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矿山法隧道内盾构始发施工技术

龚金弟
 (上海市基础工程集团有限公司)
    随着社会对隧道工程的持续需求,盾构法隧道的施工技术取得了长足的进步。作为盾构施工的关键工序,与盾构出洞及进洞相关的新工艺层出不穷。通常盾构进出洞都需要一个基坑作为工作井,在工作井中完成始发和接收工序。也有部分工程采用无工作井的作业方式实现盾构始发及接收。福州市地铁1号线是福建省首条地铁线路,需评估众多安全因素,而且施工受地质条件及工期限制,不得不在已建矿山法隧道内始发盾构。本文结合福州地铁1号线过闽江段施工实例,介绍矿山法隧道内盾构始发施工技术的实施情况。
1案例情况
    福建省福州市地铁1号线过闽江段(达道站—上藤站)区间总长度约1700m。该区间共分为3段:①矿山法改盾构法区段长约220m;②矿山法爆破区段长约350m;③原设计盾构法区段长约1150m。盾构机自上藤站始发后,在矿山法隧道内进行接收,并在矿山法隧道内牵引到位后,需在矿山法隧道内临近掌子面再次进行始发。
    (1)地质条件。根据工程地质勘察报告,临近矿山法隧道盾构始发段的主要为中等风化花岗岩、细砂和中砂。
    (2)隧道结构。矿山法隧道长约350m,由初衬及二衬组成,在隧道爆破完成后依次进行初衬和二衬施工,其中初衬内径为7.7m,二衬内径为6.9m。具体如图1所示。
 
    盾构法隧道混凝土管片强度等级为C55,抗渗等级为P10,单环管片由6块组成,分别为F块、B1块、B2块、B3块、L1块、L2块,管片内径5.9m,外径6.2m,管片环宽1.2m,隧道采用错缝拼装形式。
    (3)施工机械。施工所采用的盾构机直径为6.45m,刀盘直径为6.48m,盾构机本体长9.32m,台车及后配套总长约63.50m。
2出洞方案及难点
    根据地质资料可知,临江段矿山法施工地层主要为中等风化花岗岩,其无侧限抗压强度平均为176MPa,最高达183MPa。这样的地层条件对盾构施工无疑会造成困难。因此在有条件的情况下,应尽量采用矿山法爆破处理,缩短盾构在此地层中的掘进距离。因矿山法隧道临近闽江底,需根据超前地质预报和掌子面围岩情况确定爆破终止位置,待爆破施工完成后,依次进行初衬和二衬施工。根据工况条件,盾构机在矿山法隧道内始发,需解决以下问题。
    (1)盾构机发射架的设计。常规盾构机发射架为钢材所制,而本次盾构机始发工况特殊,在矿山法隧道内盾构始发施工完成后,发射架并不能取出。从施工成本角度考虑,在矿山法隧道内浇筑一个混凝土发射架以满足盾构始发需求,混凝土发射架长度需超过盾构机本体。
    (2)混凝土管片与矿山法二衬间的连接措施。由外形尺寸可知,矿山法隧道二衬内径6.9m大于混凝土管片外径6.2m,此时二衬无法与混凝土管片进行对接,因此需要设计一个连接件来解决此问题。连接件需满足以下要求:①外形尺寸需同时满足管片与二衬的连接;②解决与管片及二衬间的止水问题;③作为混凝土管片的后靠,满足结构受力要求;④能够在盾构本体与桥架之间有限的空间内进行浇筑或安装。在此基础上,连接件还是可考虑采用浇筑混凝土环形牛腿或钢材加工形式。混凝土浇筑虽具有成本低,与二衬连接止水性较好等优点,但工期较长。考虑到本工程工期紧迫,因此考虑采用钢材设计此连接件(即钢后靠)。由此可知,在矿山法隧道内需预留一段空间不进行二衬施工,以满足盾构机始发需求。
3准备工作及关键点
3.1矿山法隧道施工及空间预留
    由前文可知,混凝土管片与二衬间连接件采用钢材加工作为混凝泥土管片的后靠(以下简称“钢后靠”),考虑到隧道止水效果,因此在临江面最后一段二衬施工时在环向和端面处预埋整圈钢板,待钢后靠和混凝土管片安装完成后,实施整环焊接以达到接缝止水效果。矿山法隧道二衬预埋件示意图如图2所示。
    根据矿山法隧道终止爆破掌子面里程,最终在矿山法隧道内临江面预留一段长约18.5m的范围不进行二衬施工,以满足混凝土发射架施工和环形钢后靠的安装。
 
3.2混凝土发射架浇筑
    在矿山法隧道施工完成后的预留空间内进行混凝土发射架施工,其长度约16.5m,并在发射架上设置预埋件用于焊接固定钢轨道,制作混凝土发射架测量放样时需考虑隧道坡度、设计标高和结构受力等因素以满足盾构始发要求。
3.3盾构机牵引
    盾构机在矿山法隧道内接收完成后,需分两个阶段进行牵引施工。第一阶段为盾构机进洞后,将盾构机牵引至矿山法隧道横通道位置;第二阶段为待盾构机检修确认设备性能完好及始发段矿山法隧道施工完成后,将盾构机牵引至混凝土发射架之上。盾构机牵引施工采用两组同心千斤顶实施。牵引锚固点生在土舱壁上,而在矿山法隧道内分别有A、B两种类型钢板预埋件,A型预埋件用于固定千斤顶基座,B型预埋件用于固定盾构机轨道。在实施盾构机牵引时,需提前在盾构机本体底部铺设钢板进行耐磨保护。
3.4钢后靠安装
    钢后靠采用预加工,属隧道永久性结构。安装前送至现场实施安装,大大降低了工期制约的影响。钢后靠作为盾构始发的反力基座,整体为圆环,由外圆弧板和内圆弧板构成,共分为6块,每块长900mm,厚1075mm。外径尺寸比矿山法隧道初衬略小,为7500mm;内径尺寸与盾构隧道管片一致,为5500mm。每块钢后靠背部均设计有滑动滚轮,便于现场安装,钢后靠与管片间采用螺栓连接。在钢后靠加工的同时根据盾构机和隧道的空间尺寸量身设计一套安装机械手,并须满足受力要求。
4始发施工及关键点
    由于本次盾构机在矿山法隧道内进行始发,无土体坍塌和涌水等风险。所以在其他准备工作完成后,始发施工关键点在于隧道内管片安装、隧道密封焊接及管片与初衬间的空隙充填。矿山法隧道内管片安装在钢后靠安装完成后进行。在盾尾处进行管片拼装,同时利用盾构机千斤顶将整环管片向钢后靠方向推送;当管片脱离盾尾时,应注意管片与轨道间的高差,并及时用槽钢垫平。
    根据隧道内工况,当第9环管片拼装完成时,管片可抵达钢后靠位置。在第一环管片即将接触钢后靠时,应对管片和钢后靠姿态进行测量,并采用机械手对钢后靠进行位置调整,确保钢后靠上预留孔能对准其管片螺栓孔。当钢后靠调整到位后,将混凝土发射架与钢后靠之间的空档进行延伸导轨的焊接,以保障管片在滑动至钢后靠位置时不发生掉落移位。在管片拼装完成后,为防止盾构机掘进时,管片受力发生位移旋转,因此需打开管片注浆孔,插入钢管至初衬内,并将钢管与注浆头焊接固定。
4.2隧道密封焊接
    拼装完成矿山法隧道内管片,且在千斤顶已完成顶紧后,需对钢后靠前后位置进行密封焊接。其与隧道二衬间可利用预埋钢板进行焊接。始发环管片为特制管片,在其每块管片的凹槽侧的内弧面预埋整圈钢板,并对钢板进行30°坡口处理,以增强焊接止水效果。
4.3管片背后间隙充填
    根据背景工程工况,矿山法隧道内管片背后与初衬间隙约300m3,如果全采用浆液充填,则施工成本较大,因此将本次间隙充填施工分为两步实施:①第一步在混凝土发射架拆模完成后,对其底部间隙采用黄砂填充;②第二步利用盾构机同步注浆系统向间隙处压注浆液。待注浆理论方量完成后,因为隧道掘进方向竖向为下坡,所以打开临近钢后靠处第一环的管片顶部注浆孔对注浆效果进行确认。
4.4盾构始发段参数制定原则
    当上述工作全部完成后,就可进行盾构正常掘进施工。盾构初始掘进时,地质有全断面中风化花岗岩和上软下硬地层,中风化花岗岩平均强度达176MPa,且岩石裂隙较少,所以在地层工况下盾构掘进参数应采用“高转速、低贯入、低速推进”原则,在上软下硬地层中盾构掘进参数应遵循“低转数、低贯入、低速推进”原则。此类工况下,盾构参数的制定皆在保护刀盘和刀具,在降低其磨损消耗的同时,提高盾构施工效率。在有条件的情况下,应定期打开土舱,对刀具情况和开挖面情况进行检查,并视情况对盾构参数进行调整。由于此时盾构已进入正常掘进段,所以不再对盾构掘进参数进行详细描述。
5结语
    盾构机在矿山法隧道内的始发施工,无论从风险还是技术角度来看,均不同于盾构机在端头井内的始发施工。从技术角度看,更多需要考虑两种尺寸不一的隧道之间的连接问题、隧道止水问题和隧道内管片安装问题。随着国内地铁建设的持续发展,盾构机施工接触的地质条件也更加复杂多变,因此可能会出现更多的矿山法隧道施工加盾构法隧道施工的组合形式。
    参考文献:中国知网

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