盾构空推拼装管片过矿山法隧道施工工法

盾构空推拼装管片过矿山法隧道施工工法

中铁二十局集团莞惠城际GZH-6标项目经理部程义政1前沿目前我国城市地铁及城际轨道交通工程迅猛发展，城市地下隧道施工多采用盾构法及暗挖法进行施工，而盾构法施工以其对地层适应性强、安全性高、施工速度快等特点逐步取代传统暗挖法。而城市内地面环境复杂，建、构筑物覆盖率较高，且地质条件复杂，洞身地质以上软下硬及硬岩地层居多，在建项目盾构区间单向掘进长度普遍超过3km，而在长距离掘进导致盾构机维修保养、不良地质条件下换刀耗费时间、控制地面沉降进行加固等因素影响下，长大隧道贯通工期容易受到影响，在盾构施工工作面局限性受制情况下，采取矿山法接应、盾构机空推的方案措施优化工期是独特、科学、成熟的新型工法之一。如何做好盾构机空推过矿山法隧道施工工法显得尤为重要。以莞惠城际轨道交通项目为例，莞惠线正线全长99.841km，其中隧道总长度为54.428km，占线路总长度54.51%，隧道主要下穿东莞市市区及东莞市部分城镇。该线路盾构标段中GZH-2标左线区间3290m、右线区间3260m；GZH-3标左线区间2563m、右线区间2475m（新增两台盾构机后左右线均分别划分为两个区间）；GZH-6标1#盾构区间1453+1461m、2#盾构区间2925m；GZH-6B标盾构区间2932m。由于上述盾构标段均下穿城市、镇密集型居民厂房区，且地质条件极为复杂，严重影响盾构掘进进度，与盾构上场初期预估进度指标相差甚远，均采取不同措施优化工期。在莞惠6标段采取盾构空推拼管片过矿山隧道试验性成功后，3、6B标段相继采取该方案进行工期优化。视盾构区间地质条件，在盾构机继续向前掘进的同时，从盾构机吊出井处向盾构机方向进行矿山法开挖及初期支护，待盾构机掘进至盾构及矿山法交接面后，再进行盾构机空推拼装管片通过已施工矿山法段，直至盾构区间全部贯通。本文主要通过已实施的成功案例，总结相关施工经验的基础上形成本工法。2工法特点2.1目前在建项目长大盾构隧道施工时，容易出现工期紧张、盾构机难以适应当前地质、盾构机出现严重故障且地面无法增加吊出井或需施工导洞处理刀盘前方孤石等情况，本工法可作为增加工作面的方案之一。2.2盾构机在已施工矿山法段稳定拼装管片，不受地面及地质条件影响，可有效大幅提高施工进度的目的。3适用范围本工法尤其适用于地质条件复杂需进行工期优化或接应盾构机的长大盾构隧道中，为确保安全，矿山法施工初支主要适用于洞身为坚硬岩地质的隧道中。4工艺原理根据盾构剩余段长度分别划分盾构、矿山法施工长度，盾构机继续向前掘进的同时，从吊出井处向盾构机方向进行相向矿山法开挖，开挖断面大于盾构机刀盘,加强初期支护措施，根据任务划分完成矿山法开挖后，封堵接头端墙，矿山法段施工盾构掘进导台。盾构机到达端墙、步入导台后，进行空推拼装管片过矿山法隧道，同时进行背后回填及注浆，直至盾构机到达吊出井。盾构机开挖直径8.83m，盾构管片外径8.5m，管片厚度400mm，矿山法开挖断面9.78*9.54m，隧道初期支护参数如下表4-1：表4-1矿山法开挖初期支护参数表5施工工艺流程及操作要点5.1工艺流程盾构空推拼管片过矿山法隧道施工工艺流程如图5.1：图5.1施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1测量复核矿山法开挖前及盾构掘进剩余50m时需反复进行中线复核，确保盾构顺利贯通，减少盾构隧道与矿山法隧道贯通误差，减少盾构机步入矿山法隧道时的纠偏量。导台起点从端头墙开始,一直至吊出井内,在端头墙位置做10‰的坡度以便于盾构机顺利爬上导台。因盾构机中盾与尾盾之间是焊缝连接拆机时必须刨开焊缝，所以在吊出井内的导台需改变断面形式（亦可使用接受架），中心段之间预留1m长的缺口,使盾构机中尾盾在缺口处顺利刨开。同时在井内导台两侧1000mm的操作台上预埋400mm×200mm×20㎜厚的钢板以便于盾构机拆除，如下图：在施工矿山法段时要特别控制好隧道的中线，导台标高、弧度和导台的中心线，保证施工的精度。由于盾构机刀盘外径比盾体外径大,在盾构机从端头墙端进入导台前,卸掉刀盘与导台面接触的边缘滚刀及周边刮刀,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。5.2.4盾构掘进在到达段(实推最后15环)盾构掘进采用敞开式模式进行掘进。其掘进施工参数见表5-1。在贯通前的最后3环，需要减小推力、降低推进速度。其掘进施工参数见表5-2。管片注浆及防止浆液前窜，每环按照设计方量进行同步注浆，同时提高管片抗浮能力，在掘进拼装完成倒数第三环后，停止掘进，在倒数第10至倒数第6环进行二次双液注浆，确保连续5环全断面注满。为确保隧道贯通后的管片接缝防水要求，在到达矿山与盾构分界里程后开始，安装每一片管片时，首先人工对每片管片连接螺栓进行初步紧固;待安装完一环后，用风动扳手对螺栓进行进一步的紧固;待管片出盾尾之后，重新用风动扳手进行紧固。5.2.5盾构空推段施工当盾构机进入导台后，启动盾构机往前掘进，然后开始进行管片拼装、管片背衬回填工作。5.2.5.1空推段管片拼装盾构机在导台上前行，每前行1.6米安装一环管片。再管片拼装过程中要在盾构机前方提供反力，以确保管片安装的质量要求，增强管片的防水效果。反力由堆放在刀盘前方的砂土混合物堆提供，原设计采用喷射豆砾石，考虑到豆砾石透水性较强，盾构机前方为空，抵制不住浆液流失，根据施工经验，采用一定级配的砂土进行堆放，既有利于盾构机推进时砂土两边散落，又可减少渗透性，进而减少浆液流失。考虑到初衬和管片外部的填充量为11m3/m，管片拼装所需的反力为180T，所以在刀盘前方堆积的混合料高度为4m（约刀盘1/2高度），长为4～5m。（机制砂选用粒径为3.7～4.5mm，堆积密度大于1350㎏/m3）。盾构机前方安排2-3人专人负责整理堆土至盾构后。管片拼装工艺与正常掘进时的工艺相同，管片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。在管片安装时，先人工将每片管片连接螺栓进行初步紧固;待安装完一环后，用风动扳手对螺栓进行进一步的紧固，待管片出盾尾之后，重新用风动扳手进行紧固。在管片拼装最后10环时，在隧道内已拼装好的两侧用18cm的槽钢将相邻的两环管片连接在一起，防止盾构机在前行时反力变小，管片止水胶圈压不密实，出现渗漏等质量问题。盾构掘进模式采用空压模式，掘进推力控制在800T以内（经验算在正常掘进时盾体的摩擦力与后配套牵引力之和大约为800T），盾构掘进过程中如果掌子面上有较大的水在涌入隧道，为防止管片上浮，待管片拖出盾尾后及时在顶部将管片进行固定，管片固定采用从吊装头上安装螺杆进行固定，隔2环固定1环。5.2.5.2管片背部回填与注浆管片拼装完成后，要及时进行管片外径与初衬间的回填工作，用喷射的砂土混合物在管片脱离盾尾时进行管片支撑，以防管片下沉产生错台。管片背部回填是在刀盘前方，将500mm的导管从盾构机盾壳外伸入到当盾构机中盾或者盾尾进行，在回填时盾构机停止前行，使用喷射机自刀盘前方向盾体后方吹人有一定级配的砂土混合料，同时安排3～4人用铁锹在前盾两侧进行填充。盾构每前行0.5m～0.8m时喷射一次，以确保管片背部充分密实。在推进的同时离盾尾3～5环后进行同步双液注浆。利用两台注浆系统同时在已成环管片两侧（通常指3、9点位置）进行水泥浆-水玻璃注浆作业。水泥浆和水玻璃以4∶1的比例混合同时进入，所用双液浆必须在现场做调配试验凝固时间为20s，以期达到快速凝固，使管片与初支紧密连接，以提高支护效果。由于管片回填注浆时盾构机前方敞开，管片注浆效果可能不理想，必须对管片进行补充注浆。在已拼装成环管片10～15环的顶部间隔一环打开管片注浆孔进行二次注浆，二次注浆浆液采用水泥砂浆，配合比：水泥：砂子：膨润土：粉煤灰：水为90:670:100:450:400，砂浆稠度控制在10～11左右，为了保证达到对环向空隙的有效填充，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，注浆压力取值为0.1～0.2MPa。空推段掘进完成的最后阶段盾尾即将到达洞门20～30cm时停止掘进，对洞门与盾尾的间隙进行湿喷封闭，然后用同步注浆设备进行注浆，确保空推段所有管片背后全部填充饱满，同时对所有管片螺栓进行再次复紧。5.2.6浆液配比常规采用42.5普通硅酸盐水泥浆水灰比为0.8:1~1:1（具体可根据施工现场实际情况调整），浆液调配时增加5%~15%的水玻璃，以减小注浆后的收缩性，避免二次沉降。搅拌3~5分钟，即可放浆，先采用水泥稀浆开灌，随着压浆的进行，浆液逐渐加浓。6人员与设备6.1本工法每班作业人员配备表如下表6.1：表6.1人员分工表6.2本工法每班主要增加机械设备配备表如下表6.2：表6.2主要增加机械设备配备表7质量控制7.1管片与隧道初支间空隙较大且不均匀，易导致管片上浮。在盾构机过空推段为了防止管片上浮每隔2环采用特制支撑螺杆（如图4所示）对管片注浆孔进行支撑加固，加固注浆孔位置的选择为成环管片3点、9点钟以上的位置。加强管片姿态监控，测量班每6环对管片进行一次姿态测量，如发现管片有上浮和下沉趋势应及时调整施工参数，盾构注浆手也应根据测量数据适当调整注浆量。为防止管片在盾构掘进后产生上浮，在施工过程中，管片背衬注浆只从管片大跨上部进行压注，注浆压力不大于2bar，并保证管片两侧同步注浆，避免因注浆而对管片产生偏压，造成管片移位。如发现管片在后续过程中受水压上浮，及时对管片下部注浆口开孔放水，同时在管片肩部以上进行注双液浆。做好管片背后的排水和注浆。7.2盾构前方敞开，易导致浆液在前方流失。盾构掘进时提高背衬同步双液注浆，同时通过试验调整配合比，确保初凝时间在20s以内，保证管片下部有足够的抗力。在必要时，缩短回填注浆工作面与管片安装工作面的距离，甚至在盾尾外侧直接进行回填注浆。空推段的堆填料减少透水性，不能遇水膨胀，采用成分良好有一定级配的砂土混合物。7.3盾构姿态控制，防止管片受力不均，易导致管片破损。盾构姿态纠偏应缓慢进行，以每环不超过10mm的纠偏量为宜。同时确保45mm以上的盾尾间隙以防止盾壳作用力于管片。在盾构机过空推段往往由于反力不够容易造成管片螺栓不能完全复紧，在拼完每环管片后应及时对后面3环管片螺栓进行复紧，在每次交班前对所有以拼装管片复紧，空推结束后对所有管片螺栓复紧。调整好盾构机从实推段到空推段进洞姿态，确保盾构机进出洞时的旋转值Roll＜±3mm/m。导台的施工精度在±10mm以内。空推过程中，控制盾构机姿态水平和垂直偏差都在±50mm，管片拼装后加强管片姿态监测频率。要控制好推力，掘进速度不能过快，要控制好盾构机姿态，要严密监测管片姿态，防止管片大面积错台、上浮或下沉。7.4空推止水措施盾构即将到达端头墙时防止将端头墙推塌;盾尾进入导台3～5环后要对到达端头进行全断面止水注浆，防止地下水大量涌入空推段造成施工不必要的麻烦。7.5盾构前进反力不足，易导致管片接缝渗漏因盾构机前方堆土与正常掘进不同，盾构前进所受阻力所提供的反力远小于管片止水胶条所需的挤压力。从而易产生因反力不足而导致管片止水胶条挤压不实，影响管片止水条的防水性能造成管片接缝渗漏。为防止出现该现象，初应做好前方堆土外，应反复检查管片螺栓松紧程度，及时进行螺栓复紧，随即立即进行双液浆固定管片，使用槽钢焊接在拼装螺栓上，减少脱离盾尾后松动。8安全控制8.1矿山法施工严格按专项方案进行安全管理，开工前对专业班组进行安全教育及安全技术交底。8.2严格进行专人火工品使用领、用、退管理，坚决杜绝火工品现场过夜。8.3盾构机到达与矿山法隧道交接面时，专人在前方进行安全监督，盾构贯通端头墙推倒前，所有作业人员不得在盾构机前逗留。8.4盾构空推时，专人进行喷射砂土作业，必须配制安全帽、防护眼镜、口罩和手套等劳保用品，控制喷射压力，防止在前方渣土上滑倒。8.5随时做好管片螺栓松紧检查及复紧，及时做好背后回填注浆，防止管片松动掉落伤人。8.6浆液凝固后，打开注浆阀门，如有水溢出，尽管很微小，也需要重新扫孔再注浆。8.7做好盾构接收安全技术交底，专业人员进行接收分项作业。9环保措施9.1砂土至吊出井井口下放是使用串通或渣斗下放，井底采用挖机倒运至刀盘前。9.2喷射砂土时注重环境卫生，井口采用洒水防尘。9.3当出现浆液流失时，及时安排人员进行清理，防止浆液流入凝固在隧道内。9.4储备应急物资，及时将污水等排放至污水沟内。9.5空推完成后，清理井口砂土并调运至渣土堆放区内。10效益分析10.1工效方面：在原盾构正常掘进基础上，增加40m/月矿山法开挖作业面，同时盾构空推段可确保6-8环/日持续拼装的施工进度，较盾构在硬岩段单向掘进月进尺，大幅提高施工工效，从而确保隧道提前贯通。10.2质量方面：矿山法施工可严格按施工图进行施工，可有效控制初期支护施工质量。盾构空推时管片拼装与正常掘进无异，及时做好背后回填及注浆，防止管片上浮、错台、破损，同时可采取槽钢连接加强措施，可保证管片拼装质量。10.3适宜性方面：长达盾构隧道内需优化工期、接应盾构机、盾构机被困或施工导洞处理孤石时均可使