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：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、、、、等城市地铁建设中得到广泛应用。目前国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。
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，极拓展了盾构法施工的适用围。
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 硬岩段开挖完后盾构到达 碴土清理及刀盘防护 交接面至导台间砼浇注 盾构推进至导向平台 拼装管片 吹填豆砾石(米石) NO 一般段盾构法施工 豆砾石吹填效果检查 YES 盾构空载推进 盾尾同步注浆 NO 每4环检查注浆效果 YES …………. 盾构通过硬岩段 后期补充注浆 施工结束 补充注浆 图1 施工工艺流程图 同步注浆回填管片钢筋混凝土吹米石与同步注浆回填200270030030030027006500钢筋混凝土管片隧道中线到达段25盾构法施工段接收段3盾构通过段（硬岩段）矿山法开挖管片衬砌施工段 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°围的半径加大到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°围设置半径为3150mm厚度150mm的弧形混凝土导向平台，导向平台顶部铺设φ10200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150～200m，对盾构隧道和硬岩隧道洞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 1 2 3 4
表2 贯通前3环掘进参数表
编号 1 2 3 4 项 目 土仓压力 刀盘转速 推 力 推进速度 参 数 敞开式 1.60～1.75r/min ≤600T ≤10mm/min 适 用 围 贯通前最后3环 项 目 土仓压力 刀盘转速 推 力 推进速度 参 数 1.2～1.4bar 1.65～1.85r/min ≤800T ≤25mm/min 适 用 围 隧道贯通前25m
3、盾构进入接收段后的工作
盾构进入接收段后，主要有以下三方面的工作： (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15～40mm/min之间，工艺熟练后推进速度可达到60～85mm/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（R＝1800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。经计算，每推进一环的管片所发生的偏转角α＝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，围堰围不小于60°～300°，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5～10mm的米石骨料，喷射压力为0.25～0.3MPa。第二步，在管片拼装完成并脱出盾尾后，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。 3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6.98m，喷射米石填充孔隙的360～70%，则每环管片需喷射米石约4.5～5m。 图4 喷射米石回填示意图 (2) 盾尾同步注浆 ① 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。 ② 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。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0.05～0.08MPa。
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3
6m）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。
③ 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，决定是否进行补充注浆。
(3) 补充注浆
① 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，避顶块位置。
盾构法隧道硬岩段矿山法开挖管片衬砌施工工法
