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盾构机过矿山隧道空推施工关键技术及控制措施

摘 要:厦门轨道交通 4 号线城场至双过村区间矿山段采用盾构空推拼管片工艺,在施工过程中主要是做好盾构接收、管片拼装、管片背部豆砾石吹填及注浆、横通道处理、二次始发等关键工序,确保盾构空推的安全与质量。
0 引 言
  随着国内城市轨道交通的大发展,盾构法具有高效、安全的特征,在轨道交通工程建设中成为首选。在盾构空推过矿山过程中,重点是做好盾构接收、二次始发准备工作,保证安全。加强推进过程中管片的拼装质量、豆砾石的吹填尤其是过空推段后的吹填、背部注浆密实度,确保空推质量。
1 工程概况
  厦门轨道交通 4 号线城场站至双过村站区间起于翔安区城场村天马微电子厂处,以高架形式往南跨越海翔大道、东坑湾,在炉前村附近以盾构形式下穿,终于洪厝村附近的双过村站,区间全长 5.1km,其中盾构含矿山空推段 1.7km,见图 1。
  城场至双过村区间左线矿山段的里程起止桩号为ZK50+667.000 ~ZK50+904.000, 长 度 237m, 右 线 为YK50+667.000~YK50+872.000,长度 205m。在 YDK50+780.000 处设置净空 9.4m×6m(长×宽)竖井及横通道,竖井深25.2m,横通道长 15.2m,矿山隧道从小里程往大里程为单线上坡,坡度为 13‰,为单洞单线圆形隧道,两端接盾构区间,见图 2。
  矿山隧道采用钻爆法施工,衬砌为复合式衬砌,二次衬砌采用预制钢筋混凝土管片,矿山法隧道净空直径Ф7400mm,管片外径 Ф6700mm,管片与隧道初衬之间有35cm 宽的环形空隙,采用豆砾石充填及浆液填充。
2 工程地质及水文条件
2.1 地质情况
  根据地质详勘资料及现场开挖情况来看,整个矿山隧道地质主要为碎裂状强风化花岗岩、中微风化花岗岩。盾构与矿山交界段主要为中微风化花岗岩,地质条件总体良好。
2.2 水文条件
  整个矿山段主要为存于碎裂状强风化 ~ 中风化带的基岩裂隙水,大里程段呈渗漏状态,小里程段局部呈滴漏状。盾构与矿山交界处主要为基岩裂隙水,水量较小。
2.3 周边环境
  空推段地面为农田荒地,无建筑物及地下管线,环境简单。
  综上分析,盾构接收段地质条件简单,风险可控。
3 盾构接收准备工作
  为确保盾构的顺利接收,在盾构接收前,需提前做好五项工作。
3.1 断面测量
  矿山法隧道初支完成后,盾构接收前,先对矿山进行断面扫描,确保整个隧道净空满足要求。
3.2 水平地质探孔
  进一步探明矿山小里程接收段、大里程始发端头地质情况,确保接收安全。先行进行水平探孔施工,在掌子面四周及中央共钻探 9 个孔,深度 5m。从水平钻探取芯情况来看,大小里程均为中微风化岩石,有少许基岩裂隙水,不存在涌水涌砂地质不良情况,与图纸地质描述相符,接收及始发风险可控。
3.3 封堵墙施工
  在两侧矿山尽头设 800mm 厚的封堵墙,内设玻璃纤维筋格栅,格栅竖向间距 1000mm,保证掌子面稳定。玻璃纤维格栅随钢架同步架设,且玻璃纤维格栅与钢格栅要可靠加固联接,确保玻璃纤维格栅伸入钢格栅不小于 300mm,三榀并列钢格栅从端头墙外侧开始排列。同时在交界处采用玻璃纤维筋锚杆进行加固。玻璃纤维筋锚杆长 3m,间距 0.75m(梅花形布置),在区间隧洞范围内环向布置,最外层玻璃纤维筋锚杆与垂直于洞门方向成 15°夹角,其余玻璃纤维筋锚杆垂直于洞门方向,见图 3。
3.4 导台施工
  在矿山段隧道初期支护完成后,盾构到达前,施工用于支持盾构前进的导向平台。导台采用钢筋混凝土结构,标号C30,内配 φ12 及 φ16 钢筋网,导台高度为 200mm,导台台面标高偏差控制在 - 5~+10mm,浇筑混凝土应密实,保持坡面平顺。盾构机进入导台的洞口处,在导台两侧预埋两条160mm×20mm 钢板。
3.5 豆砾石堆载
  为确保盾构机掘进时豆砾石所提供盾构反作用力,满足止水条的止水效果,分别在小里程掌子面处及过横通道大里程段处设两堆豆砾石堆载体,高度为 4m,堆载长度为 5m,坡度 30°,其余地段豆粒石平铺弧形状,豆粒石粒5~10mm。
  大小里程掌子面前预留 1 环不平铺豆砾石,以便小里程能够避免破除端墙时遗留的渣土混入豆砾石中,大里程段盾构机能够顺利切入端墙。
4 盾构接收
  盾构机进入暗挖隧道前 40m,要重点做好以下几项工作:
  一是将推进速度调整到≤10 mm/min,推进推力调整到≤800t,刀盘转速调整到≤1.5r/min,同时要加强出渣量的监控;
  二是要调整盾构机姿态,使其轴线高于设计 2cm,确保盾构机顺利上导台;
  三是在进入暗挖隧道前的最后 3 环进一步将推进速度调整到≤3 mm/min,推力调整到≤600t;
  四是要加强人工复测,严控盾构机姿态。
  为确保盾构机能顺利地进入矿山隧道,刀盘出洞前,加强对同步注浆及二次注浆的控制;刀盘露出洞门后,开始对盾尾外第三环管片进行双液浆注浆作业。每推进一环,即封闭一环,待盾尾完全进入矿山法隧道后,在盾构机前面检查盾体与洞门间是否有明水,如有,则继续进行注浆,直至无明水渗漏,避免盾构隧道外侧地下水通过该间隙进入矿山法隧道。
5 盾构空推
  空推分两部分进行,前部分是从接收端到横通道部位,后部分是从横通道到二次始发段。空推过程主要是控制豆砾石吹填效果、注浆效果以及管片拼装效果。空推推进速度控制在≤50mm/min,总推力≤600t。
  在推进过程中,利用两台喷混凝土设备,分别在 2 点、10点钟位置各焊接一根 5cm 的钢导管,钢管长度与盾壳长度一致,刀盘侧接喷混凝土设备软管,边推进边喷设豆砾石,吹填压力控制在 0.25~0.3MPa,见图 4。
  盾构机过横通道后,由于运输车无法进入前方隧道内,在矿山法后半段地面进行打孔,孔径 200mm。在盾构机通过横通道后直接在地面进行豆砾石吹填,见图 5。
  注浆分三次进行,第一次为同步注浆,在推进过程中与吹填同步进行;第二次采用从拱顶注双液浆,每隔三环设一个注浆作业面,形成止水帷幕;第三次是在对止水帷幕之间的管片再注水泥浆液。 第一、二次注浆压力现场无法建立,注浆量根据现场实际情况而定。第三次注浆从拱顶开始注浆,注浆压力保持在0.25MPa,持续时间 2min,则可停止注浆。
  各浆液配合比如下:
  同步注浆配合比(kg/m3):水(500)∶水泥(160)∶砂(650)∶粉煤灰(400)∶膨润土(70)。
  二次注浆配合比:水玻璃与水泥浆液的体积比为 1∶1,水泥浆液(kg/m3)配合比为水(756)∶水泥(756)。
  第三次注浆材料采用水泥浆(kg/m3)配合比:水(756)∶水泥(756)。
  注浆要两侧对称进行,防止偏压使得管片跑位。
6 横通道处理
  竖井横通道位置的管片待盾构完全驶出矿山后再行拆除,以便后期施工竖井、横通道主体结构。因横通道处洞门钢环后期施工,为防止洞门处漏浆及豆粒石及浆液外泄,在洞门处砌砖墙将管片外部间隙进行临时密封,同时预留注浆管,采用双液浆进行封堵。
  为防止矿山段管片上浮、松弛等现象,在整个矿山处沿线每 10 环管片,在 3 点、9 点、12 点钟的位置分别安装纵向14b 槽钢拉紧条,待隧道贯通注浆满足要求后再行拆除,见图6。
7 盾构二次始发
  始发段主要为中风化花岗岩,掌子面及前方基本没有渗漏,条件较好,主要是利用管片为盾构二次始发提供返力,并做好后续注浆、拼装工作。
8 检测
  待盾构全部驶出矿山区间后,立即对管片背部进行扫描,重点是拱顶、拱腰部位要加密扫描,发现空洞及时补浆,直到密实为止。
9 控制措施
  豆砾石粒径采用 5~10mm,并要求有良好的级配滑动性。豆砾石两侧堆载要尽可能确保 3 点到 9 点位置,避免后期吹填压力。刀盘前部豆砾石堆载坡度不宜超过 30°,坡度过大,会导致盾构机陷进豆砾石堆中,会大大增加推力。豆砾石吹填过程中要左右两侧对称喷射,两侧高差控制在 1m 内,避免两侧管片压力差较大,导致管片跑位。
  推进速度不宜过快,每天推进速度建议控制在 6 环之内,过快推进速度会严重影响管片背部豆砾石吹填效果,造成吹填不密实现象,后期注浆量加大,增加造价。
  在注浆过程中,可派人在间隙间进行观察,如有发现浆液前窜迹象,可在刀盘两侧补填豆砾石起阻挡浆液外窜作用。
  因管片与隧道初支之间有一定间隙,在吹填过程中,人可以通过间隙进入到管片背部,观察吹填、注浆效果,并及时采取措施,确保背部填充密实。
10 结语
  左线盾构过矿山空推时间为 2019 年 10 月 26 日到 11月 26 日,从现场实际情况来看,总体良好,基本做到了管片无错台、渗漏现象。主要措施:一是控制推进速度,确保豆砾石吹填及注浆的密实度;二是加强人工复测;三是控制拼装质量。左线盾构空推为右线提供了丰富的经验,右线盾构预计在 2020 年 1 月底到达。

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