地铁盾构区间隧道的矿山法施工

地铁盾构区间隧道的矿山法施工【摘要】盾构法隧道施工经常会遇到上软下硬不均匀地层，此时倘若隧道下穿既有线或建筑物不具备开舱换刀条件，将会导致盾构机无法正常掘进。

在深圳地铁5号线盾构区间上软下硬地层中，局部改用矿山法开挖、初期支护后由盾构机拼装管片通过的施工方法，其经验可供地铁隧道施工参考。

【关键词】矿山法；台阶法；盾构区间隧道；上软下硬地层；长管棚；超前小导管；1、引言矿山法是传统的地下巷道施工方法，其主要特点是以钻眼爆破方式开挖土石。

20世纪50年代，奥地利学者拉布西维兹提出了岩体自身具有承载能力的理论，给传统矿山法赋予了新的理念，逐步形成了以保护和发挥围岩的自承能力为原则，以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚喷支护为主要支护措施，通过监控量测手段实现信息化动态施工的一种现代隧道施工技术。

现代矿山法[1]，即新奥法具有施工技术简单、工程造价低等特点，被广泛应用于山岭隧道工程[2～4]。

21世纪以来，随着城市轨道交通的发展，我国进入了地下铁道建设的高峰期。

地铁工程一般覆盖层较浅，大多处于淤泥质、粉质粘土地层或砂卵石地层中(尤其是在上海、广州、深圳等地)，地下水位通常较高，地层自稳能力差，周边环境复杂。

为了确保施工安全、减少地表沉降、加快施工速度，地铁工程大多采用盾构法施工。

但在复杂的地层环境中，盾构施工经常会遇到上软下硬等不均匀地层，在这样的地层中掘进会引起刀具严重磨损不能正常使用，假如此时地铁下穿既有线或其他建筑物、不具备开舱换刀条件，将会导致盾构机无法正常掘进。

如何解决盾构区间隧道上软下硬地层中下穿既有线或其他建筑物的掘进问题，深圳地铁5号线所采用的矿山法为工程界提供了一个先例。

2、工程概况2.1工程概况深圳地铁5号线民治—五和区间线路整体呈东西走向，区间起点位于民治大道东侧、平南铁路南侧的既有道路下方，出民治站后与平南铁路平行前进，经坂田火车站后向北偏转，四次下穿平南铁路后进入五和站，终点位于五和南路。

左右两线总长4 061.59 m，线间距11.9～15.5 m。

隧道顶部覆土厚11.5～33.0 m。

隧道主要穿越砾质粘土、砾砂、全风化花岗岩及少量强风化与中风化花岗岩。

地下水主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。

孔隙水主要赋存于冲洪积砂层、圆砾层、坡积层、残积层、全风化花岗岩中。

基岩裂隙水主要赋存于花岗岩强—中风化层中，略具承压性。

地下水埋深1.22～17.8 m。

区间隧道采用土压平衡式盾构施工，盾构机外径6.28 m。

隧道衬砌采用6块管片错缝拼装而成，管片环宽1.5 m，外径6.0 m，厚度0.3 m，隧道内径5.4 m。

2.2工程难点线路条件复杂，隧道上覆地层薄，最小仅11.5 m，同时下穿运营铁路，地表沉降要求高，施工难度大。

隧道断面范围内地质复杂，存在上软下硬地层，尤其是在右线DK23+241.5～+292.4（50.9 m）段，有微风化岩层侵入隧道断面内2.8 m，岩石单轴饱和抗压强度达到160 MPa，盾构机难以掘进，故区间隧道施工的难点是盾构机如何穿越硬岩侵入段。

3、施工方案在饱和软土地区开挖隧道，采用盾构法施工具有安全、快速、对环境影响小等优点[4]。

但是，对于硬岩及软硬差异大的上软下硬地层，采用盾构法施工会造成刀具严重磨损、需要多次更换刀具的现象[6]。

该段隧道硬岩侵入断面2.8 m，侵入长度达50余米，若采用盾构法掘进，需要多次更换刀具，但由于隧道下穿运营中的平南铁路，不具备开舱换刀条件，因此采用盾构法无法掘进。

现代矿山法是以保护和发挥围岩的自承能力为原则，以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚喷支护为主要支护措施，通过监控量测手段实现信息化动态施工的一种现代隧道施工技术，该法与相应的地层预支护手段相结合可以灵活地应用于各种地层。

综合考虑隧道穿越硬岩侵入段的环境条件、施工安全及技术经济因素，拟采用矿山法开挖，初期支护后盾构机拼装管片通过。

为减小施工风险，将矿山法施工长度延长到54m，即对右线DK23+238.3～+292.3(54 m)段采用矿山法施工。

具体方案是：在DK23+235处修建竖井作为矿山法施工通道，设置60 m长管棚超前支护配合小导管注浆；隧道开挖采用台阶法、控制爆破，初期支护采用锚网喷及钢拱架联合支护。

矿山法隧道施工完成后，在隧道底部施作盾构导向平台，盾构机在导向平台支撑及引导下空载推进并拼装管片，从而通过硬岩侵入段。

此外，为保证矿山法隧道端头墙的安全及盾构机能顺利进入前方土体，采用C25素混凝土全断面封堵端头墙。

4、矿山法结构设计4.1矿山法隧道结构设计隧道断面为马蹄形结构，内部净空最小尺寸为6.4 m，采用复合式衬砌（图1）。

初期支护由网喷混凝土与钢架组成支护体系，钢筋网间距为150mm×150 mm，喷混凝土等级为C25，钢架采用I20b格栅钢架（间距0.5 m）；二次衬砌为盾构拼装式管片。

超前支护采用φ159 mm长管棚支护及φ42mm小导管注浆，管棚长60 m，间距250 mm，共37根；隧道开挖之前在长管棚之间设置φ42 mm、长4.0 m超前小导管，并通过小导管向围岩预注浆。

4.2竖井结构设计在DK23+235处修建施工竖井，竖井断面为7.5 m×8.6 m。

为保证盾构机能顺利到达竖井，在竖井小里程方向安装钢洞门及帘布板，竖井周边采用旋喷桩加固，加固范围为上下左右各3 m，隧道轴线方向5 m。

为了确保竖井施工安全，竖井井壁采用锚、网、喷及格栅钢架联合支护。

锚杆为长度5.0 m、直径22 mm的砂浆锚杆，间距1.0 m，呈梅花形布置；喷混凝土等级为C25，厚度400 mm；钢架间距0.5 m，在钢架内外侧全环布设直径10 mm、间距150 mm的钢筋网。

井底设置型钢钢架支撑及C25、厚400mm的网喷混凝土（图2）。

5、矿山法隧道施工矿山法隧道施工工艺见图3。

5.1超前管棚施工（1）管棚制作管棚由φ159×8 mm热轧无缝钢管制作而成，为避免接头在同一断面上，钢管采用两种规格，奇数孔首根4.0 m，偶数孔首根6.0 m，其余的均为6.0 m。

钢管采用丝扣联接，钢花管大样见图4。

（2）钻孔钻孔前在隧道开挖轮廓线以外20 cm范围内画出钻孔位置，架设导向架，精确调整导向架后用MK-5型水平地质钻机钻孔。

钻孔由高孔位向低孔位进行，钻孔孔径比钢管直径大30～40 mm，外插角1°～3°。

每钻进5 m用仪器复核钻孔角度，并及时纠偏。

（3）下管下管前预先对每个钻孔的钢管进行配管和编号，保证同一断面上的接头数不超过50%。

由于地质条件较差，因此下管要及时、快速，以保证在钻孔稳定时将管子送到孔底。

前期靠人工送管，当阻力增大、人力无法送进时，借助钻机顶进。

（4）注浆钢管安装完后，通过钢管向地层内注浆。

采用后退式注浆，顺序为先两侧拱脚、后拱顶。

注浆分两步完成，第一次注入水泥砂浆，等浆液充分收缩后第二次注入水泥浆，以使管棚填充密实。

注水泥浆时，水灰比为0.5～1.0，注浆压力为0.5～1.0 MPa；注水泥砂浆时，灰砂比为1∶2～1∶2.5，注浆压力为0.5～1.0 MPa。

5.2超前小导管注浆施工超前小导管布置情况如图5所示。

（1）小导管安装小导管安设采用钻孔打入法，采用YT28型风枪钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5 mm。

将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，顶入长度不小于钢管长度的90%，并用高压风将钢管内的砂石吹出。

小导管安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，并在工作面及附近5 m范围内喷射5 cm厚混凝土作为止浆墙。

（2）注浆采用水泥-水玻璃浆液，浆液扩散半径为1～1.5m；注浆终压为静水压力的1.5倍。

采用全孔一次注浆方式。

（3）注浆结束条件注浆结束条件根据注浆压力和单孔注浆量两个指标来判断。

单孔结束条件为：注浆压力达到设计终压，浆液注入量已达到计算值的80%以上。

全段结束条件为：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注。

注浆结束后对注浆效果进行检查，如未达到设计要求，进行补孔注浆。

5.3台阶法隧道开挖隧道依据新奥法原理组织施工，结合围岩条件采用台阶法开挖，施工中严格遵循管超前、短进尺、弱爆破、紧封闭、勤量测原则。

在竖井施工及地层加固完成后，沿区间隧道拱部打设管棚（37根60 m长），并通过长管棚注浆加固地层，待浆液凝固后按以下步骤循环开挖隧道：（1）设置φ42 m m小导管超前注浆加固地层；（2）人工风镐开挖上断面土体，必要时进行弱爆破，并喷射5 cm厚混凝土封闭掌子面；（3）施作临时钢架仰拱；（4）架立格栅钢架，打设锁脚锚杆；（5）挂网喷射混凝土；（6）控制爆破开挖下台阶石方，并喷射5 cm厚混凝土封闭掌子面；（7）接长格栅钢架，打设锁脚锚杆，挂网喷射混凝土；（8）重复以上（1）～（7）循环作业，每循环进尺0.5 m，台阶长度10～15 m。

施工中要求超前小导管搭接长度不小于1.5 m，隧道开挖面始终滞后于超前小导管注浆范围；爆破作业应在小导管注浆浆液完全凝固后进行；超前小导管与系统锚杆、钢架应牢固连接，确保初期支护的整体稳定性。

5.4端头墙施工矿山法隧道端头全断面采用C25素混凝土封堵，做法是：先喷射厚度为150 mm素混凝土，然后浇注C25厚1 000 mm的素混凝土封堵端头墙，以防止其暴露时间过长出现塌方。

5.5导台施工矿山法隧道施工完成后，在隧道底部施作导向平台，以保证盾构机能顺利通过。

导向平台采用C30素混凝土施工，高度为50 cm，其上预埋2根P50钢轨。

导向平台断面弧长与隧道中心夹角为60°，以保证盾体与导向平台有足够的接触面[7]。

导向平台起点从竖井洞门开始，一直延伸至隧道端头墙前方，与端头墙之间预留1 m长的缺口，使盾构机刀盘在缺口处顺利旋转并切入端头墙。

6、施工监控量测为了确保隧道开挖安全及平南铁路正常运营，施工中坚持勤量测原则，将监控量测纳入施工环节，并根据监控量测结果指导施工和进行施工管理。

量测主要项目如下：（1）既有线位移监测在掌子面前后50 m范围内沿平南铁路路肩及钢轨每隔5 m布设1个沉降观测点及水平位移观测点。

（2）地面沉降点监测每20 m设一断面，观测点间距2～5 m，分布于隧道两边45°扩散角范围内（图6）。

地面沉降观测点采用φ25钢筋打入地下不小于80 cm，四周用C25混凝土围护。

（3）洞内监控量测洞内监测项目主要有：洞内围岩与支护状态观察、水平收敛量测、拱顶下沉量测及钢格栅应力量测等。

洞内围岩与支护状态观察在每一断面开挖后进行，其余测点布置见图7。

（4）量测频率既有线位移监测在施工前取得初始数据，施工中每日进行1次，当沉降与位移变形加大时每2小时量测一次。

隧道施工地面沉降点监测及洞内监测在开挖初期每天1～2次，中期每2天1次，后期每周1次。