摘要盾构通过矿山法隧道段在盾构工法中施工难度最大,尤其是在始发阶段施工技术要求更高。文章以广州地铁五号线区杨盾构区间盾构通过40m长的矿山法隧道为例,介绍了盾构通过矿山法隧道的施工关键技术及其成功经验,对今后类似工程施工具有一定的指导意义。关键词矿山法隧道盾构机关键技术
1工程概况
广州地铁五号线区庄站—动物园站—杨箕站区间隧道盾构工程双线总长3854m,分别由两台盾构机从杨箕站盾构竖井始发,经过动物园站过站,最后到达区庄站盾构机解体吊出。由于地铁五号线两条区间隧道下穿正在运行的一号线杨箕站,并且一号线杨箕站主体围护结构桩侵入五号线区间隧道,一号线车站下的区间隧道需要采用矿山法施工,以便凿除侵限桩。因此这段隧道采用了“矿山法开挖、盾构法衬砌”的施工工法。两台盾构机在始发时要通过各40m长的矿山法施工隧道,然后开始正常掘进施工。
该段隧道结构采用复合衬砌,初期衬砌采用喷混凝土、钢筋网、格栅钢架和超前小导管等组成支护体系;二次衬砌采用钢筋混凝土管片。隧道初期衬砌后直径为6400mm,管片外径为6000mm、内径为5400m,管片宽度为1200mm、厚度为300mm,每环6块错缝拼装,衬砌环采用通用环组合形式。为了保证矿山法隧道端头墙的安全,隧道端墙全断面采用C25素混凝土封堵,喷射厚度为150mm,然后浇注1m厚C25素混凝土封堵端墙,以防止端墙暴露时间过长出现塌方。
2施工关键技术
2.1导台施工
矿山法隧道施工完成后,在隧道底部施工一导向平台。导台支撑着盾构机并为盾构机前进起导向作用,盾构机在导台上空载推进并拼装管片。
导台采用C30素混凝土施工,高度为150mm。由于盾构机刀盘外径为6280mm,刀盘顶部与隧道壁只有70mm间距,因此矿山法隧道严禁欠挖,同时导台的高度和轴线必须控制在设计允许的误差范围内。导台断面弧长与隧道中心夹角为60°,以保证盾体与导台有足够的接触面;导台弧面施工必须满足设计要求,使盾体与导台保持均匀接触。导台施工如图1所示。导台起点从洞门开始,一直至隧道端墙前方,导台与端墙之间预留1m长的缺口,使盾构机刀盘在缺口处顺利旋转并切入端墙。
2.2刀盘部分刀具拆卸
由于盾构机刀盘外径比盾体外径大,在盾构机从始发托架上进入导台前,卸掉刀盘与导台面接触的边缘刀具,避免盾构机在导台上前进时刀具将导台混凝土刮起,破坏导台。在刀盘到达端墙前预留缺口时,重新安装所卸的刀具。
2.3盾构机姿态控制
由于盾构机在导台上前进阻力很小,并且导台已经确定了盾构机的前进方向,为了确保盾构机沿导台轴线前进不偏离导台,并在导台上保持正确的姿态,在盾构机推进时采用交叉使用竖直位置(A、C)和水平位置(B、D)两组推进油缸向前推进。具体操作时使用水平两组油缸推进30cm时,停止推进并收缩油缸;再使用垂直两组油缸推进30cm后,停止并收缩油缸,不停地交叉使用。图2是盾构机推进油缸分区示意图。
由于该段隧道水平曲线是曲线半径R=300m的缓和曲线,竖曲线仅是2‰的下坡,并因盾构机自重等原因,使用竖直位两组油缸推进时不保持油缸行程差,使用水平位两组油缸时保持5cm左右的行程差。同时在盾构机推进过程中,通过测量复核盾构机轴线与导台轴线误差,并根据误差调整铰接油缸和推进油缸的行程差,保证盾构机在导台上的良好姿态,使盾构机沿导台轴线往前推进。2.4管片错台及其凹凸现象控制
管片在盾尾拼装完成后盾构机推进下一环,通过推进油缸行程确定在每环管片的二次注浆孔全部脱离盾尾后和该环管片没有完全脱离盾尾前(盾尾与管片相对位置如图3所示),由二次注浆孔向管片背后喷射豆砾石,填充管片与隧道初期衬砌之间的间隙。填充的顺序是先下部后上部,首先填充导台,然后填充左右两侧,最后填充隧道上部。导台上的注浆孔填满豆砾石(不安装支顶)、其它注浆孔填充一定数量的豆砾石后,安装钢质复合牙灌浆孔支顶(豆砾石未堵住注浆孔,支顶能顺利安装),支顶棒端部顶住矿山法隧道壁,另一端通过支顶棒螺栓固定在二次注浆孔内。安装一个支顶后,再往上一个注浆孔喷射豆砾石,同样填充一定数量的豆砾石后再安装支顶,逐渐往上直至隧道顶部。钢质复合牙灌浆孔支顶结构和管片支顶安装分别如图4和图5所示。因隧道内运输设备、盾构机后配套台车的重量和管片自重等原因,安装在隧道侧下部的支顶受力最大,安装在隧道两侧水平位置的支顶受力较大,安装在隧道上部的支顶受力最小。因此将支顶棒长度设计为三种,最短的安装在隧道侧下部,较长的安装在隧道两侧,最长的安装在隧道上部。每种支顶棒长度根据管片的厚度、二次注浆孔螺纹长度和管片与隧道初期衬砌间距确定,确保每个支顶安装后都能对管片进行较好的支撑。由于管片二次注浆孔有效直径为32mm,需要对豆砾石进行严格筛选,防止喷射时堵塞注浆孔,影响喷射速度和效果。施工前,可以在地面上进行豆砾石喷射演示。将单块管片侧放,打通注浆孔,利用喷锚机通过注浆孔喷射豆砾石,检验喷射效果(在管片预制时可以将二次注浆孔有效直径增大到50mm,喷射豆砾石效果更好)。
整环管片豆砾石填充结束后,利用盾构机四个注浆孔进行少量的同步注浆。浆液采用水泥砂浆,将已填充的豆砾石密实固化,使衬砌管片与初期衬砌之间密贴,提高支护效果。在进行同步注浆时严格控制注浆量,否则浆液将通过盾体外的间隙流入土舱内。同步注浆完成后,盾构机继续往前进行下一环推进。
管片背后回填采用了喷射豆砾石和盾尾同步注浆相结合的方式,通过安装钢质复合牙灌浆孔支顶在管片完全脱离盾尾后对整环管片进行了较好的支撑,有效地防止了管片完全脱离盾尾后管片下沉产生的错台,以及隧道两侧管片向外扩张而产生的凹凸现象。
2.5刀盘切入端墙方法和防止盾构机“磕头”措施
在盾构机刀盘靠近端墙时,检查并清理刀盘与端墙之间的杂物,为盾构机刀盘切入端墙作准备。由于盾体与隧道初期衬砌之间有一定的空隙,盾体周围没有土体包裹,盾体旋转仅受导台的阻力,因导台阻力很小,导致刀盘切削端墙时盾体旋转角度很大。因此需要保持刀盘低速旋转,并不停地改变刀盘转动方向,让其慢慢地切入端墙,防止盾体旋转角度过大。当盾体全部进入土体后,因盾体被周围土体完全包裹,土体对盾体旋转产生较大的摩擦阻力,盾体转角明显减小,盾构机即处于正常掘进状态。
在刀盘切入端墙过程中,因盾构机自重等原因,盾构机容易出现“磕头”现象。为了防止“磕头”现象的产生,推进过程中应加强盾构姿态的控制,利用调整推进油缸的编组进行纠偏。
2.6增大盾构机总推力压紧管片
由于盾构机在导台上前进阻力很小,盾构机总推力很小,推进油缸不能有效地压紧管片,造成止水条压缩量不足,管片环向接缝容易漏水。由于矿山法隧道总长只有40m,虽然管片背后已填充豆砾石,但管片在沿隧道轴向移动时阻力较小,所以决定采用增大盾构机总推力来重新压紧管片。
在盾体全部进入土体后,转动刀盘,减小推进速度或停止推进,加大所有推进油缸的油压,增加盾构机总推力,使其达到2000t及以上,压紧矿山法隧道内已拼装的管片。保持这个总推力再一次紧固所有的管片螺栓,防止因管片止水条压缩量不足而出现漏水现象。
实际施工中,上述方法压紧管片效果明显,但在压紧过程中要注意观察每环管片受压情况,防止因盾构机总推力过大而将管片压损压裂。
2.7进行二次注浆
在盾体完全进入土体后,矿山法隧道初期衬砌与管片之间的空隙两端头被完全封闭,一端被土体封闭,另一端被洞门压板和洞帘封闭。因此从洞门第一环开始逐环对所有的管片进行二次注浆,将管片背后间隙再次填充密实。对管片进行注浆时,管片受到浆液较大的浮力,管片有明显的上浮趋势,但由于每环管片上部都安装了支顶,有效地阻止了管片的上浮,管片上浮现象得到了有效的控制。二次注浆结束后,对注浆前后整个隧道的中心高程进行测量和比较,管片最大上浮量仅为1.5mm。
2.8支顶回收
在二次注浆浆液完全凝固后,管片背后已被浆液和豆砾石等混合物完全密实包裹并支撑着管片,复合牙灌浆孔支顶对支撑管片已不起作用,此时将隧道内支撑管片的支顶全部从二次注浆孔拧出,管片不会发生位移和变形,卸掉全部支顶进行回收,以便今后再次使用(少部支顶因受较大的阻力或被卡住而无法拧出)。
3结束语
盾构法施工中,盾构机姿态、管片拼装质量和管片背后注浆效果决定了盾构隧道的最终成洞质量,因此盾构通过矿山法施工隧道段关键技术是导台施工质量、盾构机在导台上姿态、管片拼装质量、管片压紧程度和管片背后填充效果等,做好上述各项质量控制点,盾构通过矿山法隧道质量就得到了有效控制。该段隧道施工结束后,对管片错台和隧道中心线进行了测量和复核,管片错台、隧道椭圆度和隧道中心线完全满足盾构隧道规范要求。管片块与块之间的最大错台量为5mm,环与环之间最大错台量为8mm;隧道的断面水平直径和垂直直径最大差值仅为9mm,椭圆度为2‰D(小于5‰D);隧道中心高程最大偏差为8mm,水平偏差最大6mm;隧道无漏水点,管片表面无湿渍,隧道防水等级达到一级标准,隧道质量达到优良。