盾构隧道长距离硬岩地层钻爆法开挖管片衬砌施工技术论文
摘要:盾构法适宜在较均一的软土、软岩地层或砂层及其互层的地层中掘进,但在软硬不均、软硬交互且岩石强度差异大的地层中应用盾构法修建城市地铁隧道就复杂得多。以广州地铁三号线盾构区间工程为实例,介绍盾构法隧道长距离硬岩地层段采用钻爆法开挖管片衬砌施工技术。
关键词:盾构隧道;硬岩地层;钻爆法隧道;喷射米石
1前言
随着城市化进程的加快,盾构法施工技术以其安全、快速、对环境影响小等优点得到越来越广泛的应用。目前已应用于上海、北京、广州、深圳、南京、天津等地铁工程。全世界大约采用了3000多台盾构机,国外发达国家盾构技术较为先进,尤以日本最为突出。
广州地铁三号线某标段盾构区间隧道施工中,对于短距离硬岩及软硬交互的复合地层,通过刀具选型和布置、螺旋输送机改造、辅助系统性能改造,使盾构机适应了该地层。通过补充地质勘察、刀具管理、掘进参数选择、掘进方向控制,成功通过该地层;对于长距离硬岩地层,首次采用了钻爆法开挖、管片衬砌工法,初期支护与管片背后的空隙用米石和注浆结合的新工艺进行回填,成功通过了该硬岩段。
2方案选定
2.1工程概况
工程位于广州市番禺区北7km处,距广州市约15km,由一个明挖区段、三个盾构区段和一个钻爆法暗挖区段构成,全长为4008双线延米。隧道穿越的左、右线地层所占的长度见表1。
隧道右线YDK16+708.5～+937(228.5m)、左线ZDK16+730～+929(199m)段地层主要为8Z-2、9Z-2,围岩分类为Ⅰ、Ⅱ级,属上元古界震旦系花岗岩片麻岩的混合体,单轴抗压强度118MPa,钻孔发现有抗压强度达156.5MPa的硅化角砾岩,且软硬岩层互为夹层现象普遍,岩层均一性差,对盾构法施工很不利。
2.2方案选择
长距离硬岩地层的施工,应认真评价盾构机的设备适应性,辨识、评价、分析施工风险,考虑钻爆法施工方案的可行性,并进行进度、技术经济比较,选择经济、合理、可行的施工方案。
① 补充地质勘察,弥补初步勘察及详细勘察阶段因受地形地貌及其他条件限制导致钻孔远离线路或间距过大的不足,使钻孔间距达到50m以内的要求。并认真对待特殊地段,保证地质资料的准确,作为盾构机对地质适应性的评价依据。
② 吸取广州地铁二号线的施工经验,盾构机对广州地区软土及岩石单轴抗压强度低于80MPa的硬岩地层施工是完全适应的,但用软岩盾构机进行强度如此高的长距离硬岩地层施工,在国内地铁施工中没有先例,也未有外国的成功经验资料。
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 硬岩中掘进时,盾构机震动剧烈,对设备造成某种程度的损坏,影响盾构机使用寿命。
⑤ 经研讨,对该段长距离硬岩地层,采用钻爆法开挖、盾构机拼装管片通过的施工方法可行,并通过科研,指导施工。
⑥ 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,每延米至少节省5h,能够提前工期,节约工程费用。
2.3总体方案
对该段长距离硬岩地层,将钻爆法与盾构法相结合,在盾构机到达前,通过盾构区间的中间风井,采用钻爆法开挖,盾构隧道与该段硬岩隧道贯通后,盾构机在已施工的混凝土导向平台上空载通过并拼装管片,初期支护与管片背后的空隙用米石和注浆回填密实。
3 主要施工技术
3.1施工工艺流程
划分不同工法施工区段→钻爆法隧道参数选择→隧道硬岩段钻爆法施工→盾构机到达→导向平台顺接→盾构机推进至导向平台→拼装管片、吹填豆砾石→盾构机空载推进、同步注浆→补充注浆。
3.2选择钻爆隧道参数
(1)盾构通过段
盾构通过段的隧道设计净空为6400mm的圆形断面,比盾构机外径大120mm。该段采用光面爆破技术开挖、锚喷网联合支护,具体支护参数根据围岩条件和监控量测结果进行调整。
(2)盾构接收段
隧道贯通后3m为盾构接收段,断面形式同样采用圆型断面,净空为6800mm,以满足盾构机掘进贯通时的测量误差要求。为便于盾构机到达后对盾构机进行底部处理,底部70°范围内半径加大到3700mm。
(3)导向平台
为保证盾构机按设计姿态通过,隧道底部60°范围设置半径为3150mm、厚150mm的弧形混凝土导向平台。
3.3隧道硬岩段钻爆法施工
开挖断面以轨面为界,分上下两部分开挖。导向平台分段浇注,长度为20m。
采用光面爆破技术,直眼掏槽,周边眼采用间隔装药,周边眼间距50cm,最小抵抗线50～80cm,线装药密度400g/m,每次循环进尺2.2m。
3.4到达段隧道盾构法掘进施工
盾构隧道与钻爆隧道贯通前25m为盾构到达段。盾构隧道到达段采用土压平衡模式掘进。进入到达段时,逐步减小推力、降低推进速度,并严格控制出土量。因贯通面处围岩条件较好,隧道贯通前3环采用敞开模式掘进,采用小推力、低转速进入盾构接收段。掘进参数见表2。
盾构进入到达段前150m,对盾构施工段和钻爆段的所有测量控制点进行系统的控制测量复测和联测,对所有控制点的座标进行精密、准确的平差计算。贯通前100m、50m时分别人工复测盾构机姿态,及时纠正偏差,确保盾构机顺利进入接收段。
盾构机在到达段掘进过程中,派专人负责观察钻爆段贯通面岩面变化和初期支护情况。发现围岩或初期支护有异常时,立即通知盾构主司机调整掘进参数,必要时采取加固措施。
隧道贯通时的碴土由人工清理,从竖井运出洞外。碴土清理完成后,用C30早强混凝土将盾构前体下部至钻爆隧道段已施工的导向平台进行顺接,确保盾构机顺利过渡到导向平台。
3.5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15～40mm/min,熟练后控制在60～85mm/min,总推力约300t,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。盾构推进前复核钻爆隧道与盾构机轴线误差,并调整铰接油缸、推进油缸,保证盾壳与钻爆隧道间的间隙,确保盾构按隧道轴线推进。
3.6安装管片及变形控制
3.6.1管片选型与安装
管片选型应满足隧道线形,安装后盾尾间隙要满足下一掘进循环限值,确保有足够的盾尾间隙,防止盾尾直接接触管片造成管片破损。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。
管片安装从隧道底部开始,先安装标准块,依次安装相邻块,最后安装封顶块。封顶块安装前,对止水条进行润滑处理,安装时先径向插入约6/7管片宽度,调整位置后缓慢纵向顶推。管片块安装到位后,及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片,推进油缸的压力设定为50bar,然后方可移开管片安装机。
3.6.2管片防水措施
盾构机步进时,盾壳与导向平台间的摩擦力约100t,管片与盾尾尾刷间的摩擦力为20t,拖拉盾构机后配套的拉力为75t,总反力为195t。施工时盾构机油缸推力均在300t以上,且管片防水使用的是遇水膨胀橡胶止水条,盾构机推力满足管片防水的要求,没有出现因止水条挤压不紧而造成管片漏水现象。
为保证管片的防水效果,采取以下措施:
①隧道贯通前安装管片时,每环管片用φ22钢筋与上一环管片相连,防止因贯通时刀盘前方突然失去反力引起已安装的管片松动;
②在盾构机步进前方,利用导向平台上的预埋钢板焊接牛腿,安设两个80t的千斤顶提供反力,也可直接在刀盘前方堆碴提供盾构机步进所需的反力;
③安装管片时,在该环管片的螺栓紧固完毕后,对上环管片的螺栓进行二次紧固。
3.6.3防止管片错台的措施
盾构机在掘进过程中,由于刀盘的支撑,在盾构机前体与管片之间形成一个类似于简支梁的结构,当盾构机推力不足时,在自重作用下,盾构机主机后部悬空部分会下沉,从而导致管片产生错台。但当盾构机在导向平台上向前推进时,盾构机的前体、中体以及盾尾的盾壳与导台是紧密接触的`,只要注意管片选型与姿态调整,并严格控制注浆压力,就不会产生大的错台。为防止错台,采取了以下措施:
①每3～5环对管片姿态进行人工测量,根据测量结果结合盾尾间隙进行管片的选型;
②加强米石及注浆回填效果的检查,确保管片与钻爆隧道间充填密实;
③在安装好的管片上增加纵向连接拉杆。
3.7背衬回填技术
由喷射米石、同步注浆、补充注浆等三部分组成。向盾壳外喷射米石,在管片脱离盾尾时对管片进行支撑,防止管片下沉产生错台,并增加盾构向前推进的摩擦力。盾构机步进时,管片背后同步注浆,使管片与地层紧密接触,提高支护效果。检查注浆后的效果,必要时补充注浆。
3.7.1喷射米石
采用5～10mm连续级配的花岗岩米石作为回填料。管片拼装时进行喷射米石回填。喷射米石分两次:第一次,每隔4.5～6m在盾构机的切口四周不小于60～300°的范围用袋装砂石料围成一个围堰,防止管片背后的米石、砂浆前窜,利用混凝土喷射机从刀盘前方向盾构后方吹米石,喷射压力0.25～0.3MPa。当盾壳顶部与砂袋围堰顶部形成自然坡度时,停止喷射;第二次,管片脱出盾尾后,从管片注浆孔向管片背后吹米石,进一步填充管片与钻爆隧道的空隙。
3.7.2同步注浆
同步注浆采用水泥砂浆,初凝8h,终凝10.5h。施工时根据浆液的流动情况,适当调整浆液胶凝时间。同步注浆在每环管片米石回填后进行,与盾构机步进同步,采用手动控制,根据情况随时调整注浆流量、速度、压力。为保证填充效果,同时防止砂浆前窜至刀盘前方,注浆压力为0.05～0.08MPa。同步注浆时盾壳外围是敞开的,压力变化不大,不以压力作为注浆结束的控制标准。当注浆量达到理论注浆量的80%以上时,即可结束注浆。在管片安装10环后,间隔4环管片在管片注浆孔处开口检查注浆效果。根据检查效果,决定是否进行补充注浆。
3.7.3补充注浆
(1)第一次。目的是填充管片背后尤其是顶部的空洞。盾构机步进过程中,每前进4环通过管片注浆孔检查同步注浆效果。管片背后如果存在空洞,从管片上部30°或330°位置的注浆孔进行注浆。注浆时,避开封顶块位置。浆液采用水泥单液浆。浆液配比为:水泥：水=1 ：0.8。注浆压力为0.3～0.4MPa。注浆结束标准采用注浆压力单指标控制。
(2)第二次。盾构机通过钻爆隧道后,根据渗漏水情况,采用双液注浆泵注浆堵水。浆液采用水泥-水玻璃双液浆。浆液配比为水泥:水玻璃为1：1,注浆压力为0.2～0.3MPa,注浆速度不大于10L/min。注浆结束标准采用注浆压力单指标控制。
3.8盾构机姿态控制
(1)确保导台精度
导台是盾构机通过钻爆隧道时的下部支撑,导台的精度直接决定着盾构机的姿态。搞好施工测量和验收,确保导台精度0～15mm。
(2)调整好隧道贯通时盾构机的姿态
盾构机从盾构隧道进入钻爆隧道时,确保盾构出洞时的旋转值Roll小于±3mm/m。盾构机在导台上步进时,调整盾构机的旋转值Roll小于±5mm/m。
(3)做好管片的选型及安装
考虑盾构机姿态、盾尾间隙、油缸行程及盾构机步进情况等因素,合理选择管片安装类型,使盾构机的姿态偏差在±20mm以内,上下左右盾尾间隙均在70mm左右,最大油缸行程差在25mm以内,确保管片受到的油缸推力较平均。在管片脱出盾尾时,盾尾内壳不挤压管片外壁,有效防止管片产生错台、裂缝。
(4)及时人工复测管片姿态
盾构机配备的SLS-T导向系统能全天候地动态显示盾构机当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差,主司机根据显示的偏差及时调整盾构机的姿态。为保证导向系统的准确性,确保盾构机掘进方向,每周两次由人工对SLS-T导向系统的数据进行测量校核。管片安装完成后,每3～5环人工进行一次管片姿态的复测。
4 工程效果
①施工速度快、工效明显。盾构机拼装管片通过钻爆隧道达到平均每天11m的施工进度。
②经实测,管片高程和平面偏差均小于30mm,符合《地下铁道工程施工及验收规范》中允许偏差要求(±50mm),管片表面无破损,相邻管片无明显的错台,无渗漏水现象。
③采用该技术成功通过了硬岩地层,确保了施工的顺利进行,减少了刀具在硬岩地层掘进的损耗及破坏,延长了盾构机的使用寿命。
5结束语
①钻爆法与盾构法的结合,拓展了盾构机的适应性,避免了因长距离硬岩地层对盾构法应用的限制,使盾构机施工的城市地铁、铁路、公路、水工隧道等地下工程能得到进一步发展。
②采用钻爆法开挖、管片衬砌施工工法,有效地避免了盾构机在长距离硬岩地层中掘进的施工风险,极大地方便了城市与交通等方面的建设规划,并能保证工程和周围环境的安全。
参考文献:
[1]GB50299-1999,地下铁道工程施工及验收规范[S].北京:中国计划出版社,北京,1999.
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