盾构空推过矿山法地铁隧道施工管片上浮控制技术探讨

盾构空推过矿山法地铁隧道施工管片上浮控制技术探讨

林玉曼

深圳市地铁集团有限公司

摘要：地铁隧道盾构空推过矿山法隧道施工过程中，会遇管片上浮问题。本文结合笔者多年的工作实践经验，对盾构空推过矿山法地铁隧道施工管片上浮控制技术进行了分析探讨，以期望效防止偏压造成管片上浮。

关键词：盾构；空推；矿山法；管片上浮

1.前言

地铁隧道盾构空推过矿山法隧道施工过程中，会遇管片上浮问题。在国内有盾构空推过矿山法隧道施工的研究报道，也公开过在矿山法隧道上端设置一个或多个限位物以限制管片上浮问题。深圳地铁本号线施工中，为解决盾构空推管片上浮的难题，依托车站矿山法段左线和右线进行了针对性研究，采用于隧道断面10点至2点位置管片注浆孔内除特制螺杆支撑外，同时采用塞入浆液袋（直径35cm～40cm），向浆液袋内注入水泥水玻璃双液浆形成固结体，将管片与初支空隙局部填充，有效抑制管片上浮的施工技术。

2.工艺原理

首先对硬岩段采用临时竖井和矿山法开挖，并进行初期支护。然后对盾构与矿山法段分界端头墙进行加固处理，矿山法段施工混凝土导台作为盾构前进导向，回填豆砾石。在空推过程中，由刀盘前方回填的豆砾石为盾构机提供反力，保证管片拼装止水条防水质量；同时采用盾构机同步注浆系统对管片背后空隙进行充填，用管片固定螺杆及浆液袋对管片进行加固，空推拼装管片过后，进行二次补注浆，确保施工质量。

3.1-1盾构机空推过暗挖段施工流程图

3.2操作要点

3.2.1施工准备。矿山法开挖完成初期支护后，在隧道底部60°范围内施工钢筋砼导台，衬砌断面钢筋砼导台的内径R=3150mm，外径R=3300mm；钢筋砼导台的中心线与隧道中心线重合，且钢筋砼导台对称于隧道中心线。为了方便盾构空推完后，能顺利安装39#和40#刀具的安装，大里程方向盾构与矿山分界段端头预留80cm长不施工导台，钢筋砼导台示意图如图3.2.1-1。

3.2.1-1衬砌断面钢筋砼导台示意图

3.2.2矿山法隧道施工验收。隧道初期支护、盾构导台施工完成后，对隧道的中线和高程、超挖值、喷射混凝土质量等进行验收，特别是对隧道断面进行一次复核测量，确保盾构空推的净空限界。每隔10m进行一个断面测量，每个断面测量10个点。针对矿山法隧道欠挖情况处，进行加密测量，且欠挖处一律作凿除处理；超挖150mm以上，面积1m2以上处，作复喷混凝土回填处理。

3.2.3隧道内堆填豆砾石。隧道采用盾构法+矿山法结合施工工法，由于矿山法施工完成后，盾构过境采用空推工况下进行管片拼装，盾构正面无土压力作用，易造成环管片环缝间隙较大，粘贴在管片上的三元乙丙橡胶止水条达不到一定的压缩量，隧道防水效果不佳。为确保盾构管片防水质量，在矿山法隧道施工完成后盾构过矿山法段前在隧道内堆放豆粒石，以提供盾构推进时的反力。由于隧道是矿山法先行开挖支护后，在刀盘前方回填豆粒石以提供反力，所以按全部豆粒石压力作用于刀盘面板上，并且在矿山法开挖支护后基本上无水作用于盾体，不考虑水压力作用。刀盘前方堆豆粒石按矿山与盾构分界里程至前方15m全断面和10m半断面总共25米，堆载可行性按刀盘前方全断面堆载15m，下半断面堆载10m进行计算。（1）推进时砼导台对盾构机的摩擦阻力。F1=μ摩?WgWg-盾构及附属物总重μ摩-摩擦系数（2）回填土受到的摩擦阻力。F2=μ摩?（πD2/4）?L?γ石?K；L-回填豆粒石的长度，全断面15m，半断面10m，故折算成全断面共20m；K-松散系数γ石容重。（3）盾构支撑土体所受的轴向阻力；F3=S盾构面积?P盾构中心土压Kg-土的侧压力系数。（4）盾尾刷与管片之间的摩擦阻力（以2环管片计算）。F4=μ磨?2W管每环管片W管取200KN。（5）后部拖车的牵引阻力。F5=μ磨?W拖；因此，可计算出盾构机掘进时堆土所提供盾构反作用力。当反作用力>止水条挤压力时，前方堆载满足止水效果要求。盾构机导台施工完成并达到设计强度的90%之后，暗挖空推段隧道25m范围内完成豆砾石的回填。

3.2.4空推施工。隧道内堆豆砾石确认无误后，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10～25mm/min之间。盾构机推动回填的豆砾石，豆砾石在刀盘前逐渐形成密实的土柱，封闭刀盘位置隧道横断面，盾构机达到正常推进模式。管片与已开挖成型隧道间由豆砾石充填，同时开启同步注浆进行止水、土仓内全部填满豆砾石，当压力（1号位置达到0.8bar）或推力达到800t，可开启螺旋输送机适当进行出渣作业。但要控制出渣量，掘进过程中，仓内不加气压和泡沫。暗挖空推段隧道支护结构示意图3.2.4-1。

3.2.4-1空推段隧道断面图

豆粒石回填密封刀盘前方断面，充填盾体与暗挖初期支护间的间隙，盾构机向前推进，管片拼装和同步注浆与正常掘进下一样，管片止水条密封良好。

3.2.5管片拼装。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并结合盾构姿态选择合适的管片拼装点位。在安装每一片管片时，先将每个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；待管片脱出盾尾之后，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60bar。

3.2.6管片背后注浆。管片背后回填采用同步注浆和二次注浆相结合的方式进行。首先是盾构掘进时，在盾尾退后第3环的管片上开孔，利用双液注浆机压注双液浆来进行同步注浆，为控制注浆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。注浆压力不大于1bar，注浆量每环约3方，注浆点位以3、9点为宜，可根据现场实际工况进行调整，且以固结管片底部防止其上浮为主，使管片与初支间紧密接触，以提高支护效果。注浆过程中配合以测量队的现场管片测量为指导，发现有注浆过程中造成管片上浮，应立即停止同步注浆，待浆液凝固后开启检查孔，检查其凝固后方可继续进行注浆。注浆材料采用双液浆即：水玻璃+水泥浆。浆液配比：水泥浆水灰比为1：1；水玻璃与水按1：1.5进行稀释。注入时浆液与水玻璃体积比为水泥浆：水玻璃=4：1。浆液配比可根据现场实际情况进行修改。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，确定是否需要补充注浆固结。

3.2.7管片上浮控制。（1）在盾构机过空推段隔环采用特制螺杆支撑对管片注浆孔进行支撑加固，通过打穿吊装孔，安装700mm长的Φ30mm的螺杆，一端顶在矿山法隧道初支上，将其另一端固定在管片吊装孔上（螺杆焊接的丝扣与管片吊装孔预埋件丝扣匹配）。特制螺杆：长度700mm，直径30mm圆钢，并在一端焊接与管片吊装孔匹配的螺纹连接头。特制螺杆安装：管片脱出盾尾后，在10点、2点以上位置对称安装，每环2根，与浆液袋配合使用，隔环应用。浆液袋注浆充填密实并达到强度后拆除螺杆。（2）隔环打通隧道断面10点至2点位置处的注浆孔，在打通的管片注浆孔内塞入浆液袋（直径35cm～40cm），结合断面测量数据，向浆液袋内注入水泥-水玻璃双液浆形成固结体，将管片与初支空隙局部填充，有效抑制管片上浮。布袋采用具有一定强度和弹性的布料加工而成，布袋为直径350-400mm的圆球状，并留有直径35mm的注浆段，注浆段长度为400mm，整个布袋呈葫芦状。注浆时机：管片脱出盾尾后即可在10点、2点位置范围内，通过管片注浆孔将布袋塞至管片与初支间，并用注浆头将浆液袋注浆段与管片注浆孔严实，并向布袋内加注水泥-水玻璃双液浆，根据注浆流速、时间，且待注浆机有压力后证明浆液袋已注满，即停止注浆。双液浆配比：水泥浆水灰比为1：1；水玻璃与水按1：1.5进行稀释，现场根据实际情况调节浆液凝结时间至35-50秒。（3）特制螺杆和浆液袋施工时机：管片脱出盾尾后即进行浆液袋与支撑螺杆隔环在10点-2点位置施工，掘进同时进行同步注浆，并对脱出盾尾后的4-6环进行二次注浆。（4）排水，在管片背后同步注浆浆液凝固后，为防止渗透到矿山法隧道内的地下水造成管片上浮，在隧道5点至7点位置打通二次注浆孔进行排水，同时进行管片壁后二次注浆，待注浆充填密实并达到强度后封堵二次注浆孔。（5）跟踪测量管片姿态，及时反馈监测数据，根据管片姿态每日变化趋势，做好管片上浮数据的控制。

4.具体的质量控制措施

4.1管片防水（1）管片防水使用遇水膨胀橡胶止水条，保证盾构向前推进的推力满足管片防水要求，不出现因止水条挤压不紧而造成的管片漏水现象。（2）为保证管片的防水效果，加强遇水膨胀止水条粘结质量和保护的控制。

4.2管片错台（1）在暗挖段的过渡段，导台根据盾构机的切口环的位置与理论的线路的相对位置进行顺接，在过渡段加强管片选型与管片姿态调整，使隧道在此位置不会产生大的错台。（2）盾构机在掘进过程中，由于刀盘的支撑，在盾构机前体与管片之间形成一个类似于简支梁的结构，当盾构机推力不足时，必然会因盾构机的自重作用，盾构机主机后部悬空部分必然会产生下沉，从而导致管片产生错台。当盾构机在暗挖段向前推进时，由于过渡段导台的作用，在通过过渡段之后，盾构机的前体、中体以及盾尾的盾壳必然与导台紧密接触，只要管片选型合适，注浆压力控制不超过1bar，就不会产生超过规范规定的错台。故做好管片选型和注浆压力控制工作。（3）盾构步进时提高背后同步注浆，同时通过试验调整浆液配合比，确保初凝时间在2小时以内，保证管片下部有足够的抗力。在必要时，缩短回填注浆工作面与管片安装工作面的距离，甚至在脱出盾尾处管片直接进行回填注浆。

4.3防止管片的上浮（1）为防止管片在盾构步进后产生上浮，在施工过程中，管片背后注浆只从管片上部进行压注，注意注浆压力不大于1bar，同时注浆尽量从管片的大跨以上进行注浆，保证管片两侧同步注浆，避免因注浆而对管片产生偏压，造成管片移位。及时进行管片姿态人工测量，要求每3～5环进行一次管片姿态测量。（2）为进一步控制管片的上浮，空推段的管片隔环在管片的10、2点以上位置设置管片支撑螺杆，支撑螺杆通过管片吊装孔伸出至管片背后，外侧顶住矿山初支，内侧螺纹和吊装孔螺纹相拧合起到对管片的支持作用，在一定程度上减小管片的上浮，见图4.3-1。

4.3-1支撑螺杆使用示意图

4.4其它注意事项。（1）盾构空推过程中，严格按技术交底执行，记录清晰、准确，确保管片的上浮和侧移在允许偏差内。（2）跟踪测量管片姿态，及时反馈监测数据，分析管片姿态每日变化趋势，研究是否还存在管片上浮问题。（3）在回填和注浆期间，严格按照施工方法和步骤进行回填和注浆施工。（4）加强注浆袋注浆管理，根据试验和测量数据合理控制。（5）加强管片注浆管理，保证管片上部圆曲线外侧的管片空隙被浆液填充密实。

5.结束语

本工程矿山法区间左线线设计里程：DK16+285.394～DK16+760，全474.6m，右线设计里程：DK16+304～DK16+590，全长286m。在暗挖隧道盾构机通过段，采用矿山法施工完成开挖及支护、施作导台及隧道内堆土之后，盾构机步进、拼装管片通过。为保证盾构机能安全顺利通过，同时满足设计和规范要求，在2014年9月到11月期间，本工程通过采用特制螺杆支撑和注浆孔内塞入浆液袋，向浆液袋内注入水泥水玻璃双液浆形成固结体，将管片与初支空隙局部填充，有效抑制了管片上浮，隧道轴线满足设计规范要求。