海域中部矿山盾构交接隧道叠合型接头结构及施工方法与流程

本发明涉及海域中部矿山盾构交接隧道叠合型接头结构及施工方法，属于城市轨道交通工程设计与施工技术领域。

背景技术：

海底空间利用越来越受到不同经济条件地区的人们的重视，当今世界上已经修建了许多海底隧道，正在筹建的也很多。以往跨海隧道工程一般首选矿山法施工，其机动灵活，实践经验和成功案例很多。随着隧道施工技术的发展，由于机械化程度高，施工风险、进度和安全可控，盾构法隧道已逐步成为修建跨海隧道工程的推荐工法。工法选择是海底隧道成功的关键，一般根据所处环境条件和地质条件采用不同工法。

穿越水域的海底隧道或水下隧道，一般在水域范围采用一种施工方法，选择矿山法、盾构法或者沉管法。综合考虑盾构法、矿山法等施工方法的结合可以利用各单一隧道工法的优势，目前已成为提高跨海长距离或复合地层条件下隧道施工效率的重要手段。

隧道结构一般情况下只需进行横断面设计，这是由于大多数隧道工程沿线路方向均为线性且沿纵向结构刚度基本一致，因而可以看作平面应变问题进行计算设计。而对于跨海隧道采用盾构和矿山相连接的区段，矿山法一般采用复合式衬砌，初期支护为喷射混凝土结构，二次衬砌为现浇钢筋混凝土结构，结构刚度大；盾构法一般为圆形单层管片结构，结构厚度较薄且是拼装形成，结构刚度较小。两者相接处刚度变化较大，结构刚度变化段是典型的三维结构分析问题，是工程设计施工的薄弱环节，成为制约结构安全的关键控制点。尤其是结构刚度变化段的抗震性能，隧道对接刚度过大则会产生局部应力集中，威胁结构安全；对接刚度过小则会出现过大的变形，不利于结构防水和正常使用。为此，跨海地铁隧道矿山法和盾构法对接将成为制约工程结构安全的重要因素

我国也出版了《城市轨道交通结构抗震设计规范》，这些工作为开展地铁车站及隧道结构抗震设计奠定了基础，但这些规范均未设计针对跨海地铁隧道工法对接刚度变化段的处理措施。

目前矿山法和盾构法对接接头连接型式一般有两种。一种是矿山法隧道和盾构法隧道处设置竖井过渡，但隧道两种工法连接点位于海域中部，若在海中设置竖井需要填海施工人工岛，基本不可行。另一种一般是在海底先用矿山法施工一个扩大接收洞室，在洞室的端墙上开洞与盾构法隧道连接，连接处设置洞门圈梁封堵，此种方法对接位置两种结构刚度变化大，对抗震不利，同时在海域设置大型接收洞室和空推盾构施工风险高，另外防水性能差、地下水处理简单，海域若一旦地下水封堵出现失误，会发生涌水造成灾难性事故。

从上面的分析可以看出，一般采用盾构法和矿山法施工水下隧道，其连接接头存在刚度变化大、抗震性能差、防水效果差和施工风险大等明显缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单、构受力合理、施工方便快捷的海域中部矿山盾构交接隧道叠合型接头结构及施工方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：海域中部矿山盾构交接隧道叠合型接头结构包括正常矿山法段、盾构机接收段、箱体过渡段、盾构加强段和正常盾构段，所述正常矿山法段、盾构机接收段、箱体过渡段、盾构加强段和正常盾构段依次相连通形成渐变刚度接头结构；所述矿山盾构交接隧道叠合型渐变刚度接头结构，采用喷射混凝土初期支护、预制钢筋混凝土管片、机壳钢板结构、现浇混凝土多次衬砌和注浆填充多次叠合分段形成刚度渐变，保证防水牢靠和受力性能良好。

作为优选，所述正常矿山法段包括超前支护、初期支护、柔性防水层和二次衬砌，所述正常矿山法段二次衬砌结构与初期支护结构之间设置有贯通的柔性防水层，所述初期支护结构由格栅钢架、钢筋网和喷射混凝土组成，所述二次衬砌结构为钢筋混凝土结构。

作为优选，所述盾构机接收段包括暗挖超前支护、初期支护结构、柔性防水层、模筑箱体、豆砾石混凝土回填层、盾构机壳钢板和模筑衬砌结构，所述接收段超前支护结构设置于隧道开挖轮廓的上方，所述接收段初期支护结构设置于隧道开挖轮廓的外缘，所述柔性防水层设置于所述接收段初期支护结构和其内部所述模筑箱体之间，所述模筑箱体内留设有所述盾构机壳钢板，所述豆砾石混凝土回填层填充于模筑箱体、盾构机壳钢板所夹的空间之间，所述模筑衬砌结构紧贴设置于所述盾构机壳钢板的内部。

作为优选，所述盾构机接收段中，所述接收段初支结构和箱体结构采用马蹄形断面，箱体结构内缘比盾构机外轮廓大至少150mm；所述模筑箱体为钢筋混凝土结构，初期为封闭箱体结构，盾构机到达接收后破除两端端墙。所述盾构机壳钢板为接收后的盾构机的外壳，埋置于后续模筑衬砌结构之内。所述模筑衬砌结构为钢筋混凝土结构，为圆环形结构。

作为优选，所述盾构机接收段与所述正常矿山法段之间采用堵头墙连接，堵头墙采用钢筋混凝土结构。

作为优选，所述箱体过渡段包括超前支护、初期支护结构、柔性防水层、模筑箱体、豆砾石混凝土填充层、盾构管片及过渡模筑衬砌结构，所述过渡段超前支护结构设置于隧道开挖轮廓的上方，所述过渡段初期支护结构设置于隧道开挖轮廓的外缘，所述柔性防水层设置于所述过渡段初期支护结构和其内部所述模筑箱体之间，所述模筑箱体内安设有所述盾构管片，所述豆砾石混凝土回填层填充于模筑箱体、盾构管片所夹的空间之间，所述过渡模筑衬砌结构紧贴设置于所述盾构管片的内部。

作为优选，所述箱体过渡段中，盾构管片为预制钢筋混凝土结构，盾构机施工时进行拼装安装形成圆形断面。所述过渡模筑衬砌结构为钢筋混凝土结构，其厚度和盾构管片厚度之和与所述盾构机接收段中的模筑衬砌结构厚度相当；所述箱体过渡段与所述盾构机接收段之间采用加强圈梁连接，加强圈梁断面高度覆盖所述箱体过渡段中豆砾石填充层、盾构管片和过渡模筑衬砌结构，与所述模筑箱体结构密贴。

作为优选，所述盾构加强段包括盾构管片和加强模筑衬砌结构，所述加强模筑衬砌结构紧贴设置于盾构管片的内部，与所述箱体过渡段平顺连接。所述盾构加强段长度不小于1.5倍的盾构外径。

作为优选，所述盾构机接收段、所述箱体过渡段和所述盾构加强段的各层叠合结构之间采取预埋注浆钢管措施，加强注浆填充，保证结合密实可靠。

作为优选，所述正常盾构段为盾构机施工形成的管片结构，与所述盾构加强段的管片结构平顺连接。

海域中部矿山盾构交接隧道叠合型接头结构的施工方法，包含以下步骤：

a、按设计图纸放线定位，预设矿山盾构交接点位置；

b、进行正常矿山法段的暗挖施工，采用马蹄形断面，施工采用台阶法开挖，地质条件较差或监测需要时中部设置一道临时仰拱，正常矿山法段初支结构施工主要步骤为：超前支护小导管或锚杆及注浆；开挖，进尺一榀钢支撑间距；初喷混凝土，挂钢筋网，架立钢支撑，喷射混凝土；初期支护背后注浆；进行下一步循环；

c、进行盾构机接收段和箱体过渡段的暗挖施工，施工采用台阶法，初支结构施工步骤同正常矿山法段；

d、箱体过渡段施工到端头时，对端头采用喷射混凝土进行封堵，敷设防水层，施工模筑箱体结构，采用现浇钢筋混凝土形成封闭圆形箱体，盾构机破除位置采用素混凝土浇筑；

e、盾构机施工正常盾构段，拼装盾构管片衬砌，加强同步注浆和进行二次及多次注浆，保证管片背后与围岩密贴；

f、盾构机刀盘破除模筑混凝土箱体结构端墙，掘进至箱体前端端墙位置，拼装盾构加强段盾构管片，加强管片背后注浆；

g、凿除模筑箱体端墙，拆解盾构机，将盾构机壳钢板留置在洞中；

h、对过渡段管片衬砌和盾构机壳钢板背后的空隙采用豆砾石混凝土进行填充，填充后再采用水泥单液浆进行注浆压密；

i、分段浇筑各段模筑衬砌结构，顺向连接成整体接头。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的海域中部矿山盾构交接隧道叠合型接头结构及施工方法实现了盾构法隧道与矿山法隧道在海域的连接，拓展了海底隧道施工方法型式；结构支护体系简单，结合盾构和矿山两种施工工艺分段布置连接接头，相对于传统的盾构矿山直接通过洞门加强圈梁连接，通过多层结构调节交接点刚度变化，结构受力性能和抗震性能好；相对于传统的在加强圈梁连接处设置止水胶条方式，叠合型接头长度长，多层结构多次注浆，防水效果好；工法工艺简单、操作方便，利用模筑钢筋混凝土箱体和多道加强结构，施工风险小，接头安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构纵向布置示意图；

图2为本发明的结构平面布置示意图；

图3为本发明的正常矿山法段断面示意图；

图4为本发明的盾构机接收段断面示意图；

图5为本发明的箱体过渡段断面示意图；

图6为本发明的盾构加强段断面示意图；

图7为本发明的正常盾构段断面示意图；

图8为本发明的矿山法段初期支护结构施工形成示意图；

图9为本发明的模筑箱体结构施工形成示意图；

图10为本发明的盾构进入箱体接收后施工示意图；

图11为本发明的矿山法和盾构法接头结构的最终衬砌施工示意图。

附图标记说明：

1-正常矿山法段，2-盾构机接收段，3-箱体过渡段，4-盾构加强段，5-正常盾构段，6-超前支护，7-初期支护，8-柔性防水层，9-二次衬砌，10-暗挖超前支护，11-暗挖初期支护，12-暗挖柔性防水层，13-模筑箱体，14-接收段豆砾石混凝土回填层，15-盾构机壳钢板，16-接收段模筑衬砌，17-堵头墙结构，18-过渡段豆砾石混凝土回填层，19-过渡段盾构管片，20-过渡模筑衬砌结构，21-加强圈梁结构，22-加强段盾构管片，23-加强模筑衬砌结构，24-正常盾构管片结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参看如图1--图11所示，本具体实施方式的海域中部矿山盾构交接隧道叠合型接头结构包括正常矿山法段1、盾构机接收段2、箱体过渡段3、盾构加强段4和正常盾构段5，正常矿山法段1、盾构机接收段2、箱体过渡段3、盾构加强段4和正常盾构段5依次相连通形成渐变刚度接头结构；矿山盾构交接隧道叠合型渐变刚度接头结构，采用喷射混凝土初期支护、预制钢筋混凝土管片、机壳钢板结构、现浇混凝土多次衬砌和注浆填充多次叠合分段形成刚度渐变，保证防水牢靠和受力性能良好。

其中，正常矿山法段1包括超前支护6、初期支护7、柔性防水层8和二次衬砌9，正常矿山法段1的二次衬砌结构9与初期支护7之间设置有贯通的柔性防水层8，初期支护结构7由格栅钢架、钢筋网和喷射混凝土组成，结构厚度200-300mm；二次衬砌9为钢筋混凝土结构，结构厚度400-600mm；盾构机接收段2包括暗挖超前支护10、初期支护结构11、柔性防水层12、模筑箱体13、豆砾石混凝土回填层14、盾构机壳钢板15和模筑衬砌16，接收段超前支护结构10设置于隧道开挖轮廓的上方，接收段初期支护结构11设置于隧道开挖轮廓的外缘，柔性防水层12设置于接收段初期支护结构11和其内部模筑箱体13之间，模筑箱体内留设有盾构机壳钢板15，豆砾石混凝土回填层14填充于模筑箱体13、盾构机壳钢板15所夹的空间之间，模筑衬砌结构16紧贴设置于盾构机壳钢板15的内部；盾构机接收段2中，接收段初支结构11和箱体结构13采用马蹄形断面，箱体结构13内缘比盾构机外轮廓大160mm。模筑箱体13为钢筋混凝土结构，厚度为300mm，初期为封闭箱体结构，盾构机到达接收后破除两端端墙。盾构机壳钢板15为接收后的盾构机的外壳，埋置于后续模筑衬砌结构16之内。模筑衬砌结构16为钢筋混凝土结构，圆环形结构，厚度为500-600mm；盾构机接收段2与正常矿山法段1之间采用堵头墙17连接，堵头墙17采用钢筋混凝土结构；箱体过渡段3包括暗挖超前支护10、初期支护结构11、柔性防水层12、模筑箱体13、豆砾石混凝土填充层18、盾构管片19和过渡模筑衬砌结构20，过渡段超前支护结构10设置于隧道开挖轮廓的上方，过渡段初期支护结构11设置于隧道开挖轮廓的外缘，柔性防水层12设置于过渡段初期支护结构11和其内部模筑箱体13之间，模筑箱体13内安设有盾构管片19，豆砾石混凝土回填层18填充于模筑箱体13、盾构管片19所夹的空间之间，过渡模筑衬砌结构20紧贴设置于盾构管片19的内部；箱体过渡段3中，盾构管片19为预制钢筋混凝土结构，盾构机施工时进行拼装安装形成圆形断面，厚度350mm。过渡模筑衬砌结构20为钢筋混凝土结构，厚度250mm；箱体过渡段3与盾构机接收段2之间采用加强圈梁21连接，加强圈梁21断面高度覆盖箱体过渡段中3豆砾石填充层18、盾构管片19和过渡模筑衬砌结构20，高度为800-900mm，与模筑箱体13结构密贴。

盾构加强段4包括盾构管片22和加强模筑衬砌结构23，加强模筑衬砌结构23紧贴设置于盾构管片22的内部，与箱体过渡段3平顺连接；盾构机接收段2、箱体过渡段3和盾构加强段4的各层叠合结构之间采取预埋注浆钢管措施，加强注浆填充，保证结合密实可靠；正常盾构段5为盾构机施工形成的管片结构24，与盾构加强段4的管片结构22平顺连接；正常矿山法段1、盾构机接收段2、箱体过渡段3、盾构加强段4和正常盾构段5依次连通。

本发明的海域中部矿山盾构交接隧道叠合型渐变刚度接头结构应用于过海地铁区间隧道施工的实施例，具体操作步骤如下：

a、按设计图纸放线定位，预设矿山盾构交接点位置；

b、进行正常矿山法段1的暗挖施工，采用马蹄形断面，断面宽度7.8m，高度8.5m，施工采用台阶法开挖，地质条件较差或监测需要时中部设置一道临时仰拱，正常矿山法段初支结构7施工主要步骤为：超前支护小导管或锚杆及注浆；开挖，进尺一榀钢支撑间距；初喷混凝土，挂钢筋网，架立钢支撑，喷射混凝土；初期支护背后注浆；进行下一步循环；

c、进行盾构机接收段2和箱体过渡段3的暗挖施工，采用类圆形断面，开挖宽度8.5m，高度8.5m，施工采用台阶法。超前支护10采用直径32mm小导管注浆或直径25mm锚杆，注浆浆液采用水泥单液浆；初期支护11为格栅钢架加喷射混凝土，厚度250mm；

d、箱体过渡段3共长20m，保证盾构机能全部进入箱体。施工到端头时，对端头采用150mm厚喷射混凝土进行封堵，敷设柔性防水层12，绑扎钢筋和搭设模板脚手架，施工模筑箱体结构13，采用现浇钢筋混凝土形成封闭圆形箱体，厚度250mm，端墙盾构机破除位置采用素混凝土浇筑；

e、盾构机施工正常盾构段5，拼装盾构管片衬砌24，管片内径5.5m、外径6.2m，管片厚度350mm,加强同步注浆和进行二次及多次注浆，保证管片背后与围岩密贴；

f、对正常盾构段5范围内的管片衬砌24背后注浆进行检查，确保封堵地下水效果后，盾构机刀盘破除模筑混凝土箱体结构13的端墙，继续掘进至箱体前端端墙位置，拼装盾构加强段4的盾构管片22，盾构管片22采用主筋直径25mm的加强管片，厚度350mm，同时加强管片背后注浆；

g、凿除模筑箱体13的前端端墙，拆解盾构机，内部各机型设备由已建成的区间运出洞外，将盾构机壳钢板15留置在洞中；

h、对过渡段管片衬砌19和盾构机壳钢板15背后的空隙采用豆砾石混凝土18和14进行填充，填充后再采用水泥单液浆进行注浆压密；

i、分段浇筑各段模筑衬砌结构，顺向连接成整体接头。先施工正常矿山法段1和盾构机接收段2范围内的钢筋混凝土衬砌9和16，同时浇筑连接的堵头墙结构17；拆模后接着施工箱体过渡段3和盾构加强段4的模筑衬砌20和23，，采用模板台车模筑钢筋混凝土，厚度250mm，加强段模筑衬砌23长度为10m；

j、同时在各分段模筑衬砌结构二衬拱部预埋注浆管，进行二衬背后注浆，保证二衬背后填充密实，至此形成交接隧道叠合型渐变刚度接头结构。

本发明结构及施工方法适用于过海区间岩质地层暗挖矿山法和盾构隧道交接处的接头施工。暗挖矿山法段开挖施工时应严格控制开挖进尺不大于1榀格栅钢架间距，及时封闭成环；矿山法段的每步开挖的台阶长度约为3～5m，上层开挖间歇时间较长时、采用5cm厚喷射混凝土封闭掌子面；岩质地层施工时采取弱爆破，软弱地层施工时可设置临时仰拱控制变形；同时加强隧道变形监测。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。