在建礦山法變更為盾構(gòu)工法的施工技術(shù)研究與應(yīng)用

龔 勝

廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510620

深圳市北環(huán)電纜隧道工程土建Ⅱ標(biāo)的1#—5#豎井區(qū)間隧道，按照設(shè)計(jì)應(yīng)采用礦山法施工，且已完成了部分區(qū)間隧道暗挖、支護(hù)施工和沉井開(kāi)挖下沉。原計(jì)劃電纜隧道應(yīng)先于7號(hào)線地鐵隧道之前實(shí)施并完工，但實(shí)際7號(hào)線地鐵隧道先于電纜隧道完工且軌道已敷設(shè)完畢。因設(shè)計(jì)邊界條件發(fā)生變化，為確保地鐵7號(hào)線安全，將該段1 964.5 m礦山法改為盾構(gòu)法施工，對(duì)在建礦山法變更為盾構(gòu)法屬國(guó)內(nèi)首次。

對(duì)在建礦山法隧道施工改為盾構(gòu)法施工需要克服的主要技術(shù)難點(diǎn)有：

1）變更后線路曲線段施工必須能同時(shí)滿足盾構(gòu)最小轉(zhuǎn)彎半徑要求及線路總體規(guī)劃要求。

2）已完成初期支護(hù)的礦山法施工段及已經(jīng)下沉到位的豎井處理措施。

3）已施工的5#豎井改造為盾構(gòu)始發(fā)井的實(shí)施方案。

4）盾構(gòu)機(jī)出洞及空推段實(shí)施方案及控制要點(diǎn)。

以盾構(gòu)施工為立足點(diǎn)，綜合分析現(xiàn)場(chǎng)施工情況，針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)，逐個(gè)突破，不斷實(shí)踐、完善和總結(jié)，最終形成一套完整的在建礦山法變更為盾構(gòu)法施工工法，通過(guò)工程的檢驗(yàn)，具有一定的推廣價(jià)值。

1 背景介紹

1.1 工程概況

深圳市北環(huán)電纜隧道長(zhǎng)度約 12.6 km，主線自西向東分為1#—16#豎井。其中1#—8#豎井區(qū)間隧道采用礦山法施工，礦山法隧道采用A型斷面；8#—16#豎井區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑4.0 m，隧道外徑4.6 m。本電纜隧道工程早于地鐵7號(hào)線設(shè)計(jì)，原計(jì)劃電纜隧道在近距離的7號(hào)線地鐵隧道之前實(shí)施，而7號(hào)線地鐵隧道已先于電纜隧道完工且軌道已敷設(shè)完畢。1#—5#豎井區(qū)間隧道與地鐵7號(hào)線近似平行，最近距離為5.24 m，且位于地鐵7號(hào)線側(cè)下方。

1.2 地質(zhì)情況

地層出露主要為①1素填土、①2填石、②1粉質(zhì)黏土、②2粉砂、③1泥炭質(zhì)黏土、④含礫黏土、⑤1含卵石黏土等，區(qū)間隧道穿越地質(zhì)主要地層類型為⑥1礫質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑦1全風(fēng)化粗粒花崗巖、⑦2強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r、⑦5微風(fēng)化粗?；◢弾r，所占比例分別為28.38%、16.16%、14.92%、15.64%，區(qū)間隧道拱頂埋深7.737～14.046 m。

1#—5#豎井區(qū)間段構(gòu)造帶巖石裂隙較發(fā)育，巖體較破碎、地下水量大、填石層較厚，填石中地下水會(huì)通過(guò)基巖風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙向其下方的隧道圍巖補(bǔ)給地下水。

1.3 施工現(xiàn)場(chǎng)情況

1#—4#豎井已施工至底板，5#—16#豎井已施工完成，8#—16#豎井盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進(jìn)完成約90%，8#—5#豎井暗挖區(qū)間已施工完成，5#—4#豎井暗挖區(qū)間施工至龍珠段K2＋066.670，地鐵7號(hào)線DK7＋300—DK7＋381軌頂產(chǎn)生沉降49 mm，該礦山法掌子面封閉停工，地鐵7號(hào)線對(duì)隧道管片修復(fù)和道床重做處理。

2 方案變更

2.1 1#—5#豎井區(qū)段隧道變更為盾構(gòu)法施工

由于實(shí)際邊界條件發(fā)生了變化，為確保地鐵7號(hào)線運(yùn)營(yíng)安全，將1#—5#豎井區(qū)間段1 964.5 m由礦山法改為盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)機(jī)從5#豎井分體始發(fā)，到達(dá)1#豎井，為一次始發(fā)和一次到達(dá)。電纜隧道平面位置往北側(cè)偏移，把與7號(hào)線水平凈距由東側(cè)的5.24 m調(diào)整至西側(cè)的13.40 m?？v斷面整體抬高至地鐵7號(hào)線隧底標(biāo)高以上，電纜隧道施工位置調(diào)整后，可有效降低隧道施工對(duì)地鐵7號(hào)線的影響，同時(shí)施工方法改變后，減少了施工降水和爆破施工地鐵隧道的振動(dòng)影響[1-2]。

改線后區(qū)間隧道最小覆土厚7.737 m，最大覆土厚14.046 m。最小平曲線半徑300 m，最大縱坡3.255%。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑4.0 m，隧道外徑4.6 m，管片采用楔形量為34 mm通用管片，采用C50、P12混凝土，管片厚度為300 mm，寬度1.2 m，管片均采用六分塊。

2.2 5#豎井設(shè)計(jì)改造

對(duì)已施工完成主體結(jié)構(gòu)的5#工作井進(jìn)行設(shè)計(jì)改造,使之成為盾構(gòu)始發(fā)井，以滿足盾構(gòu)始發(fā)要求。5#豎井主體結(jié)構(gòu)為地下3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，豎井深度為19.8m。采用分層加固、分層拆除的方案對(duì)豎井進(jìn)行改造，改造后平面尺寸為9 500 mm×11 500 mm，將原礦山法施工洞口改為滿足盾構(gòu)始發(fā)要求的圓形洞口。

2.3 原礦山法隧道廢棄回填

5#豎井往4#豎井區(qū)間隧道采用礦山法已施工149.05 m初期支護(hù)，為A型斷面，隧道開(kāi)挖面積18.9 m2。該段采用片石混凝土封堵回填，按照“水平分段、豎向分層、由內(nèi)向外”的順序施工，在水平方向≤30 m為一個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段在豎直方向分為3層分別進(jìn)行混凝土澆筑。封堵混凝土采用C15自密實(shí)混凝土，坍落度控制在250～270 mm。每段封堵混凝土施工后，對(duì)隧道頂部繼續(xù)進(jìn)行灌漿施工，使混凝土無(wú)法澆筑密實(shí)的區(qū)域封堵密實(shí)。

2.4 盾構(gòu)空推段隧道初期支護(hù)

XK2＋155—XK2＋215.716里程段為盾構(gòu)空推段，采用礦山法擴(kuò)挖，為D型斷面，隧道開(kāi)挖面積為24.98 m2，盾構(gòu)空推段與原礦山法隧道局部重疊，重疊范圍從小里程往大里程方向逐步增加，從相鄰至完全重疊。將礦山法帷幕注漿改為全段面注漿。

2.5 導(dǎo)向平臺(tái)設(shè)置

盾構(gòu)在進(jìn)入空推段隧道前需提前施工導(dǎo)向平臺(tái)[3-4]，弧形導(dǎo)向平臺(tái)采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度為150 mm，導(dǎo)向平臺(tái)弦長(zhǎng)2 450 mm，導(dǎo)向平臺(tái)中線為隧道中線，施工范圍為拱底60°范圍，導(dǎo)向平臺(tái)內(nèi)輪廓半徑為2 450 mm，導(dǎo)向平臺(tái)內(nèi)表面與盾構(gòu)機(jī)刀盤外輪廓間預(yù)留20 mm空隙。導(dǎo)向平臺(tái)設(shè)φ12 mm雙層鋼筋網(wǎng)，間距150 mm×150 mm。為確保盾構(gòu)順利實(shí)現(xiàn)空推，導(dǎo)向平臺(tái)的施工精度必須滿足要求，導(dǎo)向平臺(tái)模板采用廠家定制的弧形模板，并在澆筑前預(yù)埋槽鋼。導(dǎo)向平臺(tái)是盾構(gòu)機(jī)通過(guò)隧道時(shí)的下部支撐，其施工精度直接決定著盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。導(dǎo)向平臺(tái)施工模板定位后必須進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，混凝土澆筑后應(yīng)進(jìn)行標(biāo)高的復(fù)測(cè)，確保導(dǎo)向平臺(tái)的標(biāo)高偏差在0～15 mm以內(nèi)。

2.6 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置

改線后的2#—4#中間豎井均未處于線路上，由于1#—4#豎井已施工至底板，故豎井位置已無(wú)法調(diào)整。盾構(gòu)線路最小轉(zhuǎn)彎半徑不小于250 m，為減少施工對(duì)地鐵7號(hào)線以及周邊建（構(gòu)）筑物的影響，考慮盾構(gòu)線路無(wú)法進(jìn)入2#、3#和4#豎井，因此采用盾構(gòu)從豎井旁通過(guò)，設(shè)置3座聯(lián)絡(luò)通道，分別與側(cè)向的2#、3#和4#豎井連接，盾構(gòu)隧道施工完成后從豎井側(cè)壁施工聯(lián)絡(luò)通道將隧道與豎井相連，每個(gè)聯(lián)絡(luò)通道部位采用4環(huán)1.5 m寬的鋼管片。2#豎井聯(lián)絡(luò)通道采用A1型斷面，開(kāi)挖面積18.9 m2，長(zhǎng)2.1 m；3#、4#聯(lián)絡(luò)通道采用A3型斷面，開(kāi)挖面積17.35 m2，長(zhǎng)分別為29.7、24.2 m。

3 方案實(shí)施

3.1 總體施工安排

先對(duì)5#豎井進(jìn)行改造，以滿足盾構(gòu)始發(fā)施工要求，然后進(jìn)行廢棄礦山法隧道回填，回填后開(kāi)始施工盾構(gòu)空推段隧道初期支護(hù)，初支完成后澆筑導(dǎo)向平臺(tái)。盾構(gòu)機(jī)從5#豎井分體始發(fā)，空推至擴(kuò)挖段掌子面后開(kāi)始掘進(jìn)，掘進(jìn)100 m后進(jìn)行后配套下井連接，形成整機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)到達(dá)1#豎井后拆機(jī)吊出，隨后施工2#、3#和4#聯(lián)絡(luò)通道、洞門和墊層。

3.2 豎井改造施工

在地下1層、地下2層拆除前，首先利用鋼梁對(duì)豎井進(jìn)行加固，鋼梁為焊接方形鋼梁，構(gòu)件數(shù)量較多，需拼裝組合，由鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家直接生產(chǎn)，然后運(yùn)送到工地進(jìn)行安裝。鋼梁與框梁之間采用千斤頂和楔形鋼板頂緊。鋼梁采用100 t汽車吊逐段吊裝，鋼梁安裝就位后，采用超薄型千斤頂RSM-1500逐個(gè)在支頂牛腿處預(yù)頂鋼梁，縱梁?jiǎn)芜吳Ы镯斁鶠?0組，橫梁?jiǎn)芜吳Ы镯敒?組，每層38組，共76組。其中地下1層鋼梁千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)預(yù)頂力為300 kN，地下2層鋼梁千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)預(yù)頂力為500 kN。施加至設(shè)計(jì)頂力后，迅速在鋼梁支承牛腿與環(huán)框梁之間插入楔形鋼板頂緊，在鋼梁與側(cè)墻之間填充干硬性砂漿，充分搗固密實(shí)。

主體結(jié)構(gòu)采用金剛石繩鋸輔以水鉆切割分塊方法拆除梁、板和柱，拆除時(shí)按照先板梁后柱、從上往下的原則進(jìn)行。分段切割后的混凝土塊采用汽車吊吊至地面，統(tǒng)一外運(yùn)出場(chǎng)后，在場(chǎng)外進(jìn)行破碎。

3.3 礦山法隧道擴(kuò)挖施工

對(duì)已經(jīng)完成初支的小斷面礦山隧道區(qū)間擴(kuò)挖為盾構(gòu)空推斷面，施工過(guò)程中根據(jù)重疊關(guān)系和地質(zhì)條件采用不同的施工方法。當(dāng)重疊面積大于擴(kuò)挖面積且圍巖較好時(shí)，采用臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度3～5 m，為方便機(jī)械作業(yè)，上部開(kāi)挖高度控制在3 m左右。當(dāng)重疊面積小于擴(kuò)挖面積或者圍巖較差時(shí)，采用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工。

施工過(guò)程中靈活調(diào)整拆除原隧道支護(hù)和擴(kuò)挖的施工順序，在漸變初段，擴(kuò)挖量較少，為方便快速立拱，盡快完成支護(hù)體系轉(zhuǎn)換，此階段可采用先拆原拱架、后擴(kuò)挖的施工順序。第1榀拱架拆除前，先在2榀拱架中間采用PC60型小挖機(jī)破碎錘開(kāi)口，再用氧焊切除連接筋和鋼筋網(wǎng)片。每次拆除不得超過(guò)1榀拱架，且按上臺(tái)階、下臺(tái)階的施工順序分段進(jìn)行拆除。

隨著擴(kuò)挖隧道重疊面積減小，擴(kuò)挖面積逐漸增大，出于安全考慮，盡量減少圍巖暴露時(shí)間，并充分利用原礦山拱架作為開(kāi)挖臨時(shí)支撐體系，此階段采用先擴(kuò)挖、后拆原拱架的施工順序。為充分利用原隧道空間，局部區(qū)段先在原礦山隧道內(nèi)施打注漿錨管后開(kāi)挖，確保施工安全和圍巖加固穩(wěn)定。在擴(kuò)挖階段，邊擴(kuò)挖邊插入短注漿錨管至擴(kuò)挖輪廓線，并與格柵拱架固定為整體。

3.4 盾構(gòu)空推實(shí)施

盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)后，根據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺(tái)之間的關(guān)系，調(diào)整各組推進(jìn)油缸的行程，使盾構(gòu)姿態(tài)沿設(shè)計(jì)線路方向推進(jìn)[5]。前期施工時(shí)推進(jìn)速度一般控制在15～30 mm/min之間，下部油缸壓力略大于上部油缸壓力。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，派專人在盾構(gòu)機(jī)前方檢查、監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)情況，主要檢查隧道初支是否有侵限情況、盾構(gòu)前體下部與導(dǎo)向平臺(tái)的結(jié)合情況等。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，刀盤前方的監(jiān)測(cè)人員與盾構(gòu)主司機(jī)要緊密配合，使盾構(gòu)機(jī)沿導(dǎo)向平臺(tái)的中心進(jìn)行前移，保證盾構(gòu)前移時(shí)管片受力均勻。盾構(gòu)機(jī)向前空推時(shí)，混凝土導(dǎo)向平臺(tái)必須清理干凈，以便盾構(gòu)機(jī)能在導(dǎo)向平臺(tái)上安全順利推進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入圓形礦山法隧道后，將按導(dǎo)向平臺(tái)向前推進(jìn)，由于刀盤前方無(wú)土體壓力，所需推力進(jìn)一步減小，本階段關(guān)鍵要及時(shí)做好管片的固定，即礦山法隧道與盾構(gòu)管片空隙的填充及注漿工作[6-8]。管片的固定采用豆礫石充填結(jié)合注漿封閉方式進(jìn)行，采用4～10 mm的豆礫石將建筑間隙充填密實(shí)，盡早建立管片的支撐體系，以防止隧道巖體變形失穩(wěn)和管片錯(cuò)動(dòng)失穩(wěn)。

盾構(gòu)機(jī)空推至擴(kuò)挖段掌子面后開(kāi)始掘進(jìn)，掘進(jìn)100 m后進(jìn)行后配套下井連接，形成整機(jī)掘進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道施工方法繁多，一般受工程規(guī)模、工期、隧道埋深、技術(shù)條件、地質(zhì)及水文情況、地上和地下構(gòu)（建）筑物等因素影響，施工環(huán)境會(huì)隨時(shí)間而變化，地質(zhì)和水文情況往往也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。就本工程而言，當(dāng)施工條件發(fā)生變化而導(dǎo)致無(wú)法按原計(jì)劃施工時(shí)，通過(guò)綜合分析現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)在建隧道施工方法變更的實(shí)施技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究與攻克，最終形成一套完整的在建礦山法變更為盾構(gòu)法施工工法，通過(guò)工程的檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，確保了鄰近地鐵的正常運(yùn)營(yíng)，可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。