盾构空推过矿山法暗挖段施工工法

盾构空推过矿山法暗挖段施工工法

中铁二局股份有限公司城通公司

1.前言

深圳地铁5号线5305标段盾构法正线（双线）隧道起点为长龙站，终点为布百区间盾构始发井，由长龙站~布吉站和布吉站~盾构始发井两个区间组成，全长3736.224m，其中纯盾构段长2681.224m，矿山法暗挖空推段长1055m。在布吉站~盾构始发井硬岩区段设置一座矿山法竖井，采用矿山法对左、右线硬岩段先行开挖，然后盾构机空推通过，空推段最小曲线半径为400m。

中铁二局股份有限公司城通公司联合设计单位和监理单位开展了技术攻关，取得了“硬岩段先采用矿山法暗挖支护，然后盾构机空推拼装管片通过的施工技术”成果。我们对此技术的应用进行了总结，形成了本工法。

2.工法特点

2.1适用范围广，适用于土压平衡盾构机空推通过暗挖段。

2.2工序简单，可操作性强，能大幅降低盾构机实推通过硬岩及极硬岩地段的技术难度。

2.3掘进速度快，明显降低施工成本。

2.4大大降低了盾构机在硬岩及极硬岩地段掘进的刀盘及道具磨损和工期风险。

3.适用范围

土压平衡盾构机空推通过暗挖矿山法隧道。

4.工艺原理

4.1空推:盾构施工过程中,为了降低刀具磨损和提高掘进速度，而在盾构机通过之前先对硬岩及极硬岩地段进行矿山法开挖初支，然后盾构机拼管片通过的一种施工工法。

4.2在盾构机到达前，首先对硬岩段和极硬岩段采用矿山法开挖，进行初期支护；然后对盾构与暗挖段分界端头墙进行处理，同时在已进行初期支护的暗挖段施工混凝土导台；待混凝土导台达到设计强度后，对暗挖段回填碎石等。

在空推掘进过程中，由刀盘前方回填的碎石为盾构机提供反力，保证管片拼装质量；同时采用盾构机同步注浆系统对管片背后空隙进行充填，并采用管片固定螺杆对已拼装好的管片加固。

在空推拼装管片通过后，对空推段进行二次补充注浆固结整环管片，确保施工质量。

4.3空推和实推异同点：

（1）相同点：都采用掘进模式，分为推进、注浆和拼管片三个环节。

（2）不同点：空推无超挖刀；空推使用的推力小得多；在空推根据推进情况可以有选择性的是否出碴；空推速度较快。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

暗挖盾构空推段总体施工流程图如图5.1所示：

图5.1 暗挖空推段总体施工流程图

5.2操作要点

5.2.1空推段端头墙施工

空推与实推接口需施工端头墙，它能有效的为盾构机提供反作用力及保证接近空推段的地质安全.隧道开挖完成后，在端头墙位置水平放置玻璃纤维筋格栅，玻璃纤维筋格栅随隧道端头最后两榀密排格栅钢架同步架设，且玻璃纤维筋格栅与钢格栅搭接部分至少采用12＃铅丝绑扎牢固，并采取适当辅助连接措施，确保玻璃纤维筋格栅伸入钢格栅长度不小于300mm ，绑扎牢固的同时喷砼密实。掌子面开挖后立即初喷40mm 厚C20砼，防止局部坍塌，且要求喷射砼与隧道最后三榀密排格栅的喷射砼同步施工，水平格栅及纤维筋网绑扎好后及时喷射砼。

暗挖段开挖初支施工端头墙施工隧道内碴土清理导台施工

盾构机到达掘进

盾构机维修及拆盾构机周边刀盾构机步进上导台(4.5m)隧道内堆土盾构机步进、拼装管片通过竖井至空推起始段横通道封堵

盾构机步进、拼装管片通过竖井至盾构达到段

盾构完成空推段掘进安装39#和40#刀具

盾构机二次始发

5.2.2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°范围内施工钢筋混凝土导台；钢筋采用单层钢筋网，纵向Φ10@200，横向Φ8@200。钢筋混凝土导台的内、外径根据所选用的盾构机直径确定（本例导台内径为3150mm，外径为3300mm）；钢筋混凝土导台的中心线与隧道中心线重合，且钢筋混凝土导台对称于隧道中心线，钢筋混凝土导台示意图如图 5.2.2所示。图5.2.2 钢筋砼导台示意图

5.2.3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90%且盾构机前体步入空推段导台（4.5m）之后，暗挖空推段隧道一定长度范围内（L1）全断面回填碎石，放坡（L2），此范围外半断面内回填碎石。

（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90%后，方可在隧道内进行碎石回填施工，所需渣土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。盾构推进到空推段之前，刀盘前方依次全断面填碎石长度L1m，然后放坡填碎石长度L2m，隧道碎石回填示意图如图5.2.3-1所示：

图5.2.3-1 隧道断面碎石回填示意图

（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

Wg-盾构及附属物总重，本例取3430KN

μ摩-摩擦系数（采用盾构机在混凝土导台上推进时的滑动摩擦系数），本例取0.3

2）回填碎石受到的摩擦阻力

F2=μ摩·(πD2/4) ·L·γ石·K

D-碎石回填的直径

L-回填碎石的长度，全断面L1m，放坡L2m，故折算成全断面共Lm，本例L=22.5m K-碎石的松散系数，本例取0.83

γ石-根据所选用的碎石确定，本例取1.87t/m3

3）盾构支撑碎石所受的轴向阻力

F3=S盾构面积·P盾构中心土压=(πD2/4) ·L·γ石·Kg

Kg-碎石的侧压力系数，本例取0.39

4）盾尾刷与管片之间的摩擦阻力（以2环管片计算）

F4=μ摩′·2W管

μ摩′-取盾尾刷与管片之间的滑动摩擦系数，本例取0.5

W管-管片所受重力，根据隧道衬砌管片确定，本例取200KN

5）后部拖车的牵引阻力

F5=μ磨″·W拖

μ磨″-后部拖车与轨道之间的滑动摩擦系数，本例取0.5

W拖-拖车所受重力，根据盾构机后部拖车确定，本例取1700KN

因此，盾构机空推掘进时以上各部分为盾构机所提供的反作用力总计为：

F=F1+F2+F3+F4+F5

（4）管片止水条需要挤压力计算

管片三元乙丙橡胶止水条挤压性能如图5.2.3-2所示，单条管片橡胶止水条挤压量达到12mm 时的挤压力N KN/m,一环管片橡胶止水条总长约L′m，则挤压一环管片橡胶止水条需要的推力为F1′=N*L′,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)。盾构机前方堆填碎石后的总推力计算为F＞止水条挤压力F′,故盾构机推进产生的推力满足管片止水条挤压力的要求。

图5.2.3-2 管片止水条性能指标图

（5）回填豆砾石量计算

根据上述公式:堆填碎石后的总推力F＞止水条挤压力F′, F2=μ摩·(πD2/4) ·L·γ石·K.可以计算出

推填碎石的有效长度L.在实际推进过程中,考虑10%的碎石损失量,换算成体积,即为实际施工中空推段应推填碎石的方量.

5.2.4盾构到达段施工

（1）拆除刀具

本例导台半径为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，开仓将盾构机刀盘的2把铲刀及2把周边滚刀（39#及40#）拆除,确保导台不被超挖刀破坏。

（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（实推最后15环）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。其掘进施工参数见表5.2.4-1。

表5.2.4-1 掘进参数表一

在贯通前的最后3环，要进一步减小推力、降低推进速度。盾构机采用小推力、低速度掘进完到达段，进入盾构接收段。其掘进施工参数见表5.2.4-2。

表5.2.4-2 掘进参数表二

3、管片注浆及防止浆液前窜措施

每环按照设计方量（本例为6m3）进行同步注浆，为确保在盾构到达空推段后，实推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，在掘进拼装完成第倒数第三环后，停止掘进，在倒数第10至倒数第6环进行二次注浆,二次注浆配比采用1:1的水泥浆和水玻璃混合溶液,注浆压力需达到0.5Mp,注浆量以注浆压力为准,基本每环需注入0.5～2m3，确保连续5环管片背后间歇填充。

4、管片拼装

为确保隧道贯通后的管片接缝防水要求，在到达空推段与实推段分界里程后开始，每安装一片管片时，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。

5.2.5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，示意图如图5.2.5-1所示：

图5.2.5-1 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，示意图如如图5.2.5-2所示：

图5.2.5-2 工况二示意图

5.2.6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以内，同时启动同步注浆工作。盾构机向前推进，示意图如图5.2.6-1所示：

图5.2.6-1 盾构机推进示意图

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，同步注浆采用水泥-水玻璃双液浆；当土仓内土压（1号土压传感器位置达到0.8bar）或推力达到800t，开启螺旋输送机进行出土。

（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。

在安装每一片管片时，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）管片固定

盾构掘进过程中启动了同步注浆，如果掌子面上有较大的水在涌入隧道，为防止管片上浮，待

管片脱出盾尾后及时在顶部（9点至3点以上位置）将管片进行固定，管片固定采用从吊装孔上安装螺杆进行固定，螺杆通过吊装孔固定至矿山法隧道初支里。每隔2环固定一环，管片固定螺杆采用如下图进行加工。

管片使用支撑螺杆固定方式如图5.2.6-2所示：

图5.2.6-2 管片支撑螺杆固定图

（4）管片背衬回填

1）空推掘进阶段

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。

注意：为了防止盾尾被快速凝固的浆液堵死，在同步注浆开始前几个冲程采用纯砂浆注入，在确保盾尾通畅的前提下再打开注水玻璃的球阀，即将结束时也需提前停止水玻璃的注入，改用纯砂浆注入防止停机时盾尾被堵。

同步注浆浆液采用水泥砂浆和水玻璃，其中水泥砂浆配合比为水泥：膨润土：粉煤灰：砂：水=150：40：440：720：470，砂浆稠度控制在10～11左右，注浆压力控制在1bar左右。

2）空推完成后

空推段掘进完成后停止掘进，对空推段所有拱顶3～9点以上的管片背后进行填充，同时对所有

管片螺栓进行再次复紧。

注浆孔开孔原则：为确保隧道防水质量，管片支撑螺杆对应的孔作为注浆孔，

施工顺序：先将管片上3个支撑螺杆拆下，从靠最下部的吊装孔内进行注浆至顶部吊装孔位置漏浆后停止注入（为了保证吊装头上防水要求，最后应该注入水泥浆+水玻璃(水泥浆和水玻璃配比为1：1），从顶部继续注入直到达到0.5Mpa后可停止注入（封口采用水泥浆+水玻璃），后依次进行。

5.2.7盾构二次始发

盾构机空推至实推分界里程后，停止掘进，将启动螺旋输送机将土仓内土全部出完，将原拆除的39#和40#刀具安装就位后进入正常掘进状态。

盾构掘进时，应严格控制盾构机姿态，避免出现大的突变。起始3环掘进推力控制在1200t以内，刀盘旋转速度控制在1.6r/min，以减少管片的旋转。之后掘进为正常掘进模式。

5.2.8盾构空推施工其他辅助措施

（1）防止管片上浮和下沉措施

1）在盾构机过空推段每隔二环采用特制支撑螺杆对管片注浆孔进行支撑加固，加固注浆孔位置的选择为成环管片3、9点钟以上的位置。

2）加强管片姿态监控，测量组每6环对管片进行一次姿态测量，如发现管片有上浮和下沉趋势应及时调整施工参数，盾构操作手也应根据测量数据适当调整注浆量。

3）为防止管片在盾构步进后产生上浮，在空推过程中，管片背后注浆只从管片3、9点以上进行压注，注意注浆压力不大于1bar，同时尽量保证管片两侧同步注浆，避免因注浆而对管片产生偏压，造成管片移位。

4）如发现管片在后续过程中由于水压上浮，应及时对管片下部注浆口开孔放水。

（2）防止管片错台措施

在暗挖段的过渡段，根据盾构机的切口环的位置与理论的线路的相对位置进行顺接，在过渡段加强管片选型与管片姿态调整，隧道在此位置不会产生大的错台。另一方面，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，必然会因盾构机的自重作用，盾构机主机后部悬空部分必然会产生下沉，从而导致管片产生错台。当盾构机在暗挖段向前推进时，由于过渡段导台的作用，在通过过渡段之后，盾构机的前体、中体以及盾尾的盾壳必然与导台紧密接触，只要管片选型合适，注浆压力控制不超过1bar，不会产生超过规范规定的错台。

盾构步进时提高背衬同步注浆，同时通过试验调整配合比，确保初凝时间在6小时以内，保证管片下部有足够的抗力。在必要时，缩短回填注浆工作面与管片安装工作面的距离，甚至在盾尾外侧直接进行回填注浆。

加强对盾构姿态的控制，纠偏不能过急，以每环不超过10mm的纠偏量为宜。同时确保60mm 以上的盾尾间隙以防止盾壳作用力于管片。

在盾构机过空推段往往由于反力不够容易造成管片螺栓不能完全复紧，在拼完每环管片后应及时对后面3环管片螺栓进行复紧，在每次交班前对所有以拼装管片复紧，空推结束后对所有管片螺栓复紧。

（3）盾构机姿态控制措施

1）调整好盾构机从实推段到空推段进洞姿态和空推段到实推段时的出洞姿态，减少推力，增大刀盘转速，确保盾构机进出洞时的旋转值Roll小于±3mm/m。

2）暗挖隧道施工时要确保导台位置的准确性，在二次始发段导台施工时，加强监测频率，确保导台的施工精度在±10mm以内。

3）空推过程中，控制盾构机姿态水平和垂直偏差都在±50mm，管片拼装后加强管片姿态监测频率。

5.2.9监控量测及信息反馈

（1）监测项目

监测包括三个方面：一是空推施工全过程管片轴线水平和垂直偏差；二是空推施工全过程中管环的椭圆度；三是空推施工全过程环与环之间、同一环相邻块之间的平整度；四是监测管片的破损情况。

（2）控制标准

表5.2.9-1 管片姿态偏差限值表

（3）监测频率

表5.2.9-2 监测频率表

（4）监测设备及数量

全站仪一台及配套设备、精密水准仪一台及配套设备等。

（5）监测报告

在工程施工过程中，监测结果应及时整理，以日报、周报和月报的形式送有关各方，工程结束时，提交完整的监测报告，报告内容包括：

1）工程概况、监测目的。

2）监测项目，测点布置。

3）采用仪器型号、规格标定资料。

4）监测资料的分析处理。

5）监测值全时程变化曲线。

6）监测结果评述。

（6）监测质量保证措施

1）坚持按计划、有步骤的进行，监测前编制工程监测实施性计划，包括监测程序、方法、使用仪器，监测精度，监测点的布置，监测的频率和周期。

2）使用的仪器在施工监测过程中要保证其精度和可靠性，组织有经验的监测工程技术人员参加监测小组，确保施工监测质量。

3）所监测的数据必须保证真实、可靠，监测人员对监测数据负责。

4）根据施工具体情况确定监测项目，设定变形值，内力值及其变化速率预警值，当发现超过预警值时，及时报告总工程师和监理工程师，并采取应急补救措施。

5）安排有经验的工程技术人员按要求进行现场观测，并作记录，检查影响管片姿态，不利于支护结构稳定的因素，如支护结构的施工质量、施工条件的改变，管片渗漏和不适当的排水以及气候条件变化等，在日常的现场观察中都要能及时发现。此外，工程事故隐患，如管片错台严重、管环椭圆度超限、管环拱顶破损掉块、管片渗漏水等，通过现场观察及时发现，及时处理，消除可能出现的安全质量事故。

6）测点布置力求合理，应能反映出空推施工过程中管片的实际变形和对盾构机姿态的影响程度。

7）测试元件及监测仪器必须是正规厂家的合格产品，测试元件要有合格证，监测仪器要定期校核、标定。

8）测点埋设应达到设计要求的质量。并做到位置准确，安全稳固，设立醒目的保护标志。

9）监测数据应及时整理分析，一般情况下，应每日报一次，特殊情况下，每半天报送一次。监测报告应包括阶段变形值、变形速率、累计值，并绘制管片上浮或沉降曲线、历时曲线等，作必要的回归分析，及对监测结果进行评价。

5.3劳动力组织

表5.3 劳动力组织表

注：

1、上表为掘进队每班人员配置表（单线）

2、由于二次注浆和豆砾石回填灌浆均在盾构停止推进时施工，所以其施工任务由掘进队完成。

6.材料与设备

6.1材料说明

盾构空推过暗挖段所采用的材料比盾构实推仅多管片支撑螺杆。

6.2机械设备

表6 机械设备表