地铁盾构过硬岩施工技术

1 工程概况

      深圳市地铁 3 号线翠竹站—田贝站区间位于深圳市罗湖区翠竹片区。

      本区间右线长1 207. 6 m，左线长1 192. 7 m，为单洞单线隧道。线路自翠竹站东侧端头向北侧左转穿过东门北路北侧住宅小区( 翠竹苑) ，到达大头岭南侧，继续向西北左转穿越大头岭，过大头岭后右转延翠竹路北行至田贝站南侧端头。

      翠竹苑和大头岭段隧道基本处于微风化层中，该微风化岩层围岩强度较高，最大饱和抗压强度达到127. 1 MPa。 而剩余区段地质条件差，且地面建筑物多，地面交通流量大。

      根据隧道施工原则，围岩强度高的地段适合矿山法施工，地质条件差、下穿建筑物以及下穿道路等地段适合盾构法施工。

      综合盾构法和矿山法的优点，本区间在大头岭硬岩段采用矿山法开挖，盾构空推二次衬砌的工法。而在过翠竹苑大约 200 m( 双线延米) 的硬岩段为保障地面建筑物的安全仍采用常规盾构法施工，针对盾构过硬岩状况，采用相对应特殊措施。其余地段采取常规盾构法施工。

      右线前 482. 8 m 为常规盾构法隧道，中间 394. 5m 为矿山法开挖盾构衬砌隧道，最后 330. 3 m 为常规盾构法隧道。

      左线前 469. 0 m 为常规盾构法隧道，中间 387. 0m 为矿山法开挖盾构衬砌隧道，最后 336. 7 m 为常规盾构法隧道。

      常规盾构法隧道长1 618. 762 m( 单洞) ; 矿山法开挖盾构衬砌隧道长 781. 500 m( 单洞) 。

      本区间共设 2 处联络通道，一处联络通道中间设区间排水泵房，另一处联络通道设在矿山法施工横通道内，在横通道端头设施工竖井。
 
2 工程措施

      本区间硬岩段位于过东门北路北侧的翠竹苑住宅小区段和过大头岭段。采取的措施如下:

      过大头岭段，地面无建筑物，从工期和经济考虑，采用矿山法开挖，盾构空推拼装管片作为二次衬 砌。

      过翠竹苑段，因地面建筑物密集，为保障建筑物的安全采用盾构法，并采取一些特殊的盾构过硬岩措施。
 
3 矿山法开挖盾构衬砌隧道

3. 1 矿山法开挖

      区间过大头岭段，因矿山法施工的需要，在翠竹公园正门平台处设临时施工竖井一座，在竖井与左右线隧道间设施工横通道。

      矿山法隧道按照新奥法原理设计，隧道衬砌及支护参数主要根据结构断面、围岩级别、水文地质条件、结构受力特性等因素，类比同类工程，并经计算分析及优化综合确定。区间结构支护形式为初期衬砌和盾构混凝土管片相结合，初期支护主要由砂浆锚杆、钢筋网、喷射混凝土组成初期衬砌支护体系。

      矿山法隧道采用钻爆法开挖，全断面法施工。

3. 2 盾构空推拼装管片

      矿山法隧道开挖完成后，利用盾构拼装管片空推通过本段隧道，通过的同时由盾构拼装管片形成矿山法隧道的二次衬砌，二次衬砌和初支之间的孔隙采用同步注浆填充。

      盾构机空推通过暗挖段的主要工序为: 导台施工、隧道内回填土、盾构机步进，拼装管片、管片背填注浆。

      1) 盾构到达段施工 为确保盾构空推的顺利进行，防止盾构掘进过程中由于推力过大造成原施工好的初期衬砌破损，对盾构与矿山法分界的端头墙 3 m范围内的矿山法初支进行加强，具体为加密加长打设锚杆，采用双层钢筋网，加厚喷混凝土支护。

      导台半径为 3. 15 m，故在盾构上导台之前应拆除2 把铲刀，为确保盾构顺利通过分界墙，在盾构到达分界墙前 8 环位置时，停止掘进，开仓将 2 把铲刀拆除。

      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( 前 30 m) 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。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。

      每环按照设计方量进行同步注浆，为确保在盾构到达空推段后，纯盾构段隧道地下水及同步注浆的浆液不往空推段涌入，在盾构刀盘距分界墙 3 环时，停止掘进，自盾尾向大里程方向后退 2 环开始通过管片吊装孔进行二次注浆，确保连续 5 环全断面注满，以切断后续水源或浆液涌入刀盘位置。

      为确保隧道贯通后的管片接缝防水要求，在到达矿山与盾构分界里程后开始，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。

      2) 盾构机步入导台及堆土施工 盾构掘进进入接收段，在隧道贯通时，贯通面渣土将会堆积在导台上，采用人工清理。

      盾构步入导台 6 环后，停止掘进，用砂袋封闭隧道初支与盾体之间的空隙，通过管片注浆孔对管片背后进行注浆回填; 浆液采用双液浆，注浆压力控制在 0. 1MPa 内。

      堆土采用人工配合机械进行堆积，堆积长度为 25m，靠盾构与矿山分界端头 15 m 采用全断面堆积，后10 m 采用半断面堆积。土质采用黏性土，黏土内杂物最大粒径不得大于 5 cm。

      3) 盾构空推段施工 隧道内堆土完成后，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 10 ～ 25 mm/min 之间。

      盾构机推动回填的渣土，渣土在刀盘前逐渐形成密实的土柱，封闭刀盘位置的隧道横断面，盾构机达到正常推进模式。管片与已开挖成型隧道间由回填土充填，同时开启同步注浆进行止水、土仓内全部填满土，当土压( 1 号位置达到 80 kPa) 或推力达到8 000 kN，开启螺旋输送机进行出土。

      盾构掘进模式采用不加压模式，掘进推力控制在8 000 kN 以内( 主要以掘进速度为 10 ～ 25 mm / min 来控制推力大小) ，当掘进推力大于8 000 kN 以后，可启动螺旋输送机出土，但要控制出土量，掘进过程中，土仓内不加气压和泡沫。

      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。在安装管片时，推进油缸的压力设定为6 000 kPa。在完成管片拼装之后，用∠60 mm × 60mm × 6 mm 的角钢或φ22 mm 钢筋与上一环管片相连，并点焊连接牢固。

      当推力大于6 000 kN时，可取消管片之间的角钢或钢筋等辅助连接。管片背后回填采用同步注浆。利用盾构机自身的同步注浆系统压注水泥砂浆，使管片与初支及地层间紧密接触，以提高支护效果。根据注浆后的检查结果，从管片注浆孔注浆固结管片。管片背后通过盾构机自身的同步注浆系统注浆。注浆采用水泥砂浆，控制注浆压力既保证达到对环形空隙的有效填充，又确保管片结构不因注浆产生位移、变形和损坏，同时又要防止砂浆前窜至盾构刀盘前方。管片背后回填采用同步注浆。利用盾构机自身的同步注浆系统压注水泥砂浆，使管片与初支及地层间紧密接触，以提高支护效果。根据注浆后的检查结果，从管片注浆孔注浆固结管片。管片背后通过盾构机自身的同步注浆系统注浆。注浆采用水泥砂浆，控制注浆压力既保证达到对环形空隙的有效填充，又确保管片结构不因注浆产生位移、变形和损坏，同时又要防止砂浆前窜至盾构刀盘前方。

      该浆液采用水泥砂浆，水泥、膨润土、粉煤灰、砂、水的配合比为 150∶ 40∶ 440∶ 720∶ 470。

      盾构空推地段每隔 6 环在管片注浆孔处开口检查注浆效果，根据注浆效果检查情况，确定是否需要二次补充注浆。

      4) 盾构过横通道位置 盾构在掘进至横通道前15 m，前方土体已全断面封堵了横通道，为保证横通道位置临时堆土的帷幕稳定，应开始减少掘进推力和速度，掘进推力控制在5 000 kN以内，掘进速度控制在10mm / min 左右。

      同时专人观察横通道堆码沙袋帷幕是否稳定，一旦出现倾斜或者崩塌，应停止掘进。同时在横通道位置加大注浆量，填充管片与横通道之间的空隙。

      5) 盾构二次始发 盾构到达矿山与盾构分界里程后，停止掘进，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8 000 kN 以内，刀盘旋转速度为 2. 5 r/min，以减少管片的旋转。掘进 3环之后掘进为正常掘进模式。
 
4 盾构硬岩段掘进

      本区间穿越约 200 m( 双线延米) 微风化角岩地段，对盾构设备要求较高，根据地质勘测资料，微风化角岩抗压强度最高达 94. 1 MPa，为确保盾构掘进的顺利进行，投入本工程的盾构机破岩能力至少达到 100MPa 以上。盾构长距离通过硬岩地段，对盾构机刀具、刀盘磨损较大，换刀频率将大幅度增加。

      为保证盾构顺利通过硬岩段采取处理措施如下:

      1) 控制盾构推进速度，盾构尽可能以同一坡度推进，以减小盾构推进对土体的扰动，控制盾构通过后地面后期沉降。根据监测数据适当加快或放慢推进速度。

      2) 优化盾尾油脂注入时段，定量、均匀地压注盾尾油脂，针对漏浆部位集中压注盾尾油脂，以保证其密封性能，避免因漏浆而导致注浆量不足造成地表沉降超限。

      3) 增加泡沫剂掺入量改良渣土的可塑性、使出土顺畅，更好地形成土塞来控制土仓的土压力。同时盾构机在硬岩地段推进时刀盘、刀具磨损大，温度高，需增加泡沫剂掺入量降低刀盘温度，起到润滑作用，减小对盾构机的损耗。

      4) 在到达硬岩段前，对盾构刀具进行全面检查。盾构机在硬岩地段推进时刀盘、刀具磨损大，应及时进行刀具更换，保证盾构机推进过程刀具配置的完整性，保证刀具有效切削围岩。

      5) 针对普通刀具磨损较快的状况，应选用一定数量的重型刀具及重型刀圈专门用于极硬岩地层的盾构掘进施工。中心刀全部采用双刃刀具，周边刀具采用江钻重型单刃滚刀，其余面刀采用普通单刃滚刀，并保证有足够的刀具储备。

      6) 由于隧道通过断面地层自稳性强，全断面微风化，掌子面土体不易坍落，因此为了提高推进速度，降低刀盘扭矩以及增加对刀具的保护，选择敞开式模式空仓推进。有效推力控制在7 500 kN 左右，不大于8 500 kN，泡沫剂流量不小于 40 L / min，刀盘转速不小于 2 r/min，刀盘工作压力控制在12 000 kPa 以内。

      7) 盾构掘进过程中，原则上每 2 环必须开仓检查刀具，如出现刀盘扭矩波动大等异常情况，需立即停机开仓检查。检查刀具时需要格外注意周边刀，在极硬岩地段，周边刀磨损超限或非正常磨损，若未及时更换极易导致卡盾构机，刀具磨损超限的必须更换。
 
5 结语

      当前中国正处于城市地铁建设高潮，地铁盾构法隧道越来越多，相应的，盾构在硬岩中掘进的情况也会越来越频繁，因此怎样让盾构更适应于硬岩掘进成为一个重要课题。

      目前本工程开挖、衬砌已全部完成，施工过程控制良好。通过本工程的实践，文章中提出的盾构过硬岩的处理措施开拓了思路，较好解决一些盾构过硬岩的难题。对以后类似工程具有一定的参考价值。
 
参 考 文 献
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