（重达300T），姿态调整比较困难。在通过硬岩隧道时采取以下措施进行盾构姿态的控制：⑴积极采取措施，确保导向平台施工精度导向平台是盾构通过硬岩隧道时的下部支撑，导向平台的施工精度直接决定着盾构的姿态。导向平台施工模板定位后必须进行测量复核，混凝土浇注后应进行标高的复测，确保导向平台的施工精度在0～＋15mm以内。⑵调整好隧道贯通时盾构的姿态盾构从盾构隧道进入硬岩隧道前，及时调整盾构的出洞姿态，确保盾构出洞时的滚动值Roll小于±3mm/m。盾构在导向平台上步进时，调整盾构的滚动值Roll小于±5mm/m。⑶做好管片的选型及安装，确保隧道成洞质量由有经验的土木工程师24小时现场值班，综合盾构的姿态、盾尾间隙、油缸行程及盾构步进情况等因素，合理选择管片的安装类型，控制推进油缸行程差，使盾构机姿态偏差在±20mm以内、盾尾间隙均在70mm左右，确保管片受到的油缸推力较平均，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。5工程应用情况5.1右线隧道应用情况右线隧道2003年9月20日10：45贯通，9月24日完成准备工作开始推进，但是因混凝土导向平台标高问题，9月29日～10月5日停机处理导向平台，10月6日恢复推进，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），扣除导向平台造成的影响，平均进度为每天4.8环（7.1m），5.2左线隧道应用情况左线隧道2003年11月22日23：00贯通，11月26日完成准备工作开始推进，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）。5.3应用效果及质量评价经现场实测管片姿态，高程和平面偏差均小于30mm，符合《地下铁道工程施工及验收规范》中管片拼装允许偏差要求（±50mm），管片表面无破损，相邻管片无明显的错台，无渗漏水现象。作者简介杨书江（1973.3－），男，工程师，本科，1996年毕业于中国矿业大学交通土建专业，中铁隧道股份有限公司广州地铁大汉盾构项目经理部总工程师，从事地铁盾构隧道施工技术管理工作。广州市番禺区大石镇礼村怡景花园A2栋怡丽苑402室，邮编511430，电话：[phone]（兼传真），13512739389，Email：[e-mail]广州市轨道交通三号线【大石南～汉市区间】盾构工程右线隧道228.5m、左线隧道199m地层主要为〈8Z-2〉混合岩中风化层、〈9Z-2〉混合岩微风化层，围岩分类为Ⅴ、Ⅵ类，属上