盾构穿越矿山法隧道施工工艺

盾构穿越矿山法隧道施工工艺

李伟

李伟

中铁十八局集团轨道交通工程有限公司

摘要：本文结合工程实例，详细介绍了盾构穿越矿山法隧道施工工艺，从隧道断面测量、导台施工、砂土堆填、盾构机推进及注砂浆施工等方面重点阐述了其施工技术要求，对于矿山法隧道施工存在的相关问题有着良好的解决效果，以供有同类工程参考借鉴。

关键词：矿山法；盾构；隧道施工；技术要求

引言

盾构穿越矿山法隧道施工结合了盾构法及矿山法的优点，即先采用矿山法开挖硬岩段进行初期隧道支护建设，再使用盾构机拼装管片穿越矿山形成隧道。该方法具有自动化程度高、施工速度快、施工质量高、对地面和管线影响小的特点，在城市轨道交通项目施工中应用广泛。施工方案中的盾构机是针对特定的地质状况设计的，应注重盾构机施工所处的地质状况，运用科学合理的施工工艺，以保证建设项目的施工质量。

1工程概况

某轨道交通工程标段土建施工项目包括两个盾构区间，其中两站盾构区间隧道左线在接入站前约90m范围内（ZDK39+126.851～ZDK39+216.1），主要在<9H>微风化花岗岩中穿行，局部为<5H-2>硬塑～坚硬状花岗岩残积土层。该段隧道采用矿山法开挖+喷锚初支+盾构空推拼装管片的施工形式。

2堆填砂土辅助盾构机通过矿山法隧道技术方案

完成矿山法隧道开挖及初支后先进行导台施工，导台设置于矿山法隧道下部60°范围，为盾构机空推提供导向与下部支撑作用。导台完成后，选用砂土储运到隧道内，堆填高度可根据矿山法初支隧道与成型盾构管片背后的间隙计算而得，并根据实际情况适当增加，砂土的堆放应从矿山法隧道掌子面向始发洞口方向均匀堆放；完成砂土堆填后，盾构机开始进入导台并缓慢推进，在盾构机推进的同时，利用盾构机同步注浆孔向管片背后注入水泥砂浆，注浆压力控制在0.2～0.3MPa，每次同步浆液量约为4～5m3，在同步注浆进行的同时，需密切关注同步注浆扩散情况，必要时调整浆液配合比。推进一环进尺后，及时拼装管片。由于盾构机前方是敞开的，同步注浆效果不佳，故一般除同步注浆外还必须对管片进行二次补充注浆，二次注浆共分三次进行，第一次为在管片脱出盾尾后通过底部吊装孔注入水泥水玻璃双液浆，以防止管片下沉产生错台，第二次为随着盾构机向前掘进时在盾尾后方第4～5环管片上的3点和9点位置吊装孔注入双液浆，以防止管片侧移，第三次为每隔10环进行一次环向封堵，中间管片通过1点11点吊装孔注入双液浆，进行拱顶堆填，多次注浆才能确保管片后间隙填充密实。

3技术要求

3.1矿山法初支断面测量与超欠挖处理

矿山法隧道开挖及初支完成后，应先进行隧道断面测量（按每1m设置一个断面），根据测量结果统计隧道超欠挖情况。

（1）对隧道欠挖部位进行凿除处理。

（2）对于超挖超过100mm的部位进行回喷处理。

（3）利用初支背后预埋的注浆管进行注浆，完成隧道的渗漏水部位的封堵。

3.2矿山法隧道底部砼导台施工

导台横断面为隧道底部60°范围，导台理论厚度必须待完成隧道断面（按每1m设置一个断面）测量后，根据测量结果按隧道中线和盾构机盾体外径确定。

导向平台是盾构机通过硬岩隧道时的下部支撑，其施工精度直接决定着盾构机的姿态。导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，确保导向平台的标高施工精度在0～+15mm以内。

矿山法隧道导台施工完成后，应再次对隧道导台部位进行全面的复测，复测按每1m设置断面，每断面测6个控制点。根据测量结果，混凝土导台弧面尺寸偏差超过±15mm必须进行凿除或修补处理，凿除部位必须使用砂浆抹平。导台修整完成后对隧道再次进行清理，务必将隧道底部石渣清理干净。以上措施目的是为了防止盾构机推进期间产生卡刀盘、盾体的现象。

导台混凝土到龄期并拆模完毕，且完成隧道超、欠挖处理，初支背后注浆，隧道清理后，对矿山法隧道进行堆填砂处理。

3.3隧道内堆填砂土

盾构机空推过矿山法隧道期间，盾构机在导台上行走的阻力较小，推进油缸不能有效地压紧管片，造成止水条压缩量不足（管片止水条最小挤压力要求为3000kN，而盾构机空推产生推力往往不足3000kN），管片环向接缝容易漏水；另外，矿山法初衬与管片之间间隙也需要进行及时填充。因此，一方面必须根据实测矿山法初支断面计算管片背后空隙体积，另一方面必须确保堆填砂使盾构机推力超过3000kN，两者相结合计算得出实际填砂量。堆填砂施工应把砂堆在洞口段，并尽量堆满，使盾构机进洞后推进过程中土仓始终为满填砂状态，以达到管片背后充填及阻挡同步浆液往盾构机前方流失的效果，并为盾构机推进提供部分反力。

堆填砂土可先把矿山法隧道按50环为一段进行划分，划分以后根据矿山法实测断面计算管片背后理论填充量，并留有一定的预量（通常按理论填充量的0.3倍考虑），两者相加可得每50环的堆填砂土工程量（不足50环的隧道按50环考虑）。

3.4盾构机推进与管片拼装施工

在盾构机从始发托架上进入导台前，必须卸掉刀盘与导台面接触的刀具，避免盾构机在导台上前进时刀具将导台混凝土刮起而破坏导台。在刀盘到达端墙前预留缺口时，重新安装所卸的刀具。

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时不偏离导台，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。具体操作时使用水平两组油缸推进30cm时，停止推进并收缩油缸；再使用垂直两组油缸推进30cm后，停止并收缩油缸，不停地交叉使用。

加强管片选型工作，通过控制盾尾与管片外表面的间隙，确保管片拼装符合设计要求。管片拼装工艺与正常掘进时的工艺相同。选型时，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。

管片每安装一片，先人工初步紧固连接螺栓；安装完一环后，对所有管片螺栓进行紧固；管片出盾尾后，重新用扳手人工进行紧固。

盾构机空推过矿山法隧道期间应加强管片姿态的测量，发现管片有上浮、侧移迹象马上暂停施工，分析原因，采取措施并实现有效控制后再恢复施工。

3.5盾尾同步注双液砂浆施工

盾构机在矿山法隧道内前行时，如脱出盾尾管片未能及时稳固，矿山法初支的渗漏水及从管片注入的未凝固浆液将会使管片上浮，而盾构机推进也会使隧道产生侧移。另外，一般矿山法初支与一环管片背后空隙量较大，隧道运输列车一次运浆量不能满足完全填充要求，从成本的角度考虑也不宜全环管片背后均采用双液浆填充。因此，管片背后同步注双液砂浆堆填主要考虑快速凝固和满足稳固隧道的要求。通过试验研究，采用特配的水玻璃砂浆可满足要求，其具体要求如下：

（1）砂浆采用的配比为（一槽，约为0.75m3）：

水泥：150kg；

粉煤灰：130kg；

细砂：550kg；

膨胀土：25kg；

水：230kg。

试验数据如下：

砂浆稠度：9.8cm；

初凝时间：＞24h；

砂浆倾析率：2.7%（＜5%）；

一天固结强度：0.53MPa；

28天强度：3.27MPa。

（2）每环管片的水玻璃溶液注入量为砂浆重量的1/10，水玻璃溶液比例为水∶水玻璃=2∶1，配出的双液浆凝固时间控制在1min以内。

（3）每环注浆量必须满足浆液填充至隧道3点、9点位。

具体操作方法：拆出盾尾注浆管，分别使用特制的三通安装在脱出盾尾第二环的3点、9点位吊装孔上，三通上接一根管注水玻璃溶液，另接一根管注砂浆，砂浆与水玻璃溶液通过三通在管片背后混合，达到快速凝固的目的。

3.6二次补充注砂浆施工

盾构推进过程中同步注浆量不足，故需要及时对隧道进行二次补充注浆以固定管片，防止在盾构机推进过程中产生隧道偏移、扭转现象。二次补充注浆部位为盾尾后方第10环，二次补充注浆材料仍为砂浆，应使管片背后空隙被填充至饱满状态。注浆施工可利用盾构机同步注浆设备，在每环掘进及同步注浆完成后，拆除盾尾注浆管安装到二次补浆管片环的上半部吊装孔，进行二次补充注浆。二次补充注浆达到注浆压力后终止该部位注浆，注浆过程中必须派专人跟踪检查注浆孔周边几环管片的情况，发现出现错台、裂缝等迹象时应马上停止注浆。

二次补充所注砂浆应具备以下性能：

（1）从地面运输到盾构机台车砂浆罐所需的时间，确定砂浆初凝时间目标值为6～10h。

（2）良好的填充性能。

（3）浆液在地下水环境中不易产生稀释现象，凝固后收缩体积小，泌水率小。

（4）原材料来源丰富、经济，施工管理方便，浆液无公害，价格便宜。

经反复试验，二次补注砂浆可采用以下配比

（一槽，约为0.75m3）：

水泥：80kg；

粉煤灰：200kg；

细砂：550kg；

膨胀土：25kg；

水：230kg。

试验数据如下：

砂浆稠度：8.5cm；

初凝时间：约5.5h；

砂浆倾析率：4.6%（＜5%）；

一天固结强度：1.26MPa；

28天强度：2.93MPa。

4施工效果

（1）填砂为盾构机推进增加了推力，从而使管片环缝止水条有效压紧，减少了成型隧道渗漏水的情况。

（2）使用回填砂与注定量双液浆相结合的方法代替传统喷射豆砾石填充管片背后空隙的工法明显加快了施工进度，并且能及时稳定成型隧道，减少了盾构拼管片通过矿山法隧道的质量通病。

（3）管片背后注浆分两次进行，首次注双液浆只填充至管片3点位、9点位，目的是尽快稳定管片，二次补注砂浆才是把管片填充饱满，二次注浆的方法大大提高了施工效率，争取了工程进度。

（4）据统计，本工程盾构机掘进进度为7.5m/d，进度较快。

（5）盾构机空推段所成型的隧道净空、结构和防水达到《地下铁道工程施工及验收规范》的要求。

5结语

综上所述，盾构穿越矿山法施工技术适用范围较广，通过将盾构法及矿山法优缺点互补，有效地解决了隧道施工存在的相关问题，大大提高了施工质量水平，满足了相关规范的要求，，随着技术的发展，其在隧道施工应用中的价值将大大体现出来，造福于城市建设。

参考文献：

[1]张苏.轨道交通盾构穿越铁路施工技术[J].中国市政工程.2008（03）

[2]周禾，张庆贺，徐飞.盾构通过矿山法隧道段数值模拟研究[J].铁道建筑.2011（01）