・隧道／地下工程・ 盾构空推过矿山法隧道新工艺 李剑明 （中铁六局集团盾构分公司，北京１０００３６） 摘 要：结合深圳地铁２号线某工程实例，介绍城市地铁盾构施工遭遇极硬岩、孤石群或上软下硬地层时采用的矿 山法开挖并施工隧道初期支护，然后再利用盾构空推拼装管片通过矿山法隧道的特殊工法。对比传统空推工艺及 辅助措施，详细介绍盾构机由盾构隧道步入矿山法隧道时通过在靠近盾构隧道的矿山法隧道内堆填豆粒石减少接 口段加固工作量，改进导轨结构方便施工，盾构在导轨上空推过矿山法隧道等工艺细部处理措施的改进及本工程 所取得的的实际效果。总结新工艺在成型隧道产品质量、施工成本、进度控制及施工作业环境等方面优于传统 工艺。 关键词：地铁隧道；盾构法；空推；导轨；豆粒石 中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—２９５４（２０１１）１ｌ一００９３—０４ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｐｕｓｈｉｎｇ ａｎ Ｅｍｐｔｙ Ｓｈｉｅｌｄ Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ Ｍｉｎｉｎｇ Ｅｘｃａｖａｔｅｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｌｉ Ｊｉａｎｍｉｎｇ （Ｓｈｉｅｌｄ Ｂｒａｎｃｈ，Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ ６ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｉｔｉｎｇ ａ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ｍｅｔｒｏ Ｌｉｎｅ ２ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｗｈｅｎ ｓｈｉｅｌｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｈａｒｄ ｒｏｃｋｓ，ｂｏｕｌｄｅｒｓ，ｏｒ ａ ｇｒｏｕｐ ｏｆ ｈａｒｄ ｓｔｒａｔａ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｏｎｅｓ，ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ，ｔｈｅｎ ｅｍｐｔｙ ｓｈｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ｓｅｇｍｅｎｔｓ ｗａｓ ｄｒｉｖｅｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｔｕｎｎｅ１．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｈｉｅｌｄ ｐｕｓｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ ｂｅａｎ ｓｔｏｎｅｓ ｗｅｒｅ ｆｉｌｌｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ；ｇｕｉｄｅ ｒａｉｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｐｕｓｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｎｅｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｔｕｎｎｅｌ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｓｔ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅ ｒａｔｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｅｔｒｏ ｔｕｎｎｅｌ；Ｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ；Ｅｍｐｔｙ—ｐｕｓｈ；Ｇｕｉｄｅ ｒａｉｌ；Ｂｅａｎ ｓｔｏｎｅｓ １ 概述 了类似问题，但在盾构空推过矿山法隧道施工过程中 采用了在刀盘前方堆填豆粒石，空推过程中通过盾构 盾构掘进机依靠旋转刀盘上预装的刀具对土体进 机上的注浆系统进行注浆的新工艺，取得了较传统工 行碾压、切削，在掘进过程中不可避免的存在磨损。当 艺更好的效果。结合该工程实施情况阐述这一新工 遭遇极硬岩、孤石群或上软下硬等风险段时，将加速刀 艺，为地铁类似工况施工提供一定技术支持。 具磨耗，甚至出现偏磨、崩裂等非正常磨损，更有甚者 ２ 工程概况 可能出现掘进姿态难以控制、地面坍塌等问题。广深 地区作为复合地层的典型代表已经出现了十数起类似 深圳地铁２号线某盾构区间地质补勘钻孑Ｌ揭示隧 案例。设计上越来越多的采用矿山法先行开挖隧道通 道距离吊出井约２００ ｍ处开挖限界内存在大量孤石， 过风险段，然后再盾构机空推过境的方案。传统的空 且局部基岩隆起，长度近２０ ｍ。为降低施工风险，加 推工艺是在盾构空推的同时从刀盘前方喷射豆粒石充 快施工进度，将ＹＤＫ１４＋０１５～ＹＤＫ１４＋２３７．８５段约 填管片与矿山法隧道初支间隙并从管片内部进行注浆 ２４４ ｍ改为矿山法开挖＋锚喷初支＋管片衬砌的复合施 稳固。深圳地铁２号线某盾构标段，施工过程中遇到 工方法。即对补勘揭示的风险区至盾构吊出井段在盾 构到达前采用矿山法开挖并施作隧道初期支护，盾构 收稿日期：２０１１—０５—１９；修回日期：２０１１—０９—０８ 作者简介：李剑明（１９８２一），男，工程师，２００５年毕业于西南交通大学 机掘进通过矿山法隧道与盾构隧道分界里程进入矿山 工学学士．Ｅ—ｍａｉｌ：ａｌｂｅｒｔｍｉｎｇ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｒｎ。 法隧道，然后再利用盾构拼装管片空推通过矿山法隧 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２０１ｊ（“） ９３ 隧道／地下工程・ ・李剑明一盾构空推过矿山法隧道新工艺 （３）推进完一个行程后在刀盘前方焊接挡块提供 反力，拼装管片。 道。空推的同时由盾构机拼装管片，管片与初支之间 的空隙采用粒径小于１３ ｍｍ的碎石（细石）填充，并通 过水泥浆液固结形成填充层，最终由填充体和管片共 同构成矿山法隧道的二衬。 ３传统空推施工工艺 ３．１ 接口段加固 （４）通过特殊的支顶对脱出盾尾的管片进行支撑 和调整，每５环焊接纵向型钢连接件，保证成型隧道管 片质量。 ３．３．１ 管片支顶 由于管片与初支面间空隙较大，为防止管片脱出 盾尾后下沉及整环不成圆现象，在管片生产时吊装孑Ｌ 预埋件加长至管片底部，管片脱出盾尾后立即用专门 加工的支顶（图３）穿过吊装孔支撑在初支结构上，对 传统的盾构空推过矿山法隧道施工，在矿山法隧 道初支完成后，首先需要在靠近盾构隧道与矿山法隧 道接口处施工端头墙及类似盾构接收端的环板、帘布 等密封系统，并根据地质情况对端头墙前后接口段进 行不少于１１ ｍ的地层加固，剖面示意如图１所示，确 保盾构机顺利由盾构隧道进入矿山法隧道。 Ｉ Ｊ 矿山法 盾构法 图１ 端头墙加固示意（单位：ｍｍ） ３．２ 导台施工 盾构机通过调节推进油缸分区推力进行姿态调 整。在完成的初支的矿山法隧道内推进极易撞上初支 结构，轻则卡住盾构机，重则可能导致隧道初支失效造 成重大安全事故。为保证盾构按设计线路推进，传统 的工艺必须施工弧形的盾构机推进导向平台，厚度一 般为１５０ ｍｍ，圆心与隧道同心。盾构空推导台如图 ２所示。 图２一钢筋混凝土导台示意（单位ｉｍｍ）番 ３．３ 盾构空推 盾构空推过矿山法隧道，其传统工法施工工艺如 下所述。 （１）盾构机由盾构隧道穿过端头墙上导台，进入 矿山法隧道。 （２）盾构机在导台上缓慢推进，同时通过刀盘周 边向管片背后喷射豆粒石。 ９４ 管片实行支撑，并可通过支顶上螺纹调节管片中心轴 线，支顶安装示意如图４所示，确保与隧道设计轴线一 致。每５环为１组，采用垫板连接件从环向螺栓引出， 焊接在型钢上，每个断面设置４根固定型钢，管片脱出 盾尾后，立即拧紧环向、环间螺栓，并及时通过管片环 间型钢连接措施连接，保证管片拼装质量。待管片背 后回填、注浆完成后，拆除连接型钢。 图３复合牙注浆孔支顶（钢质Ｊ结构（单位：ｍｍ） 图４支顶安装示意（单位：ｍｍ Ｊ ３．３．２喷射豆粒石 盾构机连续进行空推循环作业，在管片拼装的同 时不间断从刀盘前方向管片背后喷射豆粒石；再一次 紧固螺栓，由管片吊装孔（衬砌环１点或１１点）注入 双浆液，固结豆粒石稳定管片。 ４盾构空推新工艺 ４．１ 接口段处理 本工程实施过程中摒弃了传统的端头墙、密封系 统等工序。矿山法隧道接口段开挖分上下台阶进行， 上台阶开挖至分界里程后，喷射混凝土封闭掌子面，厚 度约１ ｍ，再开挖下台阶至分界里程，采用喷射混凝土 铁道标准设计ＲＡ儿ＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２０１ （ｊＪ） 李剑明～盾构空推过矿山法隧道新工艺 封闭掌子面。每５ ｍ一个断面检查矿山法隧道净空尺 寸和混凝土导轨施工质量满足要求后，由掌子面开始 堆填豆粒石（粒径≯１３ ｍｍ），堆填体长度约１５ ｍ，其中 靠近分界里程的前８ ｍ填塞至拱顶，其余部分形成坡 度。接口段处理如图５所示。采用此方法可以大大降 低对地层的加固要求，本工程（地层为花岗岩残积土） 施工过程中接口段地层除矿山法隧道开挖前进行超前 小导管注浆外，没有进行专门加固，盾构机仍然安全顺 利通过接口段驶入空推导轨。 一 图５接口段处理示意（单位：ｍ） ４．２ 导轨施工 传统的盾构空推导台一般为弧形，理论弧面与盾 构护盾拟合。但是实际操作中１５ ｃｍ厚的薄壳弧形结 构高程和精度都难以保证，为此在施工过程中，将传统 的弧形导台改为２条混凝土导轨。施工难度大大降 低，进度快，精度易于保证。混凝土导轨如图６所示。 图６盾构空推导轨 ４．３ 盾构空推 ４．３．１ 推力计算 空推推力必须满足２个要求。 一是大于止水条的最小挤压力３ ０００ ｋＮ，以保证 隧道防水效果；二是推力不能过大，避免刮坏导轨，撞 上初支面出现安全问题。 由于隧道是采用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，计算时大致按全部松土 压力作用于刀盘面板上，并且在矿山法开挖支护后基 本上没有水作用于盾体。刀盘前方填豆粒石计算长度 大致折算为全断面堆填１０延长米，则盾构机的反作用 力计算如下。 （１）推进时混凝土导轨对盾构机的摩擦阻力 Ｆ１＝ 摩× ＝０．３×３ ４３０＝１ ０２９ ｋＮ 式中， 为盾构及附属物总重，３ ４３０ ｋＮ， 摩为摩 擦系数取０．３。 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２０１ｊ（Ｊｊ） ・隧道／地下工程・ （２）回填土受到的摩擦阻力 摩×（ ）×工×Ｋ× 土×ｇ＝ ０．３×（３．１４× ）×１０×０＿８３× １．８６×９．８：ｌ ３９１．７７ ｋＮ 式中， 为回填豆粒石的长度，取１０ ｍ；Ｋ为豆粒 石的松散系数，取０．８３；ｙ＋为豆粒石的容重，取 １８．６ ｋＮ／ｍ ；Ｄ为盾构机直径，６．２５ ｍ。 （３）盾构支撑土体所受的轴向阻力 ｓ×Ｐ＝（ ）ｘ ．＋×ｇ× Ｄ×Ｋ ＝ （ ） ８６ ８× × ０．３９＝６８１．２１ ｋＮ 式中，Ｓ为盾构机截面积；Ｐ为盾构中心土压力； Ｋ 为土的侧压力系数。 （４）盾尾刷与管片之间的摩擦阻力（以２环管片 计算） Ｆ４＝ 摩×２×１Ｖ管＝０．５ Ｘ ２×２００＝２００ ｋＮ 其中，摩擦系数 摩取０．５，每环管片重力 管取 ２００ ｋＮ。 （５）后配套台车的牵引阻力 Ｆ５＝ 摩Ｘ Ｗ拖＝０．５×１ ７００：８５０ ｋＮ 其中，摩擦系数 摩取０．５，后配套拖车重力 拖 取１ ７００ ｋＮ。 因此，土压平衡掘进时提供盾构反作用力总计为 Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４＋Ｆ５＝ １ ０２９＋１ ３９１．７７＋６８１．２１＋２００＋８５０＝ ４ １５１．９８ ｋＮ Ｆ＞止水条挤压力３ ０００ ｋＮ。故前方堆土满足止水 效果要求。 ４．３．２ 空推工艺 盾构机空推工艺流程如图７所示。 图７盾构机空推工艺流程 新工艺采用在刀盘前方堆填豆粒石（图８），除接 口段８ ｍ填塞至隧道拱顶，需要人工配合外，其余后续 部分均采用机械作业。豆粒石由吊出井地面直接倾倒 至井下，井下洞口配装载机１台负责将豆粒石铲运至 盾构机刀盘前方，此处配ＰＣ６０挖掘机Ｉ台负责堆填， ９５ 隧道／地下工程・ ・李剑明一盾构空推过矿山法隧道新工艺 盘前方堆填豆粒石且完全由机械施工。 （３）施工进度快，成本低 新工艺接口段不需要加固或是简单加固，可以大 大节省地层加固成本（深圳类似地层进出洞加固费用 至少在１００万元以上）。接口段往往只能从洞内进行 加固，新工艺在矿山法隧道开挖完成后直接进行空推 准备，可以节省时间至少在１个月以上。新工艺工序 循环连续紧密，盾构机内外两个工作面同步作业，不存 在交叉施工，安全、进度均有保障。本工程正常情况下 Ｅｔ进度在１０环以上，传统工艺喷射豆粒石速度慢效率 管片拼装 堆填高度尽可能高，本工程施工操作中基本能保证堆 填高度在４．５ ｎｌ以上。盾构空推过程中缓转刀盘不转 螺旋机（姿态出现明显变化或扭矩、推力明显偏大时 可少量出渣），盾构机内其余工作按掘进工序循环作 业。盾构机内同步注浆按正常掘进循环进行，实际注 浆量以保证刀盘前方无串浆为宜。刀盘前方堆填豆粒 石，保证刀盘前方豆粒石堆填高度高于４．５ ｍ的堆填 体的长度不少于５ ｍ。盾构机内推进、管片拼装、注浆 各工序操作不问断，机器内外推进和堆填豆粒石等辅 助工作同步进行。 豆粒石 低，每环都需要焊割挡块，焊接管片连接件，每日进度 不超过５环。 ６ 结语 通过采用此盾构空推新工艺，本工程盾构机顺利 图８盾构空推示意 完成了２００余ｍ的基岩及孤石区掘进，工程施工质 量、成本、工期、安全文明施工等都大大优于传统工艺。 ５新工艺的优势 在盾构施工过程中进行技术方案创新，工艺改良，并进 行了有益的实践，可以为处理类似问题提供借鉴。 参考文献： ［１］ 竺维彬，鞠世健，史海鸥．广州地铁３号线盾构隧道工程施工技术 研究［Ｍ］．广州：暨南大学出版社，２００７． （１）成型隧道管片拼装质量高 传统空推工艺需要人工从刀盘前方喷射豆粒石， 无法保证及时足量充填管片与初支面间的空隙；管片 拼装油缸推力不足，止水条挤压不密实，存在成型隧道 管片质量难以保证，普遍存在错台、漏水。相对于传统 空推工艺，新工艺实际操作中推力不低于４ ０００ ｋＮ；推 进的同时进行同步注浆、二次注浆衔接紧密；除管片顶 ［２］ 张凤祥，傅德明，杨国祥，等．盾构隧道施工手册［Ｍ］．北京：人民 交通出版社，２００５． ［３］ 王春河．盾构空推过矿山段施工方案探讨［Ｄ］．北京：中国矿业大 学，２０１０． ［４］ 张瑜．ＷＳＳ深孔注浆工法在矿山法区间下穿既有盾构区间中的 部约９０。范围无法充填满豆粒石外其余部分基本充 应用研究［Ｊ］．铁道标准设计，２０１１（５）． ［５］段志宏．水平深孔注浆在地铁盾构端头加固中的应用［Ｊ］．铁道标 准设计，２０１０（１０）． 满，成型隧道管片质量提高明显，本工程成品除部分姿 态变化较大段外基本看不出与正常掘进段的区别。 （２）工作环境好，劳动强度低 ［６］ 汪茂祥．盾构通过矿山法隧道施工隧道段关键技术［Ｊ］．现代隧道 技术，２００８（１）． ［７］ 石文广．简述盾构拼装管片过矿山法隧道施工［¨．山西建筑， ２００８，３４（３０）． 传统工艺除正常推进外，为管片拼装提供反力需 要在刀盘前方频繁焊割挡块，不间断从刀盘前方向管 片背后喷射豆粒石，为保证管片成型质量还需要安装 管片稳固连接件。新工艺除正常推进外，只需要在刀 （上接第９２页） ７ 结语 ［８］孙立功，等．广州地铁３号线盾构区间同步注浆施工技术［Ｊ］．铁 道标准设计，２０１０（１０）． ［３］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０２０３－－２００２铁路桥涵施工规范 ［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００２． ［４］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０００２．５—２ｏ０５铁路桥涵地基与基 础设计规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５． ［５］ 中国建筑科学研究院．ＪＧＪ１２０－－９９建筑基坑支护技术规程［Ｓ］． 北京：中国建筑工业出版社，１９９９． 深圳地铁３号线广深铁路桥桩基托换工程已经成 功实施完成，作为国内首个连续刚构桩基托换工程实 例，为今后类似的桩基托换工程积累了成功的经验，希 望能为工程同行提供一定的借鉴。 参考文献： ［１］ 北京城建设计研究总院．ＧＢ５０１５７－－２００３地铁设计规范［Ｓ］．北 京：中国计划出版社，２００３． ［６］ 中华人民共和国建设部．ＧＢ５０００７－－２００２建筑地基基础设计规 范［Ｓ］ 北京：中国建筑工业出版社，２００２． ［７］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０００２．３—２００５铁路桥涵钢筋混凝土 和预应力混凝土结构设计规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５． ［８］ 中铁二院工程集团有限责任公司．深圳市地铁３号线工程广深铁 路桥桩基托换工程设计施工图［Ｚ］．成都：中铁二院工程集团有 限责任公司，２００７． ［２］ 中华人民共和国铁道部．ＴＢＩＯ００２．２—２００５铁路桥梁钢结构设 计规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００５． ９６ 铁道标准设计ＲＡＩＬｗＡＹ ｓＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥｓＩＧＮ ２０１１ １１、
