广州地铁盾构空推过矿山法段施工关键技术

赵玉成，贾晓旭

（1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043；2.道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室（石家庄铁道大学），河北石家庄050043）

广州地铁盾构空推过矿山法段施工关键技术

赵玉成1，2，贾晓旭1，2

（1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄050043；2.道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室（石家庄铁道大学），河北石家庄050043）

以广州市轨道交通十三号线首期工程（鱼珠至象颈岭段）施工五标夏园站～南岗站区间工程为背景，对盾构空推过矿山法段施工关键技术进行探讨，介绍了盾构过矿山法段施工准备以及盾构空推和管片背衬回填关键技术。并根据工程实际提出关键技术控制措施和工程重难点处理方法。为广州地铁盾构空推过矿山法段施工提供宝贵经验。

地铁；盾构空推；矿山法

城市轨道交通一般多采用盾构法施工，铁路隧道则以矿山法为主，两种施工方法都有各自的特点，同时其适用范围也具有一定局限性［1-2］。土压平衡盾构主要应用于地层较软，且地质连续的地层中。矿山法则主要用于特殊地层，如连续性较好的岩石地层多用矿山法开挖。而本工程地质情况不连续，软土地层和岩石地层交替出现，单一的采用盾构法或矿山法都不能顺利开挖［3-5］。因此采用矿山法开挖岩石地层、盾构掘进较软地层并空推矿山法隧道段，可以有效解决不连续地层的施工。

1　工程概况

本工程为广州市轨道交通十三号线首期工程（鱼珠至象颈岭段）施工五标夏园站～南岗站区间工程，区间西南起于夏园站，东至南岗站，线路大体上沿黄浦东路敷设，黄埔东路现状为双向6车道，交通繁忙；区间沿线主要建筑物有新港铁路支线、开发大道立交、领好广场、沙涌人行天桥、沙步天桥等。

区间右线起止里程为YDK47+ 703.886～YDK50+197.603，全长2 493.177 m；左线起止里程为：ZDK47+703.870～ZDK50+147.154，全长 2 443.284 m。其中 ZDK47+ 988.313～48+250、ZDK48+450～49+022.046、YDK48+395.5～48+887.674段隧道穿越中、微风化花岗岩层，采用矿山法开挖盾构空推拼装管片施工。区间隧道为圆形断面，其中矿山法隧道内净空尺寸为6 400mm，盾构法隧道内净空尺寸6 000mm。

2　盾构过矿山法段施工准备

2.1盾构隧道与矿山法段隧道接口处地层加固

由于地面不具备条件或施工难度较大，接口处地层加固采用如下方法：

（1）矿山法施工时多向盾构来源方向开挖1.5 m，施做初支并进行初支背后注浆止水。壁后注浆采用3 m长φ42钢花管，环向间距30 cm，纵向间距50 cm，注浆压力2 MPa。

（2）多做出的2 m矿山法隧道进行喷射素砼封堵处理，盾构机到达时采用刀盘开挖素砼、拼装管片的方式通过。

（3）待盾构拼装管片通过交界处，且盾尾后部脱出管片6环后，通过管片吊装孔进行双液二次注浆止水。

（4）施工矿山法与盾构法衔接处的封堵墙。

2.2施做导向台及预埋件

区间矿山法段初支完成及时施做砼导向台。在砼导向台上预埋40 cm宽、厚20mm、长2 m的弧形钢板，预埋钢板间距3 m，如图1所示。在刀盘前部焊接挡块提供拼装管片所需反力。预埋钢板宽40 cm，厚20mm，为半径3 150mm弧形形式，钢板锚固筋为长150mmφ25钢筋，钢筋与钢板采用穿孔焊接形式。相邻钢板接缝处边缘需进行5mm倒角，如钢板顶面有焊渣等异物，则需进行打磨处理。挡块采用厚2 cm钢板切割而成，为30 cm×30 cm三角形构造。挡块与钢板采用焊接连接，待管片拼装完成后割除挡块，钢板面进行打磨处理。

图1　混凝土导台和预埋钢板布置（单位：mm）

矿山法隧道导向台断面为半径3 150mm的圆弧，比盾构机半径3 125mm大25mm，比半径3 000mm管片拼装成型后多出150mm，因此管片脱离盾尾后会有少量下沉，导致管片姿态偏低，为保证盾构机按设计中心线通过，盾构机步进过程的中心线比隧道理论中心线高150mm。由于导台的施作，使矿山法隧道比盾构掘进面高出50mm，因此，接口过度的处理采取在末端利用铁垫片抬高进行顺坡，使盾构机可以落在导台上。

3　施工方法

3.1盾构机的空推方法

在盾构机穿越该段隧道前，首先在隧道底施做一盾构机导台，导台由C30砼现浇而成。在导台达到设计强度后将盾构机推入该隧道，同时拼装管片。盾构导台施工图如图2所示。

图2　盾构导台施工

其次，通过盾构机人闸将喷射机、沙子运至盾构机机头前方，通过喷射机管道将沙子吹至已拼装好的管片和隧道间的空隙，沙子吹填完毕后，同步注入水泥浆液。在盾构机距该隧道1 m位置时，已无法通过喷射机吹填沙子，此时，将改由管片吊装孔（吊装孔已凿通）填装沙子，同时注入水泥浆液，此项施工直至管片环进入土体。施工过程中，在人闸处安设进气管与排气管。进气管与排气管的布设详见图3。

图3　盾构机过矿山法隧道示意

3.2管片背衬回填

由于盾构管片外直径为6 m，矿山隧道内直径为6.6 m，中间存在环形空隙，为确保管片不偏离设计中线，须采用小碎石和水泥砂浆及时填充空隙。具体方法如下：

将小碎石、喷浆机提前通过竖井和车站运送入矿山法隧道内，每隔6 m堆放小碎石一堆，盾构机空推矿山法隧道段时，由刀盘前端向后盾背衬喷射回填。

管片背衬采用喷射小碎石、盾尾注浆、回填灌浆组成，喷射机械采用喷浆机，喷射压力根据实际情况而定，由于矿山法隧道6.6 m比管片外直径6 m大，喷射小碎石可以填充70%左右。

每环管片喷射小碎石完成后便进行盾尾注浆，考虑到盾尾注浆压力过大，浆液可能会从盾体前溢出，因此盾尾注浆采用手动式注浆，随时调整注浆量、速度和压力等使衬砌管片与矿山法隧道紧密结合，保证支护效果。盾尾手动注浆图如图4所示。

图4　盾尾手动注浆

3.3施工技术要点

在此施工过程中严格监控背衬回填小碎石的密度，保证管片下部有足够的堆填密度，每环管片确保螺栓紧固，同时保证喷射小碎石量和注浆回填量。在隧道内预备砂袋，在必要时可进行围闭，确保空隙的回填注浆量。调整浆液的凝结时间，加入适当的早强剂。

4　主要的技术控制及措施

4.1盾构推进控制

在整个矿山隧道内推进，关键应从以下3个方面加以控制。

4.1.1盾构机在未完全进入导台的推进

盾构机在进入矿山法隧道内导台前，应调整刀盘刀具，避免刀具与导台接触。在推进时，推进速度不能过快，控制在10～20mm范围内，每推进1环，必须进行盾构轴线的测量，必要时，每0.5环进行测量，以便使盾构以良好姿态进入导台。在推力方面，考虑到土体对盾构壳摩擦阻力，推力控制在50～150 t范围内。

4.1.2盾构机在矿山法隧道未完全进入正常盾构推进土体内

在这一阶段推进中，盾构推力不能过大，一般控制在600～800 t左右，推进速度在10～20范围内，刀盘转速控制在1.0～1.8 r/min范围内，土压控制在0.08～0.12 MPa范围。在盾构进入土体前，须采用水泥浆对矿山法隧道内的管片进行二次注浆，注浆压力控制在0.1～0.3 MPa范围内，注浆顺序为：底部→推进方向右方→推进方向左方→顶部。

4.1.3矿山法隧道与盾构隧道的接口处注浆回填

由于矿山法隧道与盾构隧道接口处，盾构推进时对周边土体挠动，土体较容易坍塌，因此在该处注浆回填时，在灌注碎石后，马上用双液浆进行压注，使回填材料能在短时间内达到一定的强度，防止水土流失。双液浆配比如表1所示。

表1　双液浆配比

4.2盾构轴线控制

根据轴线设计半径计算盾构铰接千斤顶的行程差，保证盾构与矿山法隧道间的间隙。在推进时，盾构推进操作必须严格控制推进千斤顶各区域油压差和每推进一环后的行程差。

4.3盾构推力

因为盾构机最大推力36 400 kN，共30个顶，每个顶的最大推力约为1 223 kN，每个顶的最大压力为400 bar，为保证盾构机的正常前进及管片止水要求，选用40 bar的压力，那么每个顶的推力大约是12.23 t，30个顶大约是367 t。盾构机前部（刀盘+前盾+中盾+尾盾）大约重为350 t，而钢与混凝土的摩擦系数大约为0.5，其摩擦力为350×0.5=175 t，30个顶的推力远大于摩擦力，此时在拼装管片的过程中，盾构机会在推力的作用下向前滑行。管片拼装时采用拼装模式，系统自动提供足够反力拼装管片。

4.4管片拼装

考虑到管片外周与盾尾间隙，管片的拼装必须有一定的拼装模式。由于有混凝土导台，所以在推进时，应保持上下推进千斤顶油压相等，使盾构沿导台的导向行走。在轴线高程中推进，盾尾与管片外围间隙的控制同样重要，原理与平面盾构推进，管片拼装模式相同［6］。

4.5管片防水改良

盾构空推矿山法段隧道时，推力较小，不能达到管片止水带压密所需压力大小，为使管片嵌缝达到指定防水效果，需在管片离手孔30mm处沿管片单边增加一道遇水膨胀止水带，止水带宽度：30×1～3mm，根据实际情况，选取止水带的厚度。

5　施工重、难点处理措施

5.1拼装管片导致盾构机整体向前滑动的处理措施

在导向台上预埋40 cm宽、厚20mm通长钢板，在刀盘前部焊接挡块提供拼装管片所需反力。预埋钢板宽40 cm，厚20mm，为半径3 050mm弧形形式，钢板锚固筋为长150mmφ25钢筋，钢筋与钢板采用穿孔焊接形式。相邻钢板接缝处边缘需进行5mm倒角，如钢板顶面有焊渣等异物，则需进行打磨处理。挡块采用厚2 cm钢板切割而成，为30 cm×30 cm三角形构造。挡块与钢板采用焊接连接，待管片拼装完成后割除挡块，钢板面需进行打磨处理。

5.2推进时受力不均或障碍物导致侧移的辅助处理措施

喷小碎石工作及时跟进，每推进1环立即进行背后回喷工作；刀盘及前盾底部垫钢板减小摩阻力，钢板涂抹油脂润滑；在预埋板上标识出轴线，在刀盘前端焊指示箭头，及时纠偏，确保沿路标推进。可采用在刀盘前焊挡块的方式进行纠偏。

6　紧急处理措施

当地表发生沉降时则按相关“应急预案”进行处理。如盾构机与矿山法隧道初支发生相碰，则马上进行盾构轴线纠偏，纠偏的原则按上述“盾构推进施工”进行。在关键点推进控制时，由于考虑到盾构隧道与矿山法隧道交接处容易发生坍塌和漏水，因此必须准备木方，快干水泥，砂包，注浆设备，以便能马上进行封堵施工，同时加强该处的地表沉降监测工作，要求每天监测4次，如地表沉降超出警戒值-25mm时，则每3 h监测一次，直到沉降稳定为止。

7　应用效果

矿山法隧道与盾构隧道接口处，盾构推进时对周边土体挠动，土体较容易坍塌，因此在该处采用注浆回填，地表沉降都控制在10mm以内。右线YDK48+395.5范围内为矿山法隧道与盾构隧道接口处，注浆量为6.5 m3，注浆压力0.25 MPa，地表沉降为7.6mm。左线ZDK47+988.313范围内为矿山法隧道与盾构隧道接口处，注浆量为7.8 m3，注浆压力0.32 MPa，地表沉降为4.5mm。注浆回填有效控制了地表沉降，保证了盾构空推的安全施工。

8　结论

对于地层情况不连续的城市轨道交通，采用单一的盾构机开挖将加大刀具的磨损，且加大推进难度，延长开挖时间。采用盾构和矿山法相结合的方案，不仅可以减少刀具的磨损，避免盾构频繁换刀，还可以快速通过不良地质段隧道开挖，缩短工期，取得良好的经济效益。盾构空推中保证盾构精确位置和空推断管片施工质量是施工重难点。

［1］刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京：中国铁道出版社，1991.

［2］王梦恕，洪开荣.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］张新金，刘维宁，路美丽，罗富荣，张成满.北京地铁盾构法施工问题及解决方案［J］.土木工程学报，2008，（10）：93-99.

［4］刘建国.深圳地铁软硬不均复杂地层盾构施工对策［J］.现代隧道技术，2010，（5）：79-84.

［5］杨秀仁.北京地铁盾构隧道设计施工要点［J］.都市快轨交通，2004，（6）：32-37+53.

［6］王建山.盾构穿越矿山法隧道施工工法［J］.山西建筑，2010，（20）：332-334.

Key Construction Technology on Shield Empty Push Mining Method of Guangzhou Metro

ZHAO Yu-cheng1，2，JIAXiao-xu1，2
（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control（Shijiazhuang Tiedao University），Ministry of Education，Shijiazhuang 050043，China）

This paper，taking the project between XiaYuan-Nangang station which is the first-phase of Line 13 of Guangzhou Metro as a case study，discusses the key construction technology on shield empty push mining method，the preparation of the method and the segment back filling.Furthermore，the paper proposes the key technical control measures and methods in dealing with engineering difficulties from engineering practice，which provides valuable experience for shield empty push mining method of Guangzhou Metro.

metro；shield empty push；mining method.

U455.43

A

1671-8496-（2016）-03-0055-04

2016-04-08

赵玉成（1969-），男，教授

研究方向：城市地下空间开发利用