大直径双模盾构机洞内空推拼装管片施工技术研究

刘洋洋1贾梦军2李团结2

（1.中国水利水电第十四工程局有限公司，广州，510800）

2.中国电建市政建设集团有限公司，天津，300000）

摘要：基于深圳至惠州城际城际轨道交通工程施工 ，文中对大直径盾构空推过大纵坡矿山法隧道期间的施工技术和控制措施进行了深入研究。主要内容包括盾构导台施工、盾构接收、安装反力装置、盾构顶推等施工过程 ，对穿心棒进行抗剪承载力验算和抗弯承载力验算 ，在此基础上对反力装置进行优化 ，提高盾构空推的效率性和安全性。该施工工艺为该工程盾构空推过矿山法隧道提供了技术支持 ，保证盾构空推施工的顺利进行。

关键词：盾构空推； 地铁隧道；矿山法

0 引言

地铁隧道施工主要采用盾构法，在较坚硬岩层等特殊地段一般采用矿山法。当线路地质变化较大时，采用单一的盾构法或者矿山法就不能满足施工要求，势必采取多种工法联合施工，“盾构法 + 矿山法”就是一典型组合工法［1-2］。在某些施工场地受限区域，这种组合工法会用到盾构空推通过矿山法已施工完初支的隧道，并拼装管片形成隧道的二衬，以此节约场地，方便施工组织。

盾构空推过矿山法隧道施工工法是为解决地下隧道施工难题而研发的一种复合施工工法［3-5］，即地铁区间一端用盾构法施工，另一端用矿山法相向施工; 矿山法施工完成隧道初期支护，盾构法与矿山法隧道贯通后，通过矿山法隧道时，由于刀盘不承受地层阻力，只空推; 边空推边用盾构机拼装管片形成隧道的二衬，并向管片和初支之间的孔隙填充豆砾石及注浆。盾构空推过矿山法隧道，初支断面不能出现欠挖，若欠挖，空推时会卡住刀盘而无法继续推进; 若初支断面超挖，管片拼接后易发生下沉或上浮。此外，盾构空推时推力［6］达不到管片挤压防水要求，或已拼管片周边存在较大间隙，易发生接缝渗漏水［7］、隧道轴线偏差超限、管片错台、管片上浮等质量问题。因此，研究盾构空推过矿山法隧道关键技术意义重大。

1 工程概况

深圳至惠州城际前海保税区至坪地段工程1标（前保—五和）土建四工区全长4.3km，包含1座工作井和1个盾构区间，即：南头关工作井（含）～西丽站（不含）区间隧道及南头关工作井土建工程。

深惠城际1标四工区在南头关工作井始发，工作井纵向长度仅有15米，前导洞35米，后导洞64米。本区间拟采用的铁建重工EPB+TBM双模盾构掘进，盾构机由盾体、连接桥和7节后续台车组成，总长116m，始发工作井及导洞长度不能满足盾构机的整体始发，故采取分体始发。

由于场地限制，盾构机主机进场后，先将后续台车5#～1#依次放入后导洞，随后将盾体、连接桥、螺旋机依次下井，通过空推将刀盘顶至前导洞掌子面位置。盾构机长度示意图如图1所示。

图1 盾构机长度示意图

2 盾构空推流程

盾构空推通过矿山法暗挖段的主要工序为：矿山法隧道及导台施工、隧道内回填豆砾石、盾构机掘进、拼装管片及管片背填注浆。其工序流程如图2所示。

图2 空推流程图

2.1 盾构空推前准备

矿山法开挖完成初期支护后，在隧道底部60°范围内施工钢筋砼导台，衬砌断面钢筋砼导台的内径R=4710mm，外径R=5010mm；盾构机施工导台的配筋为双层双向12@200，导台厚度为300mm，混凝土采用C30混凝土，钢筋选用HRB400型。钢筋砼导台的中心线与隧道中心线重合，且钢筋砼导台对称于隧道中心线，导台的坡度预隧洞设计坡度相同为12.3‰坡度。同时在钢筋混凝土导台上预埋2条43kg/m钢轨作为导轨,这样更易于保证施工精度,降低施工难度，预埋时注意在靠近掌子面1.5m范围内不放置钢轨,预留刀盘转动空间,避免刀盘卡死。导洞断面图如图3所示。

图3 导洞断面图

2.2 空推段推力计算

盾构在矿山法隧道内空推时推力控制非常重要,推力小于止水条的最小挤压力3000kN时,粘贴在管片上的三元乙丙橡胶止水条达不到最低压缩量,隧道的防水效果会很差,甚至失效。推力过大会造成导轨刮坏,或者撞上初支面出现安全问题。隧道内回填豆砾石的方量需进行计算,确保盾构推进有合理的推力。在盾构空推的矿山法隧道堆放豆砾石至导台导轨面平齐。

隧道是采用矿山法先行开挖支护后,在刀盘前方回填豆砾石以提供反力,且在矿山法开挖支护后基本上没有水作用于盾体。刀盘前方堆填豆砾石计算长度大致测算为全断面堆填2m,则盾构机的反作用力计算如下。

1）推进时导轨对盾构机的摩擦力

F1=μN=2937.06kN

式中：N为盾构及附属物总重=刀盘+主驱动+前盾+中盾+尾盾+拼装机+螺旋机+连接桥=157+150+160+266+60+60+90+56=999t=9790.2kN；

μ为摩擦系数，取0.3。

2）回填豆砾石受到的摩擦阻力

F2=（ΠD²μLKγg）/4=595.3kN

式中：L为回填豆砾石长度，取2m；K为豆砾石松散系数，取0.83；γ为豆砾石容重，取1.86KN/m³；D为盾构机直径9.14m。

3）盾尾刷与管片之间的摩擦阻力(以2环管片计算)

F4=2μW=979.2kN

式中：摩擦系数μ取0.5

每环管片重力W取49.962*2=99.9t=99.9*9.8=979.2kN

4）配套台车的牵引阻力

F5=μW=274.4kN

式中：摩擦系数μ取0.5

配套台车连接桥重力W取56t=56*9.8=548.8kN

因此,土压平衡盾构推进时提供反作用力总计为:

F=F1+F2+F3+F4=4785.96kN

F＞3000kN（止水条挤压力），故前方堆放的豆砾石满足止水效果的要求。

2.3 盾构机步进导台

采用千斤顶，将盾体顶进至前导洞内，盾体从井口前移至导台上方。由于盾构机刀盘外径比盾体外径大，在盾构机从始发托架上进入导台前，结合现场实际情况考虑卸掉刀盘与导台面接触的边缘刀具，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。在刀盘到达端墙前预留缺口时，重新安装所卸的刀具。

刀具卸除后，进行零环施工，使盾构机盾体进入混凝土导台。在零环施工阶段，盾构机左右千斤顶长度应相同，使盾构姿态符合平面直线线形的要求。在推进时，推进速度不能过快，控制在10mm～15mm范围内，每推进一环，必须进行盾构轴线的跟踪测量，以便使盾构以良好姿态进入导台。

3盾构空推推进及管片拼装

3.1零环推进

（1）盾尾油脂的涂装

在拼装管片前需手涂盾尾油脂，使盾尾刷及间隙充满油脂，在推进第一环管片定位时，以保护盾尾刷不被损坏。

（2）第一环管片支撑及定位

零环管片的拼装质量对整条隧道拼装具有基准面的作用，因此严格控制第一环管片的拼装高程、方向、坡度等是保证轴线偏差不超限的必要条件。

（3）第一环推进

将第一环用推进油缸缓慢向后推动至能与反力环贴合，此时再次复紧管片螺栓。第二环后推到位后进行第三环的拼装。

3.2空载推进

盾构机空载推进依据刀盘与导向平台间的关系，调整各组油缸的行程，使盾构姿态沿设计方向推进。开始段推进速度控制在15～20mm/min，总推力约300t（大于防水材料压实所需反力），下部油缸压力略大于上部油缸。曲线段，计算出盾构机每进一环的偏转角与铰接油缸行程差和推进油缸行程差。盾构推进前复核矿山法隧道与盾构机轴线误差，并调整铰接油缸、推进油缸，保证盾壳与矿山法隧道间的间隙，确保盾构按隧道设计轴线推进。

盾构机始发时盾体未全部进入土体之前无法转向,只能沿直线形式进洞。依据南头关工作井—西丽站区间始发段R1700m圆曲线的线形特点对隧道线路进行拟合,采取割线始发,割线始发具有在盾体全部进入土体后盾构姿态偏差最小、管片不侵限、盾构纠偏容易等优点

3.3管片拼装

本标段工程管片衬砌采用错缝拼装方式，有利于提高隧道总体刚度，改善管片受力状态。空推段管片拼装工艺与正常掘进时的工艺相同。管片选型时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。在安装每一片管片时，先用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。在安装管片时，推进油缸的压力设定为60bar。在管片拖出盾尾，未喷射豆粒石及注浆加固前，管片在每一环脱出盾尾60cm后，在管片3、7、12、16号油缸位置使用10#槽钢进行管片间连接加固，避免始发后管片沉降。管片安装程序图及管片拉进图如图4、图5所示。

图4 管片安装程序图

图5 管片拉紧图

3.4空推段管片壁后回填

矿山法初支隧道与盾构管片间的间隙较大, 管片背后采用豆砾石填充、同步注浆和二次补浆的方式来填充,确保管片壁厚填充密实。

（1）豆砾石填充

施工时，事先计算每环填充的所需豆粒石量，在车架段的专用空间内装好豆粒石。盾构推进时，利用管片注浆孔，在同步注浆前将豆粒石通过注浆孔喷填至管片背部的建筑空隙。作业时，为了防止喷射过程中扬尘，豆石必须先进行洒水湿润。

由于刀盘前方为全封闭式的矿山法隧道, 无法采用湿喷机进行豆砾石喷射, 除掘进时豆砾石在挤 压作用下自动填充外, 同时采用人工辅助的方式将豆砾石向刀盘左右两侧间隙填充,每隔5m在盾构机的切口四周用袋装砂石料围成1个围堰,围堰范围不小于3:00~9:00时钟位置,以防管片背后的豆砾石、砂浆前窜。

管片背后回填采用喷射豆粒石（粒径5~10mm）、同步注浆和二次注浆相结合的方式进行。首先是盾构掘进时管片脱离盾尾第3环时，从管片吊装孔两侧由下而上喷射豆砾石，豆砾石粒径为5～10mm，采用设备自带的喷射系统，喷射量为17.28m³/环，喷射压力为0.25～0.3MPa。充填标准：回填数量基本达到理论数量后，通过管片顶部的注浆孔观察，直到注浆孔内充满豆砾石。

（2）同步注浆

同步注浆在每环管片豆砾石人工回填后进行,与盾构机推进同步, 利用盾构机自身的注浆机将注浆管接至已开孔吊装孔注浆，采用手动控制方式注浆,根据现场情况调整注浆流量、速度和压力。为保证砂浆对管片背后空隙的有效填充。使衬砌管片与地层间紧密接触，以提高支护效果,防止砂浆窜至刀盘前方,注浆压力控制在0.05~0.1MPa,但注浆压力不能作为注浆结束的标准,当注浆量达到能够顶托稳固管片时,即可结束注浆,注浆约9.5~10m³。注浆过程中加强对盾构机四周以及盾壳外部的围堰变形观测,发现有浆液外泄, 应暂时停止注浆。

空推段同步水泥浆，初凝控制在6h以内、终凝控制在12h左右。盾尾后第6环的管片上开孔，首先通过底部管片吊装孔作为注浆孔注水泥水玻璃双液浆，以防管片下沉产生错台，每环管片注3m³双液浆。

盾构空推地段每隔4环在管片注浆孔处开口检查注浆效果，根据注浆效果检查情况，确定是否需要补充注浆固结。

（3）二次补浆

矿山法隧道初支与管片背后回填很难做到填充饱满，为了确保管片背后回填密实，保证成型隧道质量，需对成型隧道进行二次补充注浆。当盾构机完全进入围岩后，矿山法隧道端头与洞门密封都已施工完毕，隧道管片背后空隙为封闭体，这时从洞门第一环管片开始逐环对矿山法隧道管片进行二次补充注浆。

回填注浆主要在3:00和9:00时钟位置通过管片吊装孔注入水泥浆,防止管片侧移; 为防止管片上浮，在离注浆孔五环位置打开吊装孔埋管为泄水孔，左右交替注浆，每隔5环进行1次环向封堵,并通过1:00和11:00时钟位置吊装孔注入双液浆,进行拱顶回填。以此类推，向前注浆回填。多次注浆才能确保管片背后的间隙填充密实。

补充注浆浆液采用水泥浆，通过普通注浆机，采用人工方式进行即可。为了防止注浆量过大造成隧道上浮，回填采用分层注浆。水泥浆配合比为1：1，注浆压力不大于0.5MPa，以便使空隙填充饱满同时不出现压力过大损坏管片现象。注浆采用注浆压力与注浆量双指标控制，即当主将压力达到设定值、注浆量达到豆砾石理论空隙量的80%以上即达到质量要求。

3.5盾构二次始发

1）盾构过完空推段，到达矿山与盾构分界里程后，停止掘进，启动螺旋输送机将土仓内豆砾石全部出完，将原拆除的周边刀安装就位后开始破岩掘进。盾构掘进时，应严格控制盾构机姿态，避免出现大的突变。起始5环掘进推力控制在800t以内，刀盘旋转速度为1.2r/min，以减少管片的旋转。掘进5环之后掘进为正常掘进模式。

2）盾构机的二次始发姿态控制

首先调整好盾构机从盾构段到暗挖段时的出洞姿态，减少推力，增大刀盘转速，确保盾构机出洞时的旋转值小于±3mm/m。

其次暗挖隧道施工时确保导台位置的准确性，在二次始发段导台施工时，加强监测频率，确保导台的施工精度在±10mm以内。

3.6空推与负载施工转换段施工

在盾构机刀盘靠近端墙时，检查并清理刀盘与端墙之间的杂物,为盾构机刀盘切入端墙做好准备。由于盾体与隧道初期衬砌之间有一定的空隙，盾体四周没有土体包裹，盾体旋转仅受导台的阻力,因导台阻力很小，导致刀盘切削端墙时盾体旋转角度很大。因此需要保持刀盘低速旋转，并不停地改变刀盘转动方向，让其慢慢地切入端墙，防止盾体旋转角度过大。当盾体全部进入土体后，因盾体被四周岩体完全包裹,岩体对盾体旋转产生较大的摩擦阻力，盾体转角明显减小，盾构机即处于正常掘进状态。

在盾体全部进入土体后,转动刀盘,减小推进速度或停止推进,加大所有推进油缸的油压,增加盾构机总推力,使其达到 20000kN 及以上,压紧矿山法隧道内已拼装的管片。保持这个总推力再一次紧固所有的管片螺栓。在压紧过程中要注重观察每环管片受压情况,防止因盾构机总推力过大而将管片压损压裂。

4 结语

综上所述 ，采用大直径盾构空推穿越大纵坡矿山法隧道的施工工艺，在充分掌握该区域周边环境、地质构造的条件下，通过盾构导台施工、盾构机姿态的实时调整、盾构精准接收以及盾构顶推等施工工艺 ，可保证盾构机安全、高效地空推过矿山法隧道施工段。同时，针对盾构空推施工采用反力穿心棒，基于穿心棒的抗剪承载力和抗弯承载力进行验算 ，对反力装置进行改进，在穿心棒前增设工字钢，使其满足承载力要求，避免了采用管片拼装造成的浪费。该研究解决了盾构空推过大纵坡矿山法隧道的难题 ，对类似的工程项目建设具有重大参考价值。

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