盾构法隧道硬岩段矿山法开挖管片衬砌施工工法

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1、盾构法隧道硬岩段矿山法开挖管片衬砌施工工法中铁隧道集团中铁隧道股份有限公司：杨书江一、前言随着城市轨道交通事业的快速发展，盾构法施工技术在上海、广州、深圳、北京、南京等城市地铁建设中得到广泛应用。目前国内使用的复合式土压平衡盾构对于软土及岩石单轴抗压强度小于80Mpa的硬岩地层施工是完全适应的，但是对于长度超过100米、岩石单轴抗压强度超过100Mpa的地层，在国内用盾构法施工还没有先例，在国外也没有这方面的成功经验报到。广州市轨道交通三号线【大石南汉溪站市桥北区间】盾构工程，其中左右线隧道共有427.5m岩石单轴抗压强度达118Mpa的硬岩地层，存在较大的施工难度。为减少施工风险，拓展土压平

2、衡盾构在较长距离与硬岩地层中的施工配套技术，开展了专项科研课题研究，采用了钻爆法开挖与初期支护、盾构空载推进拼装管片通过、管片背后吹米石与注浆结合的新工艺，并取得了圆满成功。在此基础上，总结形成本工法。二、工法特点1、将钻爆法施工与盾构法施工相结合，局部硬岩地段用钻爆法开挖支护、盾构法衬砌，极大地拓展了盾构法施工的适用范围。 2、避免了盾构法在岩层太硬、距离偏长的地层中施工对设备的损坏和对盾构法应用的限制。3、施工速度快、工期效应明显。盾构拼装管片通过硬岩段可以达到平均每天11米的施工进度，其综合进度比盾构法在一般软岩地段的进度还快。4、避免了盾构在岩层段掘进时的刀具磨损及意外破坏。相比之下有

3、较大成本节约，效益好。5、工艺可操作性强，在只要采取相应方法和措施满足城市环境条件即可推广使用。三、适用范围本工法适用于采用盾构或双护盾TBM施工的城市地铁、铁路、公路、水工隧道等地下工程中有较长距离硬岩地层的地段。四、施工工艺(一) 工艺原理在盾构到达硬岩地层前，利用钻爆法开挖硬岩地层并进行必要的初期支护，隧道底部施作弧形钢筋混凝土导向平台。盾构在导向平台上空载推进、拼装管片通过，管片背后与钻爆法初期支护间的空隙利用吹米石与注浆结合的方式充填密实。达到全隧道的净空、结构和防水设计一致。(二) 施工流程施工工艺流程图见图1。(三) 施工方法硬岩段钻爆法施工视情况有先于盾构法施工和后于盾构法施工

4、两种情况，后者对工期和已施工的相邻段隧道结构安全影响很大，需采取相应有效措施。本文所述的内容为前者。硬岩段钻爆法开挖、盾构法衬砌涉及不同的方法和较长的施工区段，其纵断面示意参见图2。1、硬岩段钻爆法施工硬岩段隧道断面一般设计为圆形（隧道结构示意见图3），采用新奥法原理设计、施工。根据盾构通过的需要，将硬岩段钻爆法施工段分为盾构通过段和盾构接收段。硬岩段钻爆法施工碴土清理及刀盘防护硬岩段开挖完后盾构到达交接面至导台间砼浇注补充注浆拼装管片豆砾石吹填效果检查每4环检查注浆效果YESYESNONO吹填豆砾石(米石)后期补充注浆盾构通过硬岩段.盾构空载推进盾尾同步注浆盾构推进至导向平台施工结束图1 施

5、工工艺流程图一般段盾构法施工图2 硬岩段钻爆法开挖、盾构法衬砌纵断面示意图图3 硬岩隧道断面结构示意图(1) 盾构通过段盾构通过段隧道设计比盾构外径大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) 盾构接收段为了保证盾构出洞时的空间，硬岩隧道靠近盾构隧道处的3米隧道作为盾构机接收段。盾构接收段隧道净空为6800mm。为便于盾构到达后对盾构进行底部处理，底部70范围内的半径加大到3700mm。(3) 导向平台施工为保证盾构按设计姿态通过，隧道底部60范围内设置半径为3150mm厚度150mm的弧形混凝土导向平台，导向平台顶部铺设102

6、00钢筋网片，混凝土保护层厚度为50mm。在导向平台两侧每隔6m对称预埋两块钢板，钢板与平台钢筋进行焊接，便于安装牛腿，为盾构推进时提供反力。2、盾构到达段的掘进施工盾构隧道与硬岩隧道贯通前25m为盾构到达段，采用土压平衡模式掘进。盾构进入到达段时，逐步减小推力、降低推进速度，并加强出土量的监控。隧道贯通前3环采用敞开式模式掘进。采用小推力、低转速进入盾构接收段。掘进参数见表1、表2。隧道贯通前150200m，对盾构隧道和硬岩隧道洞内所有测量控制点进行一次整体的、系统的复测和联测，对所有控制点的坐标进行精密、准确的平差计算。贯通前100m、50m时分别人工复测盾构姿态，及时纠正偏差，确保盾构顺

7、利进入接收段。盾构在到达段掘进过程中，派专人负责观察硬岩隧道段的岩面变化情况。发现围岩或硬岩隧道初期支护混凝土有较大震动或变形时，立即通知盾构主司机调整掘进参数，防止推力过大，造成刀盘前部围岩的大面积坍塌。表1 盾构到达段掘进参数表编号项 目参 数适 用 范 围1土仓压力1.21.4bar隧道贯通前25m2刀盘转速1.651.85r/min3推 力800T4推进速度25mm/min表2 贯通前3环掘进参数表编号项 目参 数适 用 范 围1土仓压力敞开式贯通前最后3环2刀盘转速1.601.75r/min3推 力600T4推进速度10mm/min3、盾构进入接收段后的工作盾构进入接收段后，主要有以

8、下三方面的工作：(1) 刀盘前方碴土清理隧道贯通时的碴土无法用盾构出碴系统出碴，只能人工清理。清理后的碴土利用硬岩隧道施工的运输车辆从竖井运出洞外。(2) 导向平台的顺接碴土清理完成后，用C30早强混凝土将盾构前体下部至硬岩隧道段已施工的导向平台进行顺接，确保盾构顺利过渡到导向平台。(3) 安设提供反力的牛腿及千斤顶在导向平台预埋钢板上安设牛腿，在牛腿与盾构的土仓隔板间安设液压千斤顶，为盾构步进提供反力。此外，也可采用在刀盘前方堆碴，为盾构推进提供足够的反力。4、盾构步进、拼装管片通过硬岩隧道段盾构推进前，将喷射机、米石等材料机具通过硬岩隧道段的施工竖井运至刀盘前方。(1) 盾构步进根据刀盘与

9、导向平台之间的关系，调整各组推进油缸的行程，使盾构姿态沿设计线路方向推进。前期施工时推进速度一般控制在1540mm/min之间，工艺熟练后推进速度可达到6085mm/min，总推力在300t左右，下部油缸压力略大于上部油缸压力。盾构步进时，派专人在盾构前方检查、监测盾构步进情况，主要检查硬岩隧道的开挖是否有侵入盾构刀盘轮廓的岩石存在、盾构前体下部与导台的结合情况、米石回填是否密实等。盾构步进时，刀盘前方的监测人员与盾构主司机要紧密配合，使盾构沿导台的中心进行前移，保证盾构前移时管片受力均匀。根据该段曲线半径（R1800米），计算出盾构每推进一环所发生的偏转角与铰接油缸行程差和推进油缸行程差。经

10、计算，每推进一环的管片所发生的偏转角0.04775，油缸产生的行程差为4mm。在盾构推进前复核硬岩隧道与盾构轴线误差，根据误差调整铰接油缸、推进油缸的行程差，保证盾构的盾壳与硬岩隧道间的间隙，确保盾构按隧道设计轴线进行推进。(2) 管片拼装加强管片选型工作，通过控制盾尾与管片外表面的间隙，确保管片拼装符合设计要求。管片拼装工艺与正常掘进时的工艺相同。管片选型时，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。管片每安装一片，先人工初步紧固连接螺栓；安装完一环后，用风动扳手对所有管片螺栓进行紧固；管片出盾尾后，重新用风动扳手进行紧固。在安装管片时，推进油缸的压力设定为50bar。5、管片背

11、衬回填管片背衬回填由喷射米石、盾尾同步注浆、补充注浆等组成。通过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。利用盾构同步注浆系统压注水泥砂浆，使衬砌管片与地层间紧密接触，提高支护效果。根据注浆后的检查结果，从管片注浆孔补充注浆固结管片。 (1) 喷射米石回填在管片拼装的同时进行米石喷射回填工作，喷射米石分两步进行：第一步，每隔4.5m在盾构机的切口四周用袋装砂石料围成一个围堰，围堰范围不小于60300，以防管片背后的米石、砂浆前窜。从刀盘前方向盾构后方吹入粒径510mm的米石骨料，喷射压力为0.250.3MPa。第二步，在管片拼装完成并脱出盾尾后，

12、从管片注浆孔向管片背后吹入米石骨料。但当管片背后间隙较少时，从注浆孔向管片背后吹米石比较困难，这点在施工中要充分考虑周到。喷射米石回填施工见图3所示。充填标准：考虑暗挖隧道平均超挖15cm，管片与暗挖隧道的孔隙6.98m3，喷射米石填充孔隙的6070%，则每环管片需喷射米石约4.55m3。(2) 盾尾同步注浆 同步注浆浆液性能同步注浆采用水泥砂浆。浆液配比为水泥：膨润土：粉煤灰：砂：水160：56：341：779：446 。浆液胶凝时间为初凝时间8h，终凝时间10.5h，施工时根据盾构推进过程中浆液的流动情况，适当调整浆液胶凝时间。 注浆工艺同步注浆在每环管片喷射米石回填后进行，与盾构步进同步

13、。注浆通过盾构自身配备的同步注浆系统，采用手动控制方式，由人工根据现场情况随时调整注浆流量、速度、压力。注浆压力：为保证对管片背后空隙的有效填充，同时防止砂浆前窜至刀盘前方，注浆压力取值为0.050.08MPa。注浆结束标准：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（考虑浆液向刀盘前方的流动，每环同步注浆量一般取6m3）时，即可结束注浆。在注浆过程中，加强对盾构四周以及盾壳外部的围堰变形观测，发现有浆液外泄，应暂时停止注浆。 注浆效果检查在盾构管片安装10环后，间隔6m（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，

14、决定是否进行补充注浆。(3) 补充注浆 第一次补充注浆第一次补充注浆的目的是填充管片背后尤其是顶部的空洞，确保管片与硬岩隧道初期支护间的密实度。盾构步进过程中，每6m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，利用砂浆运输罐车从管片上部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。注浆压力取值为0.30.4MPa。注浆结束标准采用注浆压力单指标控制。 第二次补充注浆在盾构通过硬岩隧道后，根据管片间渗漏水情况，采用KBY-50/70双液注浆泵进行注浆堵水。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

15、取值为0.20.3MPa，注浆流量不大于10L/min。注浆结束标准采用注浆压力单指标控制。6、监控量测监控量测伴随隧道施工全过程，根据量测数据调整施工工艺及工法，确保施工及地表建筑物的安全。在硬岩隧道钻爆法施工时，主要进行地表沉降、隧道拱顶下沉及水平收敛的监测。盾构空载过硬岩隧道时，因钻爆法隧道变形已基本稳定，同步注浆压力仅有0.050.08MPa，对结构影响小，监测以管片拼装后的姿态测量为主，确保隧道的成洞质量。五、机具设备配备（见表3）表 3 机具设备 配 备 表序号名 称规格型号数 量用 途1土压平衡盾构EPB6280mm1台 推进并拼装管片2同步注浆泵SWING KSP122台 管片

16、背后同步注浆3编组列车机车35T2列运输管片及砂浆4砂浆搅拌站TS-500(20m3/h)1座生产同步注浆用砂浆5水平运输车辆EQ1090(2m3)2辆 运送米石6混凝土喷射机ZSP-62台 喷射米石7双液注浆泵KBY-50/701台 补充注浆8双液搅拌机QV500/501台 浆液拌制9门式起重机15T/23.2m1台 管片及轨排等材料吊放10电动葫芦CD1041套 刀盘前方所需材料吊放11交流电焊机BX3-5001台 焊接喷射米石作业台架12内燃空压机VY12/82台为喷射机供风六、劳动组织盾构通过硬岩隧道段施工（包括盾构空载推进、管片安装、背衬吹米石及同步注浆回填等工作内容）分两个作业班循

17、环进行，每个作业班共计41人，劳动力组织如表4所示。表4 盾 构 机 过 硬 岩 隧 道 时 的 劳 动 组 织序号岗 位 名 称人 数职 责1班长1 负责现场施工管理2盾构主司机1 盾构机操作3值班土木工程师1 现场技术指导4管片安装司机1 操作管片安装机5管片安装工4安装管片6管片供应4管片选型及止水材料粘贴7同步注浆司机1 操作同步注浆泵8机车司机2 管片、砂浆及其他材料运输9搅拌站3拌制同步注浆用砂浆10门吊司机1吊放管片及其他材料11喷射机司机1喷射机操作12水平运输车司机2运送米石13空压机司机1空压机操作14电动葫芦司机1吊放刀盘前方所需材料15洞内辅助工6米石喷射（4）、电工（

18、1）、修理工（1）16洞外辅助工4轨排加工（2）、管线工（1）、充电工（1）17盾构机维保618安全员1刀盘前方安全巡查合 计41人管片背后空洞补充注浆和注双液浆堵水工作安排在白天进行，分一个作业班共计12人，其劳动组织见表5。表5 补 充 注 浆 时 的 劳 动 组 织序号岗 位 名 称人 数职 责1班长1 负责现场施工管理2值班土木工程师1 负责现场注浆技术指导3机修工1 机械维修及管路清洗4运料工3 水泥、水玻璃等材料运输5注浆泵司机2注浆泵操作及施工记录6制浆工4浆液配制合 计12人七、质量控制1、成立以项目总工任组长，盾构主司机、值班土木工程师、测量工程师、试验工程师、掘进班班长、注

19、浆司机为组员的技术小组，负责施工方案的制定并提供技术指导。2、施工前对盾构步进、喷射米石、同步注浆等关键工序作业进行培训和技术交底，由值班土木工程师跟班进行指导、监控。3、由专职质量工程师负责各工序质量的检验及施工过程的控制，严格工序交接班制度，严禁不合格工序进入下一施工流程。4、具体的质量控制措施(1) 管片防水为保证管片的防水效果，施工中采取以下措施： 在隧道贯通前安装管片时，每环管片用22钢筋与上一环管片相连，并点焊连接牢固，防止因贯通时刀盘前方突然失去反力造成已安装的管片松动。 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；或者直接在刀盘前方堆碴提

20、供盾构机步进所需的反力。 安装管片时，在该环管片的螺栓紧固完毕后，对上一环管片的螺栓进行二次紧固，以保证管片的块与块之间、环与环之间的紧密连接。(2) 管片错台盾构在导向平台上向前推进时，盾构的前体、中体以及盾尾的盾壳与导向台是紧密接触的，不会产生大的错台。但仍需采取以下措施： 每35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。 加强管片背后喷射米石及注浆回填效果的检查，确保管片与硬岩隧道初期支护间空隙的充填密实度，保证管片下部有足够的支撑力。 (3) 盾构姿态控制由于盾构主机的体积大（长8.5m，刀盘直径达6.28m）、质量重（重达300T），姿态调整比较困难。在通过硬

21、岩隧道时采取以下措施进行盾构姿态的控制： 积极采取措施，确保导向台施工精度导向台是盾构通过硬岩隧道时的下部支撑，其施工精度直接决定着盾构的姿态。导向台施工前从地面通过竖井进行精确的三角形定向测量和钢尺悬垂法高程联系测量，将地面控制导线网的坐标、方向和高程传递到洞内。导向平台施工模板定位后必须进行测量复核，混凝土浇注后再进行标高的复测，确保导台的施工精度在015mm以内。 调整好隧道贯通时盾构的姿态盾构从盾构隧道进入硬岩隧道前，及时调整盾构的出洞姿态，确保盾构出洞时的旋转值Roll小于3mm/m。盾构在导向平台上步进时，调整盾构的旋转值Roll小于5mm/m。 做好管片的选型及安装，确保隧道成洞

22、质量由有经验的土木工程师24小时现场值班，综合盾构机的姿态、盾尾间隙、油缸行程以及盾构的步进情况等因素，合理选择管片的安装类型，使盾构的姿态偏差在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，盾尾内壳不会挤压管片外壁，可有效防止管片产生错台、裂缝。八、安全措施1、严格按项目安全管理制度和施工方案组织施工，严格制定和执行相关设备的安全操作规程。2、加强硬岩隧道段（包括竖井段）的通风和照明工作，对米石进行洒水湿润，以减少粉尘，提高洞内作业环境条件，确保人员和设备安全。3、隧道贯通后，及时对暴露的围岩面进行喷混凝土或喷锚

23、网封闭，加强刀盘前方安全巡查，避免发生坍塌。4、喷射米石回填及后期补充注浆，需在盾构刀盘前方、设备桥、后配套拖车及修补架等高空处进行，作业人员必须佩戴好安全防护品，布好安全防护设施，防止发生高空坠落。5、喷射米石时，先固定好喷头，再开喷浆机进行喷射，避免米石突然喷出造成人员伤害或和设备仪表损坏。6、加强垂直运输及洞内水平运输系统的控制，防止高空物体坠落及车辆伤害事故的发生。7、加强洞内用电控制，确保施工安全。九、效益分析（一）社会效益本工法将钻爆法施工与盾构法施工相结合，避免了盾构法在岩层太硬、距离偏长的地层中施工对设备的损坏和对盾构法应用的限制，使盾构或双护盾TBM施工的城市地铁、铁路、公路

24、、水工隧道等地下工程能得到进一步发展。应用本工法，有效地避免了盾构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。在采取相应方法和措施满足城市环境条件条件的情况下，可得到应有的推广使用，有较大的社会效益。（二）经济效益1、施工速度快、工期效应明显。盾构拼装管片通过硬岩段可以达到平均每天11米的施工进度，其综合进度比盾构法在一般较硬岩层地段的进度还快，每延米隧道至少节省5.8小时。因此，硬岩隧道越长，工期提前的规模效应越明显。2、避免了盾构在岩层段掘进时的刀具磨损及意外破坏。相比之下有较大成本节约。根据盾构在局部硬岩地层中正常掘进的刀具磨损

25、值统计，在广州市轨道交通三号线大汉区间盾构工程的427.5m硬岩地段，如用盾构掘进，仅刀具费用就达120万元以上，还未包括刀具意外损坏发生的费用。3、避免了硬岩地层掘进中盾构震动剧烈对设备造成的损坏，延长了盾构的使用寿命。十、工程实例广州市轨道交通三号线【大石南汉溪站市桥北区间】盾构工程右线隧道YDK16+708.5+937（228.5m），左线隧道ZDK16+73016+929（199 m）段地层主要为8Z-2混合岩中风化层、9Z-2混合岩微风化层，围岩分类为、级，属上元古界震旦系花岗岩片麻岩的混合岩体，其岩石单轴抗压强度达118MPa，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

26、极为不利。在盾构到达前，利用区间隧道中间风机房的风井作为施工竖井，采用钻爆法开挖并进行必要的初期支护，盾构隧道与硬岩隧道贯通后，盾构在已施工的混凝土导向平台上空载推进并拼装管片通过、管片背后与钻爆法初期支护间的空隙采用吹米石与注浆结合的新工艺进行回填密实，成功通过了该硬岩地层。1、右线隧道应用情况右线隧道2003年9月20日10：45贯通，9月24日完成准备工作开始推进，但是因混凝土导向平台标高问题，9月29日10月5日停机处理导向平台，10月6日恢复推进，11月1日通过硬岩隧道。综合进度为平均每天3.4环（5.1m），最高13环（19.5m），扣除导向平台造成的影响，平均进度为每天4.8环（7.1m）， 2、左线隧道应用情况左线隧道2003年11月22日23：00贯通，11月26日完成准备工作开始推进， 12月10日通过硬岩隧道。平均进度为每天7.4环（11.1m），最高为14环（21m）。3、应用效果及质量评价经现场实测管片姿态，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（GB502991999）中管片拼装允许偏差要求（50mm），管片表面无破损，相邻管片无明显的错台，无渗漏水现象。工程质量得到驻地监理部和业主代表的好评。