盾构采用辅助工法通过硬岩段施工技术应用
摘要：随着城市地铁的快速发展，采用盾构法修建城市地铁隧道的情形越来越多，在软硬不均或软硬交互且岩石强度差异很大的复合地层采用盾构法修建地铁隧道就越来越复杂，本文通过盾构工程的实例介绍盾构采用辅助工法通过硬岩段施工技术的研究与应用，意在为以后类似工程提供借鉴。
关键词：盾构辅助工法硬岩段施工技术应用
1 盾构区间工程概况
深圳地铁某标段两个盾构区间线路整体成南北走向，最小曲线半径R＝400m，最大曲线半径R＝450m，盾构区间隧道总长3736.224米。
2 辅助工法方案分析和设定
盾构机在长距离硬岩地层中掘进,应根据盾构机的破岩能力、刀盘结构布置及盾构机的其它性能，评估盾构机在硬岩段掘进的适应性,辨识和分析各种施工风险,考虑采用辅助工法的可行性,并进行进度和技术经济比较,选择在硬岩段施工中合理的施工方法。
1、本工程区间隧道根据地质初勘、详勘、补勘,准确地判定硬岩段连续掘进距离长，最长地段连续掘进长度达700m，岩石强度160～215.2Mpa之间，高于盾构机设计破岩能力15M0Pa，目前在广深地区，盾构机对岩石单轴抗压强度低于80MPa的硬岩地层施工是基本适应的, 但盾构机在100Mpa以上硬岩段连续掘进长度超过100m的工程实例基本没有，但根据海瑞克经验和评估，盾构机在100Mpa以上硬岩段掘进工效很低，且本工程硬岩段连续掘进距离长，最长地段连续长度达700m，掘进风险极高。
2、根据调查及了解，国内通常在岩石单轴抗压强度达到80Mpa且连续长度达到100m以上时，采用矿山法先行开挖及施作初支，盾构机拼装管片通过的方式来通过硬岩段。
3、盾构机在局部硬岩地层中掘进易造成刀具意外破坏和非正常磨损,不仅增加直接成本,且由于掘进速度慢,其他辅助工作费用也增大,将造成施工成本增加。
4、盾构机拼装管片通过已开挖硬岩段的速度比盾构法在一般较硬岩层地段的掘进速度快,经比较,能够提前工期,节约工程成本。
本区段（暗挖盾构空推段）在盾构机空推前，首先进行盾构与暗挖段分界端头墙、砼导台、暗挖段堆碎石等的施工；然后在空推掘进过程中，进行同步注浆，并采用管片固定螺杆对已拼装好的管片加固；最后在空推通过后，对空推段进行二次补充注浆固结整环管片。
3 主要施工工法和技术要求
3.1 总体施工流程
暗挖盾构空推段总体施工流程图如下：
图1-暗挖空推段总体施工流程图
3.2 主要施工方法和工艺
3.2.1 矿山法暗挖段导台施工
矿山法隧道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，钢筋砼导台的内径R=3150mm，外径R=3300mm；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。
3.2.2 矿山法暗挖空推段堆填碎石施工
盾构机导台施工完成并达到设计强度的80%之后，暗挖空推段隧道25m范围内首先要进行碎石回填，25m以后要在半断面内进行碎石回填。
1、碎石回填目的
（1）给盾构机提供足够反力，推进千斤顶顶推管片使管片三元乙丙橡胶止水条挤压密贴，达到良好止水效果。
（2）在刀盘前方形成密闭堆载体，让盾构机形成正常推进的土压平衡模式。
2、碎石回填施工
导台施工完成后，待砼强度达到设计强度的80%后，方可在隧道内进行碎石回填施工，碎石粒径宜采用10～30mm，所需碎石从区间竖井向下投放至竖井底，通过汽车运输到预定施工地段，采用ZLC40装渣机进行堆填，从盾构与暗挖分界点开始往竖井方向回填。盾构推进前，刀盘前方依次全断面填碎石长度15m，然后放坡填碎石长度10m。
3、碎石回填后对盾构机的提供的反作用力计算
（1）推进时砼导台对盾构机的摩擦阻力
F1=μ摩·Wg=0.3×3430=1029KN
Wg-盾构及附属物总重=3430KN
μ摩-摩擦系数取0.3
（2）回填碎石受到的摩擦阻力 F1=μ摩·(πD2/4) ·L·γ石·K=0.3×(3.14×6.252/4) ×22.5×1.87×9.8×0.83=3148.32KN
L-回填碎石的长度，全断面15m，放坡10m，故折算成全断面共22.5m
K-碎石的松散系数
γ石取1.87t/m3
（3）盾构支撑碎石所受的轴向阻力
F2=S盾构面积·P盾构中心土压=(πD2/4) · L·γ石·Kg=(3.14×6.252/4) ×1.87×6.25/2×9.8×0.39=684.88KN
Kg-碎石的侧压力系数
（4）盾尾刷与管片之间的摩擦阻力（以2环管片计算）
F3=μ磨·2W管=0.5×2×200=200 kN
每环管片W管取200KN
（5）后部拖车的牵引阻力
F4=μ磨·W拖=0.5×1700=850 kN
因此，盾构机掘进时堆碎石后所提供盾构反作用力总计为：
F=F1+F2+F3+F4+F5=1029+3148.32+684.88+200+850=5912.2KN
4、管片止水条需要挤压力计算
单条管片橡胶止水条挤压量达到12mm时的挤压力50KN/m,一环管片橡胶止水条总长约18.84m，则挤压一环管片橡胶止水条需要的推力为F1=50*18.84=942KN,相领管片橡胶止水条为2道，则总挤压力F= F1*2*1.5(安全系数)=2826KN。盾构机前方堆填碎石后的总推力计算为5912.2KN＞止水条挤压力2826KN,故盾构机推进产生的推力满足管片止水条挤压力的要求。
3.2.3 盾构到达段施工
1、拆除刀具
暗挖空推段钢筋砼导台半径为3.15m，故在盾构上导台之前应拆除2把铲刀、2把刮刀。为确保盾构顺利通过分界墙，准确步入导台，在拼装完实推最后一环时，开仓将2把铲刀及2把周边滚刀（39#及40#）拆除。
2、盾构掘进
根据到达段的工程地质及水文地质条件和到达段对掘进施工的特殊要求，在到达段盾构掘进采用敞开式模式进行掘进。盾构机进入到达段时，首先逐步减小推力、降低推进速度，加强每一环掘进的出土量的监控频次。其掘进施工参数见下表：
表1-掘进参数表一
3、管片注浆及防止浆液前窜措施
每环按照设计方量进行同步注浆，为确保在盾构到达空推段后，纯盾构段隧道地下水及同步注浆的浆液不往空推段涌入，以切断后续水源或浆液涌入刀盘位置，同时提高管片抗浮能力，在掘进拼装完成至空推段分界里程倒数第三环后，停止掘进，在倒数第10至倒数第6环进行二次注浆，确保连续5环全断面注满。
5、管片拼装
为确保隧道贯通后的管片接缝防水要求，在到达矿山与盾构分界里程后开始，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。
3.2.4 盾构机步入导台施工
碎石回填密封刀盘前方断面，碎石充填盾体与暗挖初期支护间的间隙，同步注浆正常开启，管片止水条密封良好，此条件下的两种工况示意如下：
（1）工况一
盾构机到达碎石回填断面，未向前推进，示意图如下：
图2-工况一示意图
（2）工况二
盾构机向前推进，管片拼装和同步注浆与正常段掘进时一样，示意图如下：
图3-工况二示意图
3.2.5 盾构空推段施工
当盾构机进入导台后，启动盾构机往前掘进，根据刀盘与导向平台之间的关系，调整各组推进油缸的行程，使盾构姿态沿线路方向进行推进。然后开始进行管片拼装、管片背衬回填工作。推进时，推进速度不能过快，控制在35mm/min之间，同时启动同步注浆工作。管片与已开挖成型隧道间由回填小碎石充填，同时开启同步注浆加水玻璃进行填充。
1、盾构掘进
盾构掘进模式采用不建压模式，掘进推力控制在800t以内（主要以掘进速度控制在30mm/min来控制推力大小），当掘进推力大于800t以上，可启动螺旋输送机出渣，但要控制出渣量，掘进过程中，土仓内不加气压和泡沫。
2、拼装管片
盾构在推进时，保持上下推进油缸油压相等，使盾构机在导台的导向下往前推进。在轴线高程中推进。通过控制盾构盾尾与管片外围间隙的控制，控制管片符合设计轴线要求。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。
3、管片背衬回填
当盾构机开推后启动同步注浆系统。运用特制三通，利用盾构机自身的同步注浆系统由盾尾压注水泥砂浆和水玻璃同时进入进行注浆作业。砂浆和水玻璃以4：1的比例混合同时进入，以期达到快速凝固来使管片与初支及地层间紧密接触，以提高支护效果。空推段掘进完成后停止掘进，对管片拱顶背后填充采用水
泥砂浆作为填充料，注浆设备采用砂浆泵，注浆压力控制在0.5Mpa。
4 辅助工法方案实施效果
4.1 施工进度
1、掘进速度方面
盾构机从盾构始发井始发后进行实推，同时在盾构始发井区间竖井，对硬岩段实施矿山法开挖。矿山法平均开挖进度为2m/天，盾构机空推进度平均为15环/天（即24m/天）。
2、工期风险方面
在硬岩段采用矿山法开挖初支后盾构机拼装管片通过，能够避免途中岩石强度超出盾构机破岩能力不能掘进而停机后，等待矿山法初支，然后空推通过，大大拖延工期。更为严重的是如果盾构卡在途中硬岩段，盾构硬岩实推掘进段地面有建筑物群，无施工矿山竖井采用辅助工法的条件，拖延的工期将会更长。
4.2 管片姿态
空推施工完成后对盾构姿态进行了测定，相邻管片允许高差≤4mm，相邻环的环面间隙≤1mm，纵缝相邻块块间间隙≤1mm，衬砌成环后（刚出盾尾时）直径允许偏差：2%D（D为隧道竖向外径）。衬砌环椭圆度≤20mm，隧道水平轴旋转角度≤0.6°。
5 结论与建议
由于目前城市地铁施工普遍面临工期紧、任务重的特点，采用辅助工法提高施工效率是非常必要的。辅助工法是由地质、工期、环境等因素共同决定的。考虑到城市地铁施工特殊的施工环境，在类似地质条件下，应该尽量减少纯矿山法隧道的施工，发展盾构法及其辅助工法施工技术，一方面可以减少隧道施工对城市环境的影响；另一方面盾构施工可以减少城市隧道施工的安全、工期以及成本风险。
