礦山法擴挖盾構隧道修建大斷面隧道施工技術

陳瑞征， 胡威東， 李新平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

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礦山法擴挖盾構隧道修建大斷面隧道施工技術

陳瑞征， 胡威東*， 李新平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

鄭州市地鐵2號線左線隧道與1、2號線聯(lián)絡線隧道交叉段合建，為解決其周邊環(huán)境復雜及施工工期緊張的問題，在部分合建段采用礦山法擴挖盾構隧道修建大斷面區(qū)間隧道的技術，即小直徑盾構先通過擴挖段，并使用全環(huán)特殊鋼管片拼裝隧道，然后結合礦山法，采用中立柱+臨時仰拱的臺階法施工工序，反向擴挖盾構隧道，最終形成大斷面區(qū)間隧道。工程實踐表明，采用該技術節(jié)約3個月工期，并將地面沉降控制在25.1 mm以內(nèi)，取得了較好的應用效果，可為類似工程提供參考。

盾構法； 礦山法； 擴挖； 臺階法； 全環(huán)鋼管片

0 引言

目前，城市地鐵隧道的施工工法主要有明挖法、盾構法和礦山法。盾構法以安全、經(jīng)濟、快速及對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點被廣泛應用在國內(nèi)地鐵施工中，但受施工組織、盾構始發(fā)接收以及后配套和裝備造價等條件限制，其優(yōu)勢不能充分發(fā)揮，易造成工期延長[1-3]。

為解決地鐵建設中盾構法施工與工期矛盾的問題，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。國外學者研究了單洞單線盾構隧道擴挖島式站臺地鐵車站的技術，并應用在一些工程上，縮短了建設工期[4-5]，同時也研究了一些異型斷面盾構直接建造地鐵車站的技術[6]；近年來，國內(nèi)學者采用“先隧后站”的思路研究了淺埋暗挖法與盾構法相結合建造地鐵車站的技術[7-12]，且進行了工程實踐，如廣州市軌道交通5號線五羊村站和6號線東山口站分別成功應用了明挖法擴挖盾構隧道和礦山法擴挖盾構隧道(鋼筋混凝土管片)的施工技術[13]；此外，盾構空推過礦山法隧道的施工技術在特定環(huán)境條件下也起到了節(jié)約工期的作用[14]，如深圳地鐵2號線東延線僑香站—香蜜站區(qū)間隧道施工。 已有研究能有效解決盾構施工受限于車站施工引起的工期延長問題，但有時盾構施工也會受區(qū)間施工制約而與工期產(chǎn)生矛盾，導致其優(yōu)勢無法發(fā)揮，而解決此類問題的施工技術較為罕見。

為解決盾構施工在區(qū)間內(nèi)部產(chǎn)生的工期矛盾問題，本文以鄭州市地鐵2號線一期工程紫荊山站—東大街站區(qū)間左線與1、2號線聯(lián)絡線區(qū)間合建段為背景，研究礦山法擴挖盾構隧道施作大斷面區(qū)間隧道的技術，即盾構法先通過，并使用預制特殊鋼管片拼裝隧道，在小直徑盾構通過后，采用礦山法反向擴挖盾構隧道并逐步拆除鋼管片，最終形成大斷面區(qū)間隧道。

1 工程概況

1.1 擴挖段形成背景

鄭州市地鐵2號線紫荊山站—東大街站區(qū)間左線與1、2號線聯(lián)絡線交叉，交叉合建段平面布置見圖1。

圖1 線路交叉合建段平面圖

1.1.1 周邊環(huán)境

如圖1所示，順河路以北合建段周邊環(huán)境簡單，采用明挖法施工； 跨順河路合建段，線路交叉點位于順河路與紫荊山路交叉形成的十字路口附近，位置關鍵，無交通疏解條件，且此處隧道埋深約23 m，明挖及圍護工程復雜，造價高，經(jīng)綜合考慮，采用暗挖法施工?？珥樅勇泛辖ǘ未髷嗝嫠淼纼?nèi)凈跨7.75 m，內(nèi)凈高6.81 m，擴挖段斷面形式見圖2，地鐵慣用外徑6 m的盾構隧道無法滿足大斷面的要求，且跨順河路合建段長度僅約33 m，左線線路總長度約1 309 m，跨順河路合建段長度相對左線總長占比很小，若單獨制造或購買1臺擴徑盾構不利于工程總造價的控制。因此，采用礦山法擴挖施工。

1.1.2 施工工期

2號線與聯(lián)絡線合建段采用明挖法和礦山法(擴挖段)施工，合建段兩端的區(qū)間隧道采用具有快速、安全等優(yōu)點的盾構法施工，兩端車站作為盾構始發(fā)和接收的工作井。若考慮在盾構掘進途中合建段兩端分別始發(fā)或接收，則需在大斷面礦山段一端另增設盾構井，在盾構井和明挖段施工完成并具備始發(fā)或接收條件后再施工，將嚴重影響工期。由于現(xiàn)場工期緊迫，因此決定盾構掘進和明挖段同時開工，明挖段圍護墻施作時采用玻璃纖維筋支護以預留盾構通過條件。盾構從東大街站始發(fā)，向紫荊山站掘進，通過跨順河路合建段(擴挖段)時采用全環(huán)鋼管片拼裝隧道，到達明挖段南端時，空推過明挖段至其北端，二次始發(fā)并繼續(xù)向前掘進，至紫荊山站后吊出。在盾構空推過明挖段后便可進行盾構掘進和礦山法擴挖的平行施工，同時進行剩余明挖段主體結構施工，擴挖段施工完成后，將明挖段出土孔結構封頂。

圖2 擴挖段斷面(單位： mm)

1.2 工程地質及水文地質

紫荊山站—東大街站區(qū)間及1、2號聯(lián)絡線區(qū)間工程場地地貌單元為黃河沖積平原。場地地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)，上表面為4.8 m厚①填土層，向下依次分布地層及其力學參數(shù)見表1。

表1 巖土力學參數(shù)

場地地下水類型為潛水，主要賦存于④-2粉砂及以下的粉土、粉砂層中。穩(wěn)定水位在自然地面以下13.30～16.05 m，地下水位年變化幅度為1.0～1.5 m。

2 方案設計

1)為方便管片拆除，擴挖段隧道均采用全環(huán)鋼管片，通縫拼裝。

2)施工前將地下水位降至擴挖段礦山隧道仰拱以下1 m位置，并保證降水的連續(xù)性，從而保證既成隧道的穩(wěn)定以及施工的安全。

3)擴挖段施工前，采取超前管棚、超前小導管和洞內(nèi)徑向注漿等超前支護措施，確保擴挖及管片拆除過程中的施工安全。

4)為防止拆除鋼管片時鄰近鋼筋混凝土管片發(fā)生變形和位移，在拆除前，沿管片環(huán)向布置6道槽鋼，對擴挖段終點處往大里程方向的20環(huán)鋼筋混凝土管片縱向拉緊，槽鋼與管片之間通過吊裝孔連接。

5)鋼管片拆除時結合管片分塊位置采用臺階法施作礦山隧道，并采取中立柱+臨時仰拱的輔助措施。

6)擴挖段礦山隧道與盾構隧道接口處施作堵頭墻，并在接口處的盾構隧道管片外表面增設背覆鋼板連接構造。

3 降水

3.1 洞外降水

洞外采用管井降水，降水井材質為無砂管，管內(nèi)徑為325 mm，井深為45 m，在擴挖段礦山隧道兩側外輪廓線外3.5 m處布設，縱向間距5～6 m，共布設14口降水井。

3.2 洞內(nèi)降水

由于降水施工難度大，在擴挖施工前，采取洞內(nèi)打井輔助降水。采用內(nèi)徑275 mm的鋼管井，井深3.5 m，縱向間距5 m，在鋼管片底部設置。在初期支護施工至降水井時采用雙液漿封堵，然后進行防水層和二次襯砌的施作。

4 超前支護

采用洞內(nèi)徑向注漿+超前管棚+超前小導管的超前支護措施： 1)擴挖前通過鋼管片預留吊裝孔及在鋼管片上的開孔進行洞內(nèi)徑向注漿； 2)在已完成施工的明挖段端墻處定位管棚孔洞，施作超前管棚； 3)邊擴挖邊對掌子面前方土體施作超前小導管。

4.1 洞內(nèi)徑向注漿

1)注漿范圍。擴挖段盾構隧道外輪廓至礦山隧道二次襯砌外輪廓以外3 m位置。

2)材料。采用外徑42 mm、厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長度根據(jù)現(xiàn)場實際加固長度確定。漿液為水泥+水玻璃雙液漿，采用425#普通硅酸鹽水泥及35～40 Be′水玻璃，水灰比1∶0.75～1∶1，水玻璃用量一般是水泥重量的1/4～1/3。

3)間距。以鋼管片中心為圓心，按11.25° 環(huán)向布置32個注漿孔。鋼管片預留有6個吊裝孔，兼作注漿孔，其余在鋼管片的相應位置開孔； 縱向間距1.0 m。

4)擴散半徑。漿液擴散半徑1.0 m。

5)注漿壓力。壓力0.5～1.0 MPa。

施工中，注漿參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗調整優(yōu)化，確保注漿加固后土體取芯28 d無側限抗壓強度不小于0.8 MPa。

4.2 超前管棚

1)鋼管規(guī)格。采用熱軋無縫鋼管及鋼花管，外徑108 mm，壁厚6 mm，節(jié)長4～6 m。每節(jié)鋼管兩端均預加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管。管棚長35 m，整個擴挖段打設1環(huán)，環(huán)向相鄰兩管棚分節(jié)鋼管接頭錯開布置，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不超過鋼管總數(shù)的50%。

2)管距。環(huán)向間距400 mm。

3)外插角。1～1.5°，鋼管軸線與襯砌外緣成夾角，在拱部150° 范圍內(nèi)設置。

4)注漿材料。采用425#普通硅酸鹽水泥及35～40 Be′水玻璃。漿液為水泥+水玻璃雙液漿。水灰比1∶0．75～1∶1，水玻璃用量一般是水泥重量的1/4～1/3，注漿參數(shù)根據(jù)注漿試驗確定。

5)注漿壓力。壓力0.5～1.0 MPa。

6)注漿前進行現(xiàn)場試驗，根據(jù)既有隧道的監(jiān)測情況確定注漿壓力和注漿參數(shù)。注漿結束后用M10水泥砂漿充填鋼管，以增強管棚強度。

4.3 超前小導管

1)小導管材料。采用外徑42 mm、厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長度1.8 m，為方便超前小導管插入圍巖，鋼管前端宜做成尖錐狀，尾部焊上箍筋。

2)間距。鋼管環(huán)向間距400 mm，縱向間距0.5 m，相鄰縱向2排的水平投影搭接長度不小于1 m。

3)外插角。小導管外插角不大于33.5°，在拱部180° 范圍內(nèi)設置。

4)小導管注漿材料及注漿壓力同管棚。

5 擴挖施工工序

擴挖段采用臺階法施工，結合礦山隧道與鋼管片分塊的相對位置以及施工條件綜合確定施工工序。

1)工序1(見圖3)。盾構隧道洞內(nèi)徑向注漿加固，然后施作超前管棚，超前支護完成后，用工22b臨時型鋼1與管片連接牢靠，并用沙袋堆置密實，確保臨時型鋼定位穩(wěn)固。

2)工序2(見圖4)。首先開挖TK管片上部左側土方，并提供能在TK管片開孔的作業(yè)空間。采用風鎬人工破除二次注漿保護殼，在TK管片對應臨時立柱的位置開孔，測量定位A單元拱架開挖尺寸并進行開挖，架設A單元拱架，同時工22b臨時型鋼2穿過TK管片，將其兩端分別與臨時型鋼1和A單元拱架連接，施作砂漿錨桿、定位筋、超前小導管及連接筋，掛網(wǎng)噴混。

圖3 工序1

圖4 工序2

3)工序3(見圖5)。測量定位B左1、B左2單元拱架及臨時仰拱1的開挖尺寸并進行開挖，架設B左1、B左2單元拱架，打設鎖腳錨管并施作超前小導管和連接筋，掛網(wǎng)噴混；同時在TB1管片底端對應臨時仰拱1的位置開孔，將臨時仰拱1穿過管片，兩端分別與B左2單元拱架、工22b型鋼1連接，使上半斷面左側部分封閉成環(huán)。

4)工序4(見圖6)。測量定位B右1、B右2單元拱架及臨時仰拱2的開挖尺寸并進行開挖，架設B右1、B右2單元拱架，打設鎖腳錨管并施作超前小導管和連接筋，掛網(wǎng)噴混； 同時在TB2管片底端對應臨時仰拱2的位置開孔，將臨時仰拱2穿過管片，兩端分別與B右2單元拱架、工22b型鋼1連接，使上半斷面右側部分封閉成環(huán)；切割上半斷面內(nèi)的TK、TB1和TB2管片。

圖5 工序3

圖6 工序4

5)工序5(見圖7)。將開挖斷面內(nèi)的左側部分沙袋向礦山法掘進方向倒運，測量定位下半斷面C左1、D左1單元拱架尺寸并進行開挖，架設左側下半斷面C左1、D左1單元拱架并施作鎖腳錨管和連接筋，掛網(wǎng)噴混，然后拆除TA1管片。

6)工序6(見圖8)。將開挖斷面內(nèi)的剩余沙袋向礦山法掘進方向倒運，測量定位下半斷面C右1、D右1單元拱架尺寸并進行開挖，同時隨開挖拆除TA3管片；架設右側下半斷面C右1、D右1單元拱架并施作鎖腳錨管和連接筋，掛網(wǎng)噴混。

圖7 工序5

圖8 工序6

7)工序7(見圖9)。待C右1、D右1單元拱架噴混凝土結束后，測量定位E、F、G單元拱架尺寸，開挖剩余土方并拆除TA2管片，及時架設F單元拱架，并用臨時工22b型鋼3與F單元拱架、臨時型鋼1連接；安裝E、G單元拱架并施作連接筋，掛網(wǎng)噴混，將初期支護封閉成環(huán)；初期支護結束后及時施作二次襯砌，拆除臨時支護。

擴挖施工縱斷面見圖10。

6 隧道接口

擴挖段礦山隧道與盾構隧道接口平面布置見圖11，采用以下技術措施：

1)在擴挖段與盾構段隧道分界里程處礦山段斷面超出盾構段斷面的范圍施作堵頭墻。先在掌子面鋪設鋼筋網(wǎng)，然后采用工22b型鋼架與擴挖段初期支護處密排的三榀工22b型鋼架焊接，水平向放置，豎向間距0.6 m，并設置連接筋將工字型鋼架連接，同時打設φ42@3.5注漿小導管，梅花形布置，長度3 m，注漿并噴混凝土。

圖9 工序7

圖10 施工工序縱斷面圖(單位： m)

2)先期盾構施工時，提前在堵頭墻處的盾構隧道鋼筋混凝土管片外表面增設背覆鋼板，施作堵頭墻時，將堵頭墻工22b型鋼架與管片背覆鋼板焊接牢固。

圖11 礦山隧道與盾構隧道接口平面圖(單位： mm)

Fig. 11 Plan showing connection section between mining tunnel and shield tunnel (mm)

7 工程實踐

現(xiàn)場施工情況見圖12。目前擴挖段已完成施工，平均進度2.4 m/d，區(qū)間土建施工總工期較原計劃提前3個月，地表最大沉降量25.1 mm，最大隆起量2.4 mm，其余各項監(jiān)控指標也均滿足要求。

(a) 擴挖段施工

(b) 礦山隧道與盾構隧道接口

8 結論與討論

1)采用小直徑盾構先通過擴挖段，然后結合礦山法，采用中立柱+臨時仰拱的臺階法施工工序，反向擴挖盾構隧道修建大斷面區(qū)間隧道的技術,為合建大斷面區(qū)間隧道提供了一種新思路。

2)相比增設盾構工作井進行盾構吊裝的常規(guī)方案，短距離的礦山法擴挖盾構隧道的方案更加經(jīng)濟并節(jié)省工期，但對于長距離的擴挖區(qū)間隧道，應基于工程地質環(huán)境、周邊環(huán)境及工程造價等因素綜合比選方案。

3)在礦山法擴挖盾構隧道方案形成的背景環(huán)境上，如： 前期正線線路條件及聯(lián)絡線線路要素、線位選取是否可優(yōu)化以規(guī)避現(xiàn)方案的形成；先期便采用明挖法和礦山法施工，盾構空推過大斷面貫通整個區(qū)間隧道的施工方案，雖然工期較現(xiàn)方案有所延長，但是否滿足原計劃工期要求以及是否更加經(jīng)濟等問題，有待進一步探討。

[1] 王夢恕.中國盾構和掘進機隧道技術現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展思路[J].隧道建設,2014,34(3): 179-187.(WANG Mengshu. Tunneling by TBM/shield in China：State-of-art, problems and proposals[J].Tunnel Construction,2014,34(3): 179-187.(in Chinese))

[2] 崔玖江.盾構隧道施工風險與規(guī)避對策[J].隧道建設,2009,29(4): 377-396.(CUI Jiujiang. Risk and countermeasures for construction of shield-bored tunnels[J]. Tunnel Construction,2009,29(4): 377-396.(in Chinese))

[3] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京: 人民交通出版社,2010.(WANG Mengshu. Tunnelling and underground engineering technology in China[M].Beijing：China Communications Press,2010.(in Chinese))

[4] C H 勿拉索夫.俄羅斯地下鐵道建設精要[M].錢七虎,戚承志,譯.北京: 中國鐵道出版社,2002.(C H Brasov. Essence of subway construction in Russian[M]. Translators: QIAN Qihu, QI Chengzhi. Beijing: China Railway Publishing House,2002.(in Chinese))

[5] Daboshi H,Shiratori A,Miyama D,et al. Design and construction of enlarging shield tunnel sections of large dimensional shield tunnels for the non-open-cut method[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2006,21: 249.

[6] 張德祥.用多圓形斷面盾構工法修建新型地鐵車站的可行性研究與初步設計[J].地下空間,1993,13(2): 145-151.(ZHANG Dexiang. Feasibility study and primary design of new Metro station constructed by multi-circular-face shield method[J]. Underground Space,1993,13(2): 145-151.(in Chinese))

[7] 丁德云,魯衛(wèi)東,楊秀仁,等.盾構隧道擴挖建造地鐵車站方案的分析[C]//2010城市軌道交通關鍵技術論壇論文集.上海： 中國土木工程學會城市軌道交通技術推廣委員會,2010.(DING Deyun, LU Weidong, YANG Xiuren,et al. Analysis of enlarging shield tunnel to construct Metro station [C]//Forum of Key Technology of Urban Rail Transit in 2010. Shanghai： Urban Railway Transit Committee of China Civil Engineering Society,2010.(in Chinese))

[8] 何川,李圍,張志強,等.結合盾構法修建地鐵車站的方案研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2002(增刊): 64-68.(HE Chuan, LI Wei, ZHANG Zhiqiang,et al. Study of Metro station constructed by shield method [J]. Modern Tunnelling Technology,2002(S): 64-68.(in Chinese))

[9] 李圍,何川,張海波.擴挖盾構隧道建成兩聯(lián)拱地鐵車站模型試驗[J].巖土力學,2008,29(12): 3261-3265.(LI Wei, HE Chuan, ZHANG Haibo. Model test of twin-bore Metro station constructed with expanding shield tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(12): 3261-3265.(in Chinese))

[10] 張新金,劉維寧,路美麗,等.盾構法與淺埋暗挖法結合建造地鐵車站技術的結構方案初步研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2009,46(6): 35-42.(ZHANG Xinjin, LIU Weining, LU Meili, et al. Research on structure options adaptable for Metro stations constructed by shield tunneling combined with shallow mining excavating[J]. Modern Tunnelling Technology,2009,46(6): 35-42.(in Chinese))

[11] 楊慧林.國內(nèi)結合盾構法修建地鐵車站的技術方案分析[J].鐵道標準設計,2009(10): 26-29.(YANG Huilin. Analysis of Metro station constructed by shield method [J]. Railway Standard Design,2009(10): 26-29.(in Chinese))

[12] 熊乾.地鐵先隧后站法施工技術[J].鐵道標準設計,2009(12):106-111.(XIONG Qian. Construction technology for tunnel first and station followed method[J]. Railway Standard Design, 2009(12):106-111.(in Chinese))

[13] 廖鴻雁.礦山法擴挖盾構隧道修建地鐵車站技術[J].都市快軌交通,2011,24(6): 81-85.(LIAO Hongyan. Mining excavation adopted to enlarge shield to build a Metro station [J]. Urban Rapid Rail Transit,2011,24(6): 81-85.(in Chinese))

[14] 王春河.盾構機空推過礦山法段地鐵隧道施工技術[J].鐵道設計標準,2010(3): 88-91.(WANG Chunhe. Construction technology for shield crossing existing mining tunnel without load[J]. Railway Standard Design,2010(3): 88-91.(in Chinese))

[15] 鐵道第二勘察設計院. 鐵路隧道設計規(guī)范: TB 10003—2005[S].北京: 中國鐵道出版社,2005.(China Railway Second Survey & Design Institute Group Co., Ltd. Code for design of railway tunnels: TB 10003—2005[S].Beijing: China Railway Publishing House,2005.(in Chinese))

Construction Technologies for Large Cross-section Tunnel Using Mining Method to Enlarge Shield Tunnel

CHEN Ruizheng, HU Weidong*, LI Xinping

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, Hubei, China)

The connection section between left line of Line No. 2 of Zhengzhou Metro and connecting tunnel of Line No. 1 and Line No. 2 are constructed together. The surrounding environment is complicated and the construction schedule is tight. The large cross-section tunnel construction technology, mining method, is adopted to enlarge the shield tunnel. The section is bored by shield, and then the steel segments, the bench method of central pillar + temporary invert and inverse enlarging method are adopted. The construction practice shows that the ground settlement and the construction schedule have been controlled effectively. The above-mentioned technologies can provide reference for similar projects in the future.

shield method; mining method; enlargement; bench method; steel segment

2016-05-09;

2016-07-27

陳瑞征(1989—)，男，河南鄭州人，2013年畢業(yè)于華北水利水電大學，巖土工程專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事城市軌道交通隧道及地下工程結構設計與研究工作。E-mail： 15093152382@163.com。*通訊作者： 胡威東， E-mail： whohuxins@yahoo.com.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.014

U 455.4

B

1672-741X(2016)11-1372-07