专利名称：盾构空推过矿山法隧道施工方法
技术领域：
本发明涉及隧道施工技术领域，尤其是涉及一种盾构空推过矿山法隧道施工方法。
背景技术：
为确保盾构顺利推进，对极硬岩隧道采用矿山法进行先行开挖，后盾构空推拼装管片通过，俗称盾构空推，目前普遍采用的盾构空推过矿山法隧道施工方法推进完成一环后，停止掘进，在刀盘前方焊接提供反力的支撑，管片拼装完成后，通过刀盘前方往管片背后豆砾石，同时通过管片吊装孔往管片背后注浆，在下一环推进之前，在管片上通过多条型钢连接，确保管片止水条密贴。此工法的特点，在施工进度方面由于刀盘前方喷射豆砾石和洞内拉结管片的工作量大，其需要投入较多的人力，施工循环周期较长，施工进度缓慢； 在施工质量方面由于盾构推进过程中，刀盘前方没有提供反力的物体，管片容易松动，导致管片易错台和破损，且防水效果也不佳；在效益方面施工缓慢，投入的人力也较多，同步注浆量大，施工成本较高。目前地铁正加速网络化，隧道埋深也将不断加大，空推隧道长度也不断增加，工期相对都较紧，传统施工方法已不能满足我国地铁盾构长距离空推过矿山段隧道的施工需要。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种盾构空推过矿山法隧道施工方法，能为管片拼装提供足够支撑反力，保证达到良好止水效果；能防止管片上浮、下沉、错台与破损的施工方法；能提高盾构空推掘进效率、能减少人员投入、能降低施工成本的施工工艺。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下一种盾构空推过矿山法隧道施工方法，包括如下步骤
第一步、端头墙施工暗挖段施工完成后要对掘进到达和离开端头进行端头墙加固，防止地下水进入和确保暗挖段初期支护的稳定；
第二步、矿山法暗挖段导台施工矿山法隧道开挖完成初期支护后，在隧道底部60° 范围内施工钢筋混凝土导台，钢筋采用单层钢筋网，纵向钢筋直径IOmm间距200mm，横向钢筋直径8 mm间距200 mm，钢筋混凝土导台的内、外径根据所选用的盾构机直径确定，钢筋混凝土导台的中心线与隧道中心线重合，且钢筋混凝土导台对称于隧道中心线；钢筋混凝土导台的钢模板采用5mm钢板按照导台弧度预弯成型，焊接在肋板上；肋板采用8mm钢板按照模板弧度切割成30mm高度的钢条，环向焊接在模板上，间距1. 5m ；纵向采用三条30mm的方钢焊接在两边及中间，与肋板焊接成整体；上面采用三条50mm的钢管焊接成三角形，顶部用可调节的顶托支撑在隧道顶部进行加固，纵向按照:3m间距布置；
第三步、导台施工完成并达到设计强度后进行矿山法暗挖空推段堆填碎石施工；暗挖空推段隧道内进行全断面回填碎石，回填碎石长度为15m，在此范围外在隧道半断面内回填碎石，回填碎石长度为10m。
第四步、到达段盾构施工
在到达段采用敞开式模式进行盾构掘进，盾构机进入到达段时，首先逐步减小推力， 将推力控制在800T以内，降低推进速度，将推进速度控制在35mm/min以内，刀盘转速为 1. 7 1. 9r/min，盾构姿态垂直偏差不超过IOmm ；在贯通前的最后3环，进一步减小推力， 将推力控制在600T以内，降低推进速度，将推进速度控制在20mm/min以内，刀盘转速为 1. 6 1. 8r/min，盾构姿态垂直偏差不超过IOmm ；
每环按照设计方量进行同步注浆，在掘进拼装完成倒数第三环后，停止掘进，在倒数第 10环至倒数第6环进行二次注浆，确保连续五环全断面注满；
在到达矿山与盾构分界里程后每环掘进安装管片时，先将每片管片的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；待管片出盾尾之后，再用风动扳手进行紧固；
在拼装完实推最后一环时，开仓将两把铲刀及两把周边滚刀拆除； 第五步、盾构机步入导台施工盾构机前体步入导台，刀盘接触回填碎石断面后盾构机继续往前掘进，挤压碎石使其充填盾体与暗挖初期支护之间的间隙，同步注浆正常开启，并确保管片止水条密封良好直至盾构机机身全部步入导台；
第六步、盾构空推段施工当盾构机进入导台后，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，推进速度控制在35mm/min之内，同时启动同步注浆工作；管片与已开挖成型隧道间由回填小碎石充填，同时开启同步注浆，同步注浆采用水泥-水玻璃双液浆；当土仓内土压或推力达到800t时，开启螺旋输送机进行出土 ；
第七步、盾构二次始发盾构机到达矿山与盾构分界里程后，停止掘进，启动螺旋输送机将土仓内土全部出完，将原拆除的刀具安装就位后进入正常掘进状态；起始三环掘进推力控制在1200t以内，刀盘旋转速度控制在1. 6r/min以内，之后掘进采用正常掘进模式。与现有技术相比，本发明的有益效果是
(1)掘进效率方面在空推段提前堆填碎石，施工工期短。通过在刀盘前方堆填碎石， 一方面，为盾构掘进时提供反力，管片不再需要型钢固定；另一方面，管片背后充填大部分被碎石填充，工作量大幅减少，掘进效率高。(2)施工质量方面千斤顶能为管片拼装提供足够反力，一方面，止水条能密贴良好，防水效果优良；另一方面，管片能及时充填密实，管片拼装后不上浮、不存在破损和超限的错台。( 3 )经济效益方面一方面，作业人员大幅减少，管片背后注浆量减少，节约了施工成本；另一方面，掘进效率大幅提高，单位时间内生产产值高，经济效益良好。
具体实施例方式一种盾构长距离空推过矿山段隧道施工方法，包括如下步骤 第一步、端头墙施工
暗挖段施工完成后要对掘进到达和离开端头进行端头墙加固，防止地下水进入和确保暗挖段初期支护的稳定。端头墙施工根据工程材料、地质条件、经济情况可以采用多种施工方式，目前最常用的两种方式是玻璃纤维筋+喷射混凝土和素喷射混凝土两种玻璃纤维筋+喷射混凝土端头墙
(1)为保证盾构机从纯盾构段进入空推段时，暗挖段初期支护的稳定和防止地下水进入空推段，要对掘进到达和离开端头墙位置的初期支护进行加强，端头墙位置的初期支护采用三榀格栅密排的方式进行加固。(2)端头处采用玻璃纤维筋格栅。玻璃纤维筋格栅间距300mm，喷射C20混凝土， 厚度800mm，保护层厚度40mm。(3)水平放置的玻璃纤维筋格栅，随隧道端头最后两榀密排格栅钢架同步架设，且要求玻璃纤维筋格栅与钢格栅搭接部分至少采用12 #铅丝绑扎牢固，并采取适当辅助连接措施，确保玻璃纤维筋格栅伸入钢格栅长度不小于300mm，绑扎牢固的同时喷砼密实。掌子面开挖后立即初喷40mm，防止坍塌，且要求喷射混凝土与隧道最后三榀密排格栅的喷射混凝土同步施工，水平格栅及纤维筋网绑扎好后及时喷射砼。(4)喷射砼紧跟开挖工作面，混凝土终凝到下一循环作业时间，不应小于池。(5)钢筋网全断面设置单层玻璃纤维筋网，初喷40mmC20混凝土，挂直径为6mm玻璃纤维筋网。(6)端头处玻璃纤维筋格栅间距300mm，喷射C20混凝土，厚度800mm，保护层厚度 40mm ο素混凝土端头墙
(1)为保证盾构机从纯盾构段进入空推段时，暗挖段初期支护的稳定和防止地下水进入空推段，要对到达和离开空推段端头墙位置的初期支护进行加强，端头墙位置的初期支护采用三榀格栅密排的方式进行加固。(2)掌子面开挖后立即初喷40mm，防止坍塌，且要求全断面喷射混凝土与隧道最后七榀密排格栅的喷射混凝土同步施工，格栅架设完成后及时喷射砼。(3)喷射砼紧跟开挖工作面，混凝土终凝到下一循环作业时间，不应小于池。第二步、矿山法暗挖段导台施工 1、导台结构
矿山法隧道开挖完成初期支护后，在隧道底部60°范围内施工钢筋混凝土导台；钢筋采用单层钢筋网，纵向钢筋直径IOmm间距200mm，横向钢筋直径8 mm间距200 mm。钢筋混凝土导台的内、外径根据所选用的盾构机直径确定；钢筋混凝土导台的中心线与隧道中心线重合，且钢筋混凝土导台对称于隧道中心线。2、导台模板体系
导台钢模板采用5mm钢板按照导台弧度预弯成型，焊接在肋板上；肋板采用8mm钢板按照模板弧度切割成30mm高度的钢条，环向焊接在模板上，间距1. 5m ；纵向采用三条30mm的方钢焊接在两边及中间，与肋板焊接成整体；上面采用三条50mm的钢管焊接成三角形，顶部用可调节的顶托支撑在隧道顶部进行加固。纵向按照:3m间距布置。第三步、矿山法暗挖空推段堆填碎石施工
盾构机导台施工完成并达到设计强度后，暗挖空推段隧道内进行全断面回填碎石，回填碎石长度为15m，在此范围外在隧道半断面内回填碎石，回填碎石长度为10m。1、碎石回填目的
(1)给盾构机提供足够反力，推进千斤顶顶推管片使管片三元乙丙橡胶止水条密贴，达到良好止水效果。(2)在刀盘前方形成密闭堆载体，让盾构机形成正常推进的土压平衡模式。2、碎石回填施工
导台施工完成后，待砼强度达到设计强度后，在隧道内进行碎石回填施工，所需渣土从区间竖井向下投放至竖井底，通过汽车运输到预定施工地段，采用ZLC40装渣机进行堆填， 从盾构与暗挖分界点开始往竖井方向回填。刀盘前方隧道全断面范围内填碎石长度为15m， 然后隧道半断面范围内回填碎石长度为10m。在实际施工过程中，很难填满整个断面，只能尽可能满断面回填。3、碎石回填后对盾构机提供的反作用力计算 (1)推进时砼导台对盾构机的摩擦阻力Fl
Fl=U Wg，其中Wg为盾构及附属物总重，μ 为摩擦系数(采用盾构机在混凝土导台上推进时的滑动摩擦系数)。(2)回填碎石受到的摩擦阻力F2
F2=y摩· ( π D2/4) · γ石·Κ，其中D为碎石回填的直径；L为回填碎石的长度=全断面填碎石长度Ll (单位m) +半断面填碎石长度L2 (单位m) ；K为碎石的松散系数；Y 5 为碎石的容重，单位是t/m3，根据所选用的碎石确定。(3)盾构支撑碎石所受的轴向阻力F3
F3=S盾构面积· P盾构中心土压=(π D2/4) · L · γ石· Kg，其中Kg为碎石的侧压力系数。(4)盾尾刷与管片之间的摩擦阻力F4
F4=y棒,·η·Ιβ，其中μ ^为盾尾刷与管片之间的滑动摩擦系数，η为管片的环数， Ws为管片所受重力，根据隧道衬砌管片确定。(5)后部拖车的牵引阻力F5
F5=y摩"· Wffi，其中μ β 为后部拖车与轨道之间的滑动摩擦系数，Wffi为拖车所受重力，根据盾构机后部拖车确定。因此，盾构机空推掘进时所提供的反作用力总计为 F=F1+F2+F3+F4+F5
管片止水条需要挤压力计算
设单条管片三元乙丙橡胶止水条(以下简称“管片橡胶止水条”)挤压量达到12mm时的挤压力N (单位为KN/m)，一环管片橡胶止水条总长约L'(单位为m)，则挤压一环管片橡胶止水条需要的推力为Fl' =N*L'。由于相邻管片橡胶止水条为2道，则总挤压力F'= Fl' *2*1. 5 (安全系数)。若盾构机前方堆填碎石后的总推力F >止水条挤压力F'，则盾构机推进产生的推力满足管片止水条挤压力的要求。1、拆除刀具
为确保盾构顺利通过分界墙，准确步入导台，在拼装完实推最后一环时，开仓将2把铲刀及2把周边滚刀(39#及40#)拆除。盾构掘进
根据到达段的工程地质及水文地质条件和到达段对掘进施工的特殊要求，在到达段 (即，实推最后15环)盾构掘进采用敞开式模式进行掘进。盾构机进入到达段时，首先逐步减小推力、降低推进速度，加强每一环掘进的出土量的监控频次。其掘进施工参数见表1。
权利要求
1.一种盾构空推过矿山法隧道施工方法，其特征在于，包括如下步骤第一步、端头墙施工暗挖段施工完成后要对掘进到达和离开端头进行端头墙加固，防止地下水进入和确保暗挖段初期支护的稳定；第二步、矿山法暗挖段导台施工矿山法隧道开挖完成初期支护后，在隧道底部60° 范围内施工钢筋混凝土导台，钢筋采用单层钢筋网，纵向钢筋直径IOmm间距200mm，横向钢筋直径8 mm间距200 mm，钢筋混凝土导台的内、外径根据所选用的盾构机直径确定，钢筋混凝土导台的中心线与隧道中心线重合；钢筋混凝土导台的钢模板采用5mm钢板按照导台弧度预弯成型，焊接在肋板上；肋板采用8mm钢板按照模板弧度切割成30mm高度的钢条，环向焊接在模板上，间距1. 5m ；纵向采用三条30mm的方钢焊接在两边及中间，与肋板焊接成整体；上面采用三条50mm的钢管焊接成三角形，顶部用可调节的顶托支撑在隧道顶部进行加固，纵向按照3m间距布置；第三步、导台施工完成并达到设计强度后进行矿山法暗挖空推段堆填碎石施工；暗挖空推段隧道内进行全断面回填碎石，回填碎石长度为15m，在此范围外在隧道半断面内回填碎石，回填碎石长度为IOm; 第四步、到达段盾构施工在到达段采用敞开式模式进行盾构掘进，盾构机进入到达段时，首先逐步减小推力， 将推力控制在800T以内，降低推进速度，将推进速度控制在35mm/min以内，刀盘转速为 1. 7 1. 9r/min，盾构姿态垂直偏差不超过IOmm ；在贯通前的最后3环，进一步减小推力， 将推力控制在600T以内，降低推进速度，将推进速度控制在20mm/min以内，刀盘转速为 1. 6 1. 8r/min，盾构姿态垂直偏差不超过IOmm ；每环按照设计方量进行同步注浆，在掘进拼装完成倒数第三环后，停止掘进，在倒数第 10环至倒数第6环进行二次注浆，确保连续五环全断面注满；在到达矿山与盾构分界里程后每环掘进安装管片时，先将每片管片的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；待管片出盾尾之后，再用风动扳手进行紧固；在拼装完实推最后一环时，开仓将两把铲刀及两把周边滚刀拆除； 第五步、盾构机步入导台施工盾构机前体步入导台，刀盘接触回填碎石断面后盾构机继续往前掘进，挤压碎石使其充填盾体与暗挖初期支护之间的间隙，同步注浆正常开启， 并确保管片止水条密封良好直至盾构机机身全部步入导台；第六步、盾构空推段施工当盾构机进入导台后，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，推进速度控制在35mm/min之内，同时启动同步注浆工作；管片与已开挖成型隧道间由回填小碎石充填，同时开启同步注浆，同步注浆采用水泥-水玻璃双液浆；当土仓内土压或推力达到800t时，开启螺旋输送机进行出土 ；第七步、盾构二次始发盾构机到达矿山与盾构分界里程后，停止掘进，启动螺旋输送机将土仓内土全部出完，将原拆除的刀具安装就位后进入正常掘进状态；起始三环掘进推力控制在1200t以内，刀盘旋转速度控制在1.6r/min以内，之后掘进采用正常掘进模式。
2.根据权利要求1所述的盾构空推过矿山法隧道施工方法，其特征在于第三步所述堆填碎石施工方法步骤为回填所需渣土从区间竖井向下投放至竖井底，通过汽车运输到预定施工地段，采用ZLC40装渣机进行堆填，从盾构与暗挖分界点开始往竖井方向回填，盾构机前方堆填碎石后的总推力F需大于止水条挤压力F'，以确保盾构机推进产生的推力满足管片止水条挤压力的要求。
3.根据权利要求1所述的盾构空推过矿山法隧道施工方法，其特征在于第六步所述盾构空推段施工方法包括盾构掘进盾构掘进模式采用不建立土仓压力模式，掘进推力控制在800t以内，以掘进速度控制在30mm/min来控制推力大小，当掘进推力大于800t以上时，启动螺旋输送机出渣；拼装管片盾构在推进时，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，且在轴线高程中推进；管片选型时要根据盾尾间隙、油缸行程差及盾构姿态进行选择；管片固定盾构掘进过程中启动同步注浆，如果掌子面上有较大的水涌入隧道，为防止管片上浮，待管片拖出盾尾后及时在顶部将管片进行固定；管片背衬回填在空推掘进阶段，当盾构机开推后启动同步注浆系统，运用注浆用三通，利用盾构机自身的同步注浆系统由盾尾压注水泥砂浆和水玻璃，同时进行注浆作业，砂浆和水玻璃以4 1的比例混合同时进入；空推完成后停止掘进，对空推段所有管片拱顶背后进行填充，同时对所有管片螺栓进行再次复紧；空推段管片拱顶背后填充采用水泥砂浆作为填充料，注浆设备采用既有的砂浆注浆机，注浆压力控制在0. 5Mpa。
4.根据权利要求3所述的盾构空推过矿山法隧道施工方法，其特征在于所述管片固定采用从吊装头上安装螺杆进行固定，螺杆通过吊装孔固定至矿山法隧道初支里，每隔两环固定一环，管片固定螺杆的外径和螺纹与管片吊装孔匹配，固定螺杆所采用的材料为钢材，固定螺杆长度要满足支顶在矿山法隧道初支上。
5.根据权利要求3所述的盾构空推过矿山法隧道施工方法，其特征在于在空推掘进阶段，在同步注浆开始前10 15个冲程采用纯砂浆注入，在确保盾尾通畅的前提下再打开注水玻璃的球阀；在注浆结束前需提前停止水玻璃的注入，改用纯砂浆注入。
6.根据权利要求3所述的盾构空推过矿山法隧道施工方法，其特征在于水泥砂浆的质量配合比为水泥膨润土 粉煤灰砂水=150 40 440 720 470，砂浆稠度控制在10 Ilcm的范围内。
7.根据权利要求3所述的盾构空推过矿山法隧道施工方法，其特征在于所述管片拱顶背后填充时，以管片支撑螺杆对应的孔作为注浆孔，注浆孔施工顺序为先将管片上3个支撑螺杆拆下，从靠最下部的吊装孔内进行注浆，截止顶部吊装孔位置漏将后停止注入；从顶部继续注入直到达到0. 5Mpa后停止注入。
全文摘要
本发明公开了一种盾构空推过矿山法隧道施工方法，在空推段提前堆填碎石，施工工期短；在刀盘前方堆填碎石，为盾构掘进时提供反力，管片不需要型钢固定；管片与岩石之间的空隙大部分被碎石填充，工作量大幅减少，掘进效率高；千斤顶能为管片拼装提供足够反力，止水条能密贴良好，防水效果优良；管片能及时充填密实，管片拼装后不上浮、不存在破损和超限的错台；管片背后注浆量减少，节约了施工成本；掘进效率大幅提高，单位时间内生产产值高，经济效益良好。
文档编号E21D11/14GK102425427SQ20111045109
公开日2012年4月25日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者何齐海, 卿三惠, 段绍和, 王家祥, 罗石宝, 陈强 申请人:中铁二局股份有限公司, 中铁二局集团有限公司