刘志峰

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司 北京 101100)

1 引言

地铁隧道施工主要采用盾构法，在较坚硬岩层等特殊地段一般采用矿山法。当线路地质变化较大时，采用单一的盾构法或者矿山法就不能满足施工要求，势必采取多种工法联合施工，“盾构法＋矿山法”就是一典型组合工法[1－2]。在某些施工场地受限区域，这种组合工法会用到盾构空推通过矿山法已施工完初支的隧道，并拼装管片形成隧道的二衬，以此节约场地，方便施工组织。

盾构空推过矿山法隧道施工工法是为解决地下隧道施工难题而研发的一种复合施工工法[3－5]，即地铁区间一端用盾构法施工，另一端用矿山法相向施工；矿山法施工完成隧道初期支护，盾构法与矿山法隧道贯通后，通过矿山法隧道时，由于刀盘不承受地层阻力，只空推；边空推边用盾构机拼装管片形成隧道的二衬，并向管片和初支之间的孔隙填充豆砾石及注浆。盾构空推过矿山法隧道，初支断面不能出现欠挖，若欠挖，空推时会卡住刀盘而无法继续推进；若初支断面超挖，管片拼接后易发生下沉或上浮。此外，盾构空推时推力[6]达不到管片挤压防水要求，或已拼管片周边存在较大间隙，易发生接缝渗漏水[7]、隧道轴线偏差超限、管片错台、管片上浮等质量问题。因此，研究盾构空推过矿山法隧道关键技术意义重大。

深圳地铁10号线雪甘区间(雪象站～甘坑站)采用盾构法与矿山法联合施工，由于场地条件受限，盾构法与矿山法结合处采用盾构空推过矿山法隧道施工工法。本文以该工程为背景，论述了盾构空推过矿山法隧道关键技术，相关经验可为类似工程提供参考。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

深圳地铁10号线1012-1B标，含两站一区间:雪象站(原雪象北站)、甘坑站、雪甘区间。该区间2.4 km长，其中盾构法隧道1 km，矿山法隧道1.4 km(含盾构空推拼管片段)。线路最大纵坡14.45‰，最小曲线半径500 m，隧道埋深5～87 m。沿线主要为丘陵地貌，沟谷发育，植被覆盖好，高程100～250 m，总地势东高西低。区间靠近甘坑站有一小段隧道处于硬岩地层，该段先采用矿山法开挖隧道并施作初期支护，随后盾构机空推拼装预制钢筋混凝土管片施作二衬。其中，左线空推段172.69 m，右线空推段204.45 m。本文以盾构过矿山法段(空推段)左线为例进行阐述，左线空推段的地质剖面图如图1所示。

图1 左线空推段地质剖面图

根据设计，矿山法隧道为圆形，初支为格栅钢架＋喷砼结构，设计的截面竖向为6.5 m、横向6.4 m。盾构法隧道，盾构刀盘直径6.28 m，管片外径6.0 m，内径5.4 m。盾构贯通后沿弧形导台拼装二衬管片，采取管片背后“充填豆石＋注浆”相结合的方式，盾构空推过矿山法隧道。

2.2 重难点分析

(1)针对盾构空推过矿山法隧道的特殊施工方法，如何防止盾构与矿山法隧道接口处管片错台，是一项难点。

(2)矿山法隧道若存在超欠挖，欠挖时盾构空推过隧道时易卡住刀盘，超挖时管片拼接后易发生下沉或上浮，质量得不到保障。为此矿山法隧道初支后的净空尺寸需要检测，传统检测技术存在工作量大、效率低、观测时段受限等缺点，需要新的检测技术，这也是一项难点。

(3)盾构空推过矿山法隧道的施工工艺，也是一项难点。

(4)空推段施工质量监测，是一项重点。

3 盾构空推过矿山法隧道关键技术

3.1 盾构空推方案

隧道矿山法开挖，施作初期支护，施作50 cm厚C25混凝土端封墙，回填11 m长的C15素砼，并浇筑导台；当盾构机接近空推段隧道时，做好盾构贯通准备，接口处进行注浆，导台上堆放好豆砾石[8]；盾构空推过程中，在盾构机刀盘前方用喷锚机喷射豆砾石回填初支与管片的空隙，并及时进行同步注浆；空推结束后检查管片背后回填质量。盾构空推过矿山法隧道示意如图2所示，工艺流程见图3所示。

图2 盾构空推过矿山法隧道示意(单位:mm)

图3 盾构空推过矿山法隧道工艺流程

3.2 测量准备

(1)贯通里程复测

矿山法隧道施工完成后，在盾构进入空推段前需对矿山法隧道端头里程进行复测，复测所用控制点需从地面业主所移交平面控制点及水准点引至井下进行复测，为盾构贯通前到达段的掘进提供依据。

(2)矿山法段隧道净空测量

矿山法隧道初支施工完成后设计内径为竖向6 500 mm、横向6 400 mm，盾构机外径为6 250 mm，盾构贯通后，盾构机与矿山法段初支环形最小间隙75 mm，为了盾构机顺利空推过矿山法段，需要对矿山法隧道断面净空进行复测，断面间隔原则5 m布置一组(与周围结构明显凹凸不平处加测一组)，每组布置8个测点，上下左右各1个、左上右上各1个、左下右下各1个，以检查欠挖尺寸，及时处理，保证矿山法隧道的圆顺。

(3)导台(导向平台)复测

导台是盾构空推时的下部支撑，它的施工精度决定着盾构机的姿态。它的设计半径为3 150 mm，盾构机盾体半径为3 125 mm，复测主要检查导台底部标高、导台两端标高、导台的弧长及弦长，以检查导台是否圆顺。导台的标高精度控制在0～＋15 mm。

3.3 盾构法与矿山法隧道接口防措台处理技术

(1)导台施作。导台设计半径为3 150 mm，采用150 mm厚的C30钢筋混凝土，在隧底60°范围施作。由于在空推掘进前需转动刀盘，为防止已施工的导台对盾构刀盘正常转动有较大影响，距离掌子面1.2 m距离不施作混凝土导台。

(2)在矿山法隧道开挖至端头位置时，先采用50 cm厚C25混凝土G20@150双排玻璃纤维筋临时封闭掌子面，然后施作回填[9]。隧道采用C15素砼回填，回填范围沿隧道纵向11 m范围充填整个横断面(见图4)。盾构机到达时，使用刀盘开挖素混凝土并组装管片，通过这样技术措施来确保接口质量。

图4 盾构空推段矿山法端头封堵示意(单位:cm)

(3)待管片脱出盾尾6环后，通过管片吊装孔进行双液二次注浆止水。

3.4 盾构空推过隧技术

3.4.1 豆石的堆放

盾构机矿山法隧道空推掘进时，由于盾构机前方阻力很小，需对盾体及管片周围喷射豆石，以便增大摩擦阻力，增加推力，挤紧管片止水胶条。豆石选择直径5～10 mm的花岗岩，在盾构机进入矿山法隧道前需提前备料，具体备料方量为需填充空隙的80%。豆石从矿山法隧道竖井用溜槽下放到井下，井下采用4 m3自卸翻斗车进行水平运输，均匀铺到导台上。在矿山法隧道内刀盘前方堆放二分之一刀盘高度的豆石，以空推过程中增加盾构机的反力，保证管片拼装质量。盾构机推进时不转动刀盘，豆石在刀盘推力的作用下自动挤压填充底部及两侧空隙，剩余空隙靠后续同步注浆、二次注浆及刀盘前方喷射豆石来密实。

3.4.2 盾构空推参数控制

根据导台与刀盘的关系，调整油缸行程，使盾构沿设计线路前行。空推期间，盾构前进速度控制在15～40 mm/min之间；上、下部油缸压力有差别，上部的要略小于下部的。

3.4.3 安装管片

与正常掘进的工艺相同[10]，按下部、中部、上部的先后顺序进行。拖出盾尾的管片上部采用支顶由吊装孔固定在隧道初支上，管片支顶丝牙与管片吊装孔吻合，如图5所示。

图5 管片支顶作用示意

3.4.4 管片背后喷填豆石

为防止管片下沉、错台，增加推进盾构的摩擦力，在管片脱离盾尾时，要喷射豆石对管片进行支撑[11]。刀盘前采用3台喷锚机喷豆石填料，喷锚机喷速为6～9 m3/h。刀盘 2、10、12点方向分别焊接直径50 mm、长度9～10 m的钢管，喷锚机通过加长钢管喷嘴，从刀盘前面向盾构吹填5～10 mm粒径的豆石，压力控制在0.25～0.3 MPa。豆石喷射过程中，为避免飞石伤人，非作业人员禁止进入。

3.4.5 同步注浆

(1)注浆浆液

砂、水泥、粉煤灰、膨润土按一定比例制备，初凝5 h、终凝8 h。根据盾构空推过程中浆液流动情况，调整浆液的胶凝时间，适当添加速凝剂。

(2)注浆工艺

注浆分两步:第一步是在各环管片喷豆石回填时进行。采用盾构机注浆系统，注浆流量、速度、压力可根据现场情况随时手动调节[12]。第二步是利用管片上的注浆孔，在距离盾尾约20环的位置进行注浆。浆液仍为水泥浆，注浆压力为0.2～0.3 MPa。注浆过程中，加强盾构周围的观察，如果发现浆液泄漏，暂停注浆。

3.4.6 二次注浆

二次注浆的目的是填充管片后面的空腔，确保矿山隧道初支与管片之间填充密实。在盾构空推过程中，二次注浆也分两步。第一步，隧道内每隔15环使用水泥－水玻璃双液浆进行二次注浆，形成一个止水环，以阻挡管片背后来水。第二步是用水泥浆对15环内的隧道进行二次注浆，以填补背后空隙。双液注浆泵用于双液注浆。水泥和水玻璃(40 Be)双液浆，体积比1∶1，流量≤10 L/min，压力 0.2 ～0.3 MPa。

3.4.7 检查与修补

每隔4环管片(6 m)，开口检查注浆效果；在盾构空推作业完成后，也检查管片间渗漏水情况；采用双液注浆堵水修补。

3.5 三维激光扫描检测技术

三维激光扫描技术，与水准仪、经纬仪、测距仪、全站仪等传统的单一测绘技术相比，该技术具有数字空间信息采集、高精度、高自动化、全息性、大数据、速度快等特点。

利用三维激光扫描仪采集隧道空间点云数据，通过计算机对点云数据进行分析、处理，来判断隧道超欠挖、监测隧道变形。

用Leica ScanStation P40/P30三维激光扫描仪对空推段隧道进行扫描，具体见图6、图7。

图6 三维激光扫描现场

图7 隧道轮廓点云图像

通过提取扫描点云数据，对34个断面进行了统计分析。隧道超挖量大，各断面均有不同程度的超挖。此外，共有14个断面欠挖，有的欠挖比例大于10%，最高欠挖比例达37%。由于欠挖值超过控制限值，阻碍了盾构空推，必须对欠挖部位进行凿除处理。

3.6 空推段质量监测技术

3.6.1 监测目的

通过对盾构空推过矿山法隧道进行施工监测，可掌握同步注浆、二次注浆的注浆效果，管片背后喷填豆石效果以及管片支顶对管片上浮的作用，以利于修正施工参数，确保施工质量。

3.6.2 监测仪器及点位布置

(1)监测仪器

本工程采用莱卡精密水准仪＋测微器FS1(精度0.3 mm)和铟钢尺对空推段管片姿态进行测量。

(2)点位布置

隧道沉降(上浮)测量时，观测点的标志设置在隧道拱顶和左右两侧，每环管片设置3个沉降(上浮)观测点，通过稳定的工作点来测定观测点的沉降(上浮)，而工作点再应用水准基点来做检测。

3.6.3 监测频率

当监测断面与掘进面的距离小于20 m时，每天测量一次；当监测断面与掘进面的距离大于20 m且小于50 m时，每两天测量一次；当监测断面与掘进面的距离大于50 m时，每周测量一次。

管片姿态水平方向和垂直方向的控制值均为50 mm。当监测值超过控制值时，除了继续加强监测、观察、检查和处理外，应根据预警状态的特点进一步完善针对该方案的预警方案，同时根据工地现场会议及专项会议要求执行。

3.6.4 左线空推段监测结果

(1)管片水平偏移量

左线空推段管片水平偏移量监测结果见图8a。左线空推段从672环到788环，共117环。其中，有59环管片向右偏移，最大偏移量为115.65 mm；58环管片向左偏移，最大偏移量为113.06 mm。

(2)管片垂直偏移量

左线空推段管片垂直偏移量监测结果见图8b。左线空推段从672环到788环，共117环。其中，有2环管片上浮，最大上浮量为5.69 mm；115环管片下沉，最大下沉量为206.29 mm。

图8 左线空推段管片水平、垂直偏移量

监测结果显示:水平方向上，空推段管片主要向右偏移；垂直方向上，管片主要表现为下沉，部分管片上浮。

4 结语

目前，本项目的盾构空推过矿山法隧道已顺利实施完成，效果良好，实践表明:

(1)采用50 cm厚C25混凝土G20@150双排玻璃纤维筋临时封闭掌子面，回填施作11 m长C15素混凝土，盾构机到达时，使用刀盘开挖素混凝土并组装管片，这种方式防止盾构与矿山法隧道接口处管片错台。

(2)盾构空推过矿山法隧道时，需要严格控制盾构机推进速度在15～40 mm/min之间，同时加强同步注浆和二次注浆。

(3)当管片脱离盾尾时，管片由喷射豆石支撑，增加了盾构前移摩擦力，防止了管片下沉和错台。

(4)为防止空推时管片上浮或下沉，待管片拼装完成后，在管片吊装孔处安装支顶。

(5)针对矿山法隧道初支断面欠挖易导致盾构机空推困难这一难题，采用三维激光扫描检测技术，快速确定了欠挖部分需二次开挖凿除的隧道断面部分，节约了本次空推过隧作业时间。