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盾構(gòu)隧道長(zhǎng)距離硬巖地層鉆爆法開挖管片襯砌施工技術(shù)論文
摘要:盾構(gòu)法適宜在較均一的軟土、軟巖地層或砂層及其互層的地層中掘進(jìn),但在軟硬不均、軟硬交互且?guī)r石強(qiáng)度差異大的地層中應(yīng)用盾構(gòu)法修建城市地鐵隧道就復(fù)雜得多。以廣州地鐵三號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間工程為實(shí)例,介紹盾構(gòu)法隧道長(zhǎng)距離硬巖地層段采用鉆爆法開挖管片襯砌施工技術(shù)。
關(guān)鍵詞:盾構(gòu)隧道;硬巖地層;鉆爆法隧道;噴射米石
1前言
隨著城市化進(jìn)程的加快,盾構(gòu)法施工技術(shù)以其安全、快速、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前已應(yīng)用于上海、北京、廣州、深圳、南京、天津等地鐵工程。全世界大約采用了3000多臺(tái)盾構(gòu)機(jī),國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家盾構(gòu)技術(shù)較為先進(jìn),尤以日本最為突出。
廣州地鐵三號(hào)線某標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間隧道施工中,對(duì)于短距離硬巖及軟硬交互的復(fù)合地層,通過(guò)刀具選型和布置、螺旋輸送機(jī)改造、輔助系統(tǒng)性能改造,使盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)了該地層。通過(guò)補(bǔ)充地質(zhì)勘察、刀具管理、掘進(jìn)參數(shù)選擇、掘進(jìn)方向控制,成功通過(guò)該地層;對(duì)于長(zhǎng)距離硬巖地層,首次采用了鉆爆法開挖、管片襯砌工法,初期支護(hù)與管片背后的空隙用米石和注漿結(jié)合的新工藝進(jìn)行回填,成功通過(guò)了該硬巖段。
2方案選定
2.1工程概況
工程位于廣州市番禺區(qū)北7km處,距廣州市約15km,由一個(gè)明挖區(qū)段、三個(gè)盾構(gòu)區(qū)段和一個(gè)鉆爆法暗挖區(qū)段構(gòu)成,全長(zhǎng)為4008雙線延米。隧道穿越的左、右線地層所占的長(zhǎng)度見表1。
隧道右線YDK16+708.5～+937(228.5m)、左線ZDK16+730～+929(199m)段地層主要為8Z-2、9Z-2,圍巖分類為Ⅰ、Ⅱ級(jí),屬上元古界震旦系花崗巖片麻巖的混合體,單軸抗壓強(qiáng)度118MPa,鉆孔發(fā)現(xiàn)有抗壓強(qiáng)度達(dá)156.5MPa的硅化角礫巖,且軟硬巖層互為夾層現(xiàn)象普遍,巖層均一性差,對(duì)盾構(gòu)法施工很不利。
2.2方案選擇
長(zhǎng)距離硬巖地層的施工,應(yīng)認(rèn)真評(píng)價(jià)盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備適應(yīng)性,辨識(shí)、評(píng)價(jià)、分析施工風(fēng)險(xiǎn),考慮鉆爆法施工方案的可行性,并進(jìn)行進(jìn)度、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,選擇經(jīng)濟(jì)、合理、可行的施工方案。
�、� 補(bǔ)充地質(zhì)勘察,彌補(bǔ)初步勘察及詳細(xì)勘察階段因受地形地貌及其他條件限制導(dǎo)致鉆孔遠(yuǎn)離線路或間距過(guò)大的不足,使鉆孔間距達(dá)到50m以內(nèi)的要求。并認(rèn)真對(duì)待特殊地段,保證地質(zhì)資料的準(zhǔn)確,作為盾構(gòu)機(jī)對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性的評(píng)價(jià)依據(jù)。
�、� 吸取廣州地鐵二號(hào)線的施工經(jīng)驗(yàn),盾構(gòu)機(jī)對(duì)廣州地區(qū)軟土及巖石單軸抗壓強(qiáng)度低于80MPa的硬巖地層施工是完全適應(yīng)的,但用軟巖盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度如此高的長(zhǎng)距離硬巖地層施工,在國(guó)內(nèi)地鐵施工中沒有先例,也未有外國(guó)的成功經(jīng)驗(yàn)資料。
�、� 盾構(gòu)機(jī)在局部硬巖地層中掘進(jìn)易造成刀具意外破壞和非正常磨損,不僅增加直接成本,且由于掘進(jìn)速度慢,其他輔助工作費(fèi)用也增大,將造成施工成本增加。
④ 硬巖中掘進(jìn)時(shí),盾構(gòu)機(jī)震動(dòng)劇烈,對(duì)設(shè)備造成某種程度的損壞,影響盾構(gòu)機(jī)使用壽命。
⑤ 經(jīng)研討,對(duì)該段長(zhǎng)距離硬巖地層,采用鉆爆法開挖、盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過(guò)的施工方法可行,并通過(guò)科研,指導(dǎo)施工。
�、� 盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過(guò)已開挖硬巖段的速度比盾構(gòu)法在一般較硬巖層地段的掘進(jìn)速度快,經(jīng)比較,每延米至少節(jié)省5h,能夠提前工期,節(jié)約工程費(fèi)用。
2.3總體方案
對(duì)該段長(zhǎng)距離硬巖地層,將鉆爆法與盾構(gòu)法相結(jié)合,在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前,通過(guò)盾構(gòu)區(qū)間的中間風(fēng)井,采用鉆爆法開挖,盾構(gòu)隧道與該段硬巖隧道貫通后,盾構(gòu)機(jī)在已施工的混凝土導(dǎo)向平臺(tái)上空載通過(guò)并拼裝管片,初期支護(hù)與管片背后的空隙用米石和注漿回填密實(shí)。
3 主要施工技術(shù)
3.1施工工藝流程
劃分不同工法施工區(qū)段→鉆爆法隧道參數(shù)選擇→隧道硬巖段鉆爆法施工→盾構(gòu)機(jī)到達(dá)→導(dǎo)向平臺(tái)順接→盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至導(dǎo)向平臺(tái)→拼裝管片、吹填豆礫石→盾構(gòu)機(jī)空載推進(jìn)、同步注漿→補(bǔ)充注漿。
3.2選擇鉆爆隧道參數(shù)
(1)盾構(gòu)通過(guò)段
盾構(gòu)通過(guò)段的隧道設(shè)計(jì)凈空為6400mm的圓形斷面,比盾構(gòu)機(jī)外徑大120mm。該段采用光面爆破技術(shù)開挖、錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),具體支護(hù)參數(shù)根據(jù)圍巖條件和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。
(2)盾構(gòu)接收段
隧道貫通后3m為盾構(gòu)接收段,斷面形式同樣采用圓型斷面,凈空為6800mm,以滿足盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)貫通時(shí)的測(cè)量誤差要求。為便于盾構(gòu)機(jī)到達(dá)后對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行底部處理,底部70°范圍內(nèi)半徑加大到3700mm。
(3)導(dǎo)向平臺(tái)
為保證盾構(gòu)機(jī)按設(shè)計(jì)姿態(tài)通過(guò),隧道底部60°范圍設(shè)置半徑為3150mm、厚150mm的弧形混凝土導(dǎo)向平臺(tái)。
3.3隧道硬巖段鉆爆法施工
開挖斷面以軌面為界,分上下兩部分開挖。導(dǎo)向平臺(tái)分段澆注,長(zhǎng)度為20m。
采用光面爆破技術(shù),直眼掏槽,周邊眼采用間隔裝藥,周邊眼間距50cm,最小抵抗線50～80cm,線裝藥密度400g/m,每次循環(huán)進(jìn)尺2.2m。
3.4到達(dá)段隧道盾構(gòu)法掘進(jìn)施工
盾構(gòu)隧道與鉆爆隧道貫通前25m為盾構(gòu)到達(dá)段。盾構(gòu)隧道到達(dá)段采用土壓平衡模式掘進(jìn)。進(jìn)入到達(dá)段時(shí),逐步減小推力、降低推進(jìn)速度,并嚴(yán)格控制出土量。因貫通面處圍巖條件較好,隧道貫通前3環(huán)采用敞開模式掘進(jìn),采用小推力、低轉(zhuǎn)速進(jìn)入盾構(gòu)接收段。掘進(jìn)參數(shù)見表2。
盾構(gòu)進(jìn)入到達(dá)段前150m,對(duì)盾構(gòu)施工段和鉆爆段的所有測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的控制測(cè)量復(fù)測(cè)和聯(lián)測(cè),對(duì)所有控制點(diǎn)的座標(biāo)進(jìn)行精密、準(zhǔn)確的平差計(jì)算。貫通前100m、50m時(shí)分別人工復(fù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài),及時(shí)糾正偏差,確保盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)入接收段。
盾構(gòu)機(jī)在到達(dá)段掘進(jìn)過(guò)程中,派專人負(fù)責(zé)觀察鉆爆段貫通面巖面變化和初期支護(hù)情況。發(fā)現(xiàn)圍巖或初期支護(hù)有異常時(shí),立即通知盾構(gòu)主司機(jī)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),必要時(shí)采取加固措施。
隧道貫通時(shí)的碴土由人工清理,從豎井運(yùn)出洞外。碴土清理完成后,用C30早強(qiáng)混凝土將盾構(gòu)前體下部至鉆爆隧道段已施工的導(dǎo)向平臺(tái)進(jìn)行順接,確保盾構(gòu)機(jī)順利過(guò)渡到導(dǎo)向平臺(tái)。
3.5盾構(gòu)機(jī)空載推進(jìn)
依據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺(tái)間的關(guān)系,調(diào)整各組油缸的行程,使盾構(gòu)姿態(tài)沿設(shè)計(jì)方向推進(jìn)。開始段推進(jìn)速度控制在15～40mm/min,熟練后控制在60～85mm/min,總推力約300t,下部油缸壓力略大于上部油缸。
曲線段,計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)每進(jìn)一環(huán)的偏轉(zhuǎn)角與鉸接油缸行程差和推進(jìn)油缸行程差。盾構(gòu)推進(jìn)前復(fù)核鉆爆隧道與盾構(gòu)機(jī)軸線誤差,并調(diào)整鉸接油缸、推進(jìn)油缸,保證盾殼與鉆爆隧道間的間隙,確保盾構(gòu)按隧道軸線推進(jìn)。
3.6安裝管片及變形控制
3.6.1管片選型與安裝
管片選型應(yīng)滿足隧道線形,安裝后盾尾間隙要滿足下一掘進(jìn)循環(huán)限值,確保有足夠的盾尾間隙,防止盾尾直接接觸管片造成管片破損。選型時(shí)要根據(jù)盾尾間隙與油缸行程差,結(jié)合盾構(gòu)姿態(tài)選擇合適的管片。
管片安裝從隧道底部開始,先安裝標(biāo)準(zhǔn)塊,依次安裝相鄰塊,最后安裝封頂塊。封頂塊安裝前,對(duì)止水條進(jìn)行潤(rùn)滑處理,安裝時(shí)先徑向插入約6/7管片寬度,調(diào)整位置后緩慢縱向頂推。管片塊安裝到位后,及時(shí)伸出相應(yīng)位置的推進(jìn)油缸頂緊管片,推進(jìn)油缸的壓力設(shè)定為50bar,然后方可移開管片安裝機(jī)。
3.6.2管片防水措施
盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)時(shí),盾殼與導(dǎo)向平臺(tái)間的摩擦力約100t,管片與盾尾尾刷間的摩擦力為20t,拖拉盾構(gòu)機(jī)后配套的拉力為75t,總反力為195t。施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)油缸推力均在300t以上,且管片防水使用的是遇水膨脹橡膠止水條,盾構(gòu)機(jī)推力滿足管片防水的要求,沒有出現(xiàn)因止水條擠壓不緊而造成管片漏水現(xiàn)象。
為保證管片的防水效果,采取以下措施:
�、偎淼镭炌ㄇ鞍惭b管片時(shí),每環(huán)管片用φ22鋼筋與上一環(huán)管片相連,防止因貫通時(shí)刀盤前方突然失去反力引起已安裝的管片松動(dòng);
②在盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)前方,利用導(dǎo)向平臺(tái)上的預(yù)埋鋼板焊接牛腿,安設(shè)兩個(gè)80t的千斤頂提供反力,也可直接在刀盤前方堆碴提供盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)所需的反力;
�、郯惭b管片時(shí),在該環(huán)管片的螺栓緊固完畢后,對(duì)上環(huán)管片的螺栓進(jìn)行二次緊固。
3.6.3防止管片錯(cuò)臺(tái)的措施
盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中,由于刀盤的支撐,在盾構(gòu)機(jī)前體與管片之間形成一個(gè)類似于簡(jiǎn)支梁的結(jié)構(gòu),當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力不足時(shí),在自重作用下,盾構(gòu)機(jī)主機(jī)后部懸空部分會(huì)下沉,從而導(dǎo)致管片產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。但當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在導(dǎo)向平臺(tái)上向前推進(jìn)時(shí),盾構(gòu)機(jī)的前體、中體以及盾尾的盾殼與導(dǎo)臺(tái)是緊密接觸的,只要注意管片選型與姿態(tài)調(diào)整,并嚴(yán)格控制注漿壓力,就不會(huì)產(chǎn)生大的錯(cuò)臺(tái)。為防止錯(cuò)臺(tái),采取了以下措施:
�、倜�3～5環(huán)對(duì)管片姿態(tài)進(jìn)行人工測(cè)量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果結(jié)合盾尾間隙進(jìn)行管片的選型;
②加強(qiáng)米石及注漿回填效果的檢查,確保管片與鉆爆隧道間充填密實(shí);
�、墼诎惭b好的管片上增加縱向連接拉桿。
3.7背襯回填技術(shù)
由噴射米石、同步注漿、補(bǔ)充注漿等三部分組成。向盾殼外噴射米石,在管片脫離盾尾時(shí)對(duì)管片進(jìn)行支撐,防止管片下沉產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái),并增加盾構(gòu)向前推進(jìn)的摩擦力。盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)時(shí),管片背后同步注漿,使管片與地層緊密接觸,提高支護(hù)效果。檢查注漿后的效果,必要時(shí)補(bǔ)充注漿。
3.7.1噴射米石
采用5～10mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖米石作為回填料。管片拼裝時(shí)進(jìn)行噴射米石回填。噴射米石分兩次:第一次,每隔4.5～6m在盾構(gòu)機(jī)的切口四周不小于60～300°的范圍用袋裝砂石料圍成一個(gè)圍堰,防止管片背后的米石、砂漿前竄,利用混凝土噴射機(jī)從刀盤前方向盾構(gòu)后方吹米石,噴射壓力0.25～0.3MPa。當(dāng)盾殼頂部與砂袋圍堰頂部形成自然坡度時(shí),停止噴射;第二次,管片脫出盾尾后,從管片注漿孔向管片背后吹米石,進(jìn)一步填充管片與鉆爆隧道的空隙。
3.7.2同步注漿
同步注漿采用水泥砂漿,初凝8h,終凝10.5h。施工時(shí)根據(jù)漿液的流動(dòng)情況,適當(dāng)調(diào)整漿液膠凝時(shí)間。同步注漿在每環(huán)管片米石回填后進(jìn)行,與盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)同步,采用手動(dòng)控制,根據(jù)情況隨時(shí)調(diào)整注漿流量、速度、壓力。為保證填充效果,同時(shí)防止砂漿前竄至刀盤前方,注漿壓力為0.05～0.08MPa。同步注漿時(shí)盾殼外圍是敞開的,壓力變化不大,不以壓力作為注漿結(jié)束的控制標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿量達(dá)到理論注漿量的80%以上時(shí),即可結(jié)束注漿。在管片安裝10環(huán)后,間隔4環(huán)管片在管片注漿孔處開口檢查注漿效果。根據(jù)檢查效果,決定是否進(jìn)行補(bǔ)充注漿。
3.7.3補(bǔ)充注漿
(1)第一次。目的是填充管片背后尤其是頂部的空洞。盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)過(guò)程中,每前進(jìn)4環(huán)通過(guò)管片注漿孔檢查同步注漿效果。管片背后如果存在空洞,從管片上部30°或330°位置的注漿孔進(jìn)行注漿。注漿時(shí),避開封頂塊位置。漿液采用水泥單液漿。漿液配比為:水泥：水=1 ：0.8。注漿壓力為0.3～0.4MPa。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力單指標(biāo)控制。
(2)第二次。盾構(gòu)機(jī)通過(guò)鉆爆隧道后,根據(jù)滲漏水情況,采用雙液注漿泵注漿堵水。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。漿液配比為水泥:水玻璃為1：1,注漿壓力為0.2～0.3MPa,注漿速度不大于10L/min。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力單指標(biāo)控制。
3.8盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制
(1)確保導(dǎo)臺(tái)精度
導(dǎo)臺(tái)是盾構(gòu)機(jī)通過(guò)鉆爆隧道時(shí)的下部支撐,導(dǎo)臺(tái)的精度直接決定著盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。搞好施工測(cè)量和驗(yàn)收,確保導(dǎo)臺(tái)精度0～15mm。
(2)調(diào)整好隧道貫通時(shí)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)
盾構(gòu)機(jī)從盾構(gòu)隧道進(jìn)入鉆爆隧道時(shí),確保盾構(gòu)出洞時(shí)的旋轉(zhuǎn)值Roll小于±3mm/m。盾構(gòu)機(jī)在導(dǎo)臺(tái)上步進(jìn)時(shí),調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的旋轉(zhuǎn)值Roll小于±5mm/m。
(3)做好管片的選型及安裝
考慮盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、盾尾間隙、油缸行程及盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)情況等因素,合理選擇管片安裝類型,使盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)偏差在±20mm以內(nèi),上下左右盾尾間隙均在70mm左右,最大油缸行程差在25mm以內(nèi),確保管片受到的油缸推力較平均。在管片脫出盾尾時(shí),盾尾內(nèi)殼不擠壓管片外壁,有效防止管片產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、裂縫。
(4)及時(shí)人工復(fù)測(cè)管片姿態(tài)
盾構(gòu)機(jī)配備的SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)能全天候地動(dòng)態(tài)顯示盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前位置相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)軸線的位置偏差,主司機(jī)根據(jù)顯示的偏差及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。為保證導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,確保盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向,每周兩次由人工對(duì)SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量校核。管片安裝完成后,每3～5環(huán)人工進(jìn)行一次管片姿態(tài)的復(fù)測(cè)。
4 工程效果
�、偈┕に俣瓤臁⒐ば黠@。盾構(gòu)機(jī)拼裝管片通過(guò)鉆爆隧道達(dá)到平均每天11m的施工進(jìn)度。
�、诮�(jīng)實(shí)測(cè),管片高程和平面偏差均小于30mm,符合《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中允許偏差要求(±50mm),管片表面無(wú)破損,相鄰管片無(wú)明顯的錯(cuò)臺(tái),無(wú)滲漏水現(xiàn)象。
③采用該技術(shù)成功通過(guò)了硬巖地層,確保了施工的順利進(jìn)行,減少了刀具在硬巖地層掘進(jìn)的損耗及破壞,延長(zhǎng)了盾構(gòu)機(jī)的使用壽命。
5結(jié)束語(yǔ)
①鉆爆法與盾構(gòu)法的結(jié)合,拓展了盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性,避免了因長(zhǎng)距離硬巖地層對(duì)盾構(gòu)法應(yīng)用的限制,使盾構(gòu)機(jī)施工的城市地鐵、鐵路、公路、水工隧道等地下工程能得到進(jìn)一步發(fā)展。
②采用鉆爆法開挖、管片襯砌施工工法,有效地避免了盾構(gòu)機(jī)在長(zhǎng)距離硬巖地層中掘進(jìn)的施工風(fēng)險(xiǎn),極大地方便了城市與交通等方面的建設(shè)規(guī)劃,并能保證工程和周圍環(huán)境的安全。
參考文獻(xiàn):
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