本发明属于地铁隧道开挖技术领域，尤其是涉及一种用于地铁隧道盾构接收端洞门的施工方法。
背景技术：
在现行轨道施工技术中，盾构施工技术因能够适应复杂地质条件、施工安全性高而得到了广泛使用。然而使用盾构机进行隧道掘进时，往往会遇到盾构机穿越圆砾地层，地层呈现稍密～中密状，成分以石英岩、硅质岩为主，不均匀含5～15％的中粗砂和粘性土，以砾石为主，含10～35％的卵石，卵石一般粒径2～5cm，最大粒径达8cm。力学强度较高，使得刀具磨损严重，开舱换刀频繁，导致工程事故的发生以及施工风险和工程费用的增加。另外地层所含成分不均匀，以石英岩、硅质岩、砾石、卵石为主，且所含有的砂卵石粒径大小不一，较大粒径的砂卵石会使盾构机开挖后的隧道壁面呈现出凹凸不平的现象，个别地段还存在较大的空洞，从而在盾构机尾部拼装完预制管片衬砌后极易在管片衬砌与周围地层之间形成空洞，易引起空洞部位土体的坍塌。
当盾构机施工推进至设计里程时，盾构机刀盘始终处于工作状态，盾构机的破洞方法有可能会影响到盾构机出洞整个施工进程及盾构机的损耗，同时，洞门力学强度高，盾构机出洞过程容易扰动围岩并造成洞门顶部塌陷及衬砌开裂。
在现行技术中，有些技术采用地面注浆加固，竖井内施作水平桩体对交叉隧道间土体进行加固以及对拉注浆锚杆加固夹岩等共同支护等方法，以减小拟建隧道盾构破洞施工造成的地面沉降及隧道变形。还有技术采用一种盾构机出洞装置，通过与地连墙洞门连接形成封闭系统，模拟地层结构，平衡地下水压力，完成盾构机的出洞接收，整个装置可重复利用，操作简单，影响因素可控。然而上述方法增加了施工成本且并未有效提高施工进度。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供一种用于地铁隧道盾构接收端洞门的施工方法，以达到良好的轮廓成形，维护围岩自身稳定性，降低盾构机道具损耗及经济成本，减少盾构破洞前加固支护施工量，同时兼顾掘进速度，大幅度缩短隧道开挖时间。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于地铁隧道盾构接收端洞门的施工方法，具体包括以下步骤：
(1)在盾构机掘进接收端洞门破洞前，沿洞门的拱部设置小导管注浆支护；
(2)完成小导管注浆支护后，对洞门断面进行预裂钻孔，并实时监测隧道洞门夹岩稳定和围岩应力变化情况，当变形接近预警值时，小间距范围内更换钻孔点，并降低钻孔深度；
(3)预裂钻孔结束后，盾构机向接收端洞门掘进并破洞。
进一步地，步骤(1)小导管注浆支护具体步骤为：
(a)封面：在洞门断面分多层喷射砼以覆盖洞门断面；
(b)布孔：在洞门断面的拱部位置设置多个用于安装小导管的孔洞；
(c)插管：将金属导管插入孔洞；
(d)注浆：将硅酸盐水泥注入金属小导管，并在孔口处设置止浆塞。
进一步地，步骤(a)封面时采用干式喷射法自下而上喷射c20的砼，分层喷射时，一次喷射厚度为5cm～7cm，喷层总厚度控制在40～50cm。分层喷射时，应在前一层混凝土终凝后进行，如两次喷射间隔时间过长，再次喷射前，应先清洗喷层表面。
进一步地，步骤(b)所述孔洞采用钻机或风枪钻孔，孔洞直径为60-100mm，钻孔深度为0.8-1.0mm，孔洞的数量以及相邻孔洞之间的间距根据需要设置。
进一步地，步骤(c)所述金属导管采用无缝钢管，直径比孔洞小10-30mm，长度比钻孔深度长5-15mm，金属导管的管壁布设溢浆孔，钢管尾部焊箍，在插管过程中，边射水、边插管，水压力不超过1mpa；小导管埋设的倾斜度控制在0.3％以内，埋设偏差不超过30mm；小导管尾部置于格栅钢架腹部并与格栅钢架焊接，增强共同支护能力。
进一步地，步骤(d)注浆采用42.5级以上的普通硅酸盐水泥，每米用量为50kg，注浆压力为20～25mpa，流量大于10l/min，提升速度为0.1～0.2m/min，水泥浆液水灰比1.0，根据需要可加入适量的外加剂及掺合料，用量应通过实验确定，注浆完成后，在孔口处设置止浆塞。
进一步地，步骤(2)采用气腿式凿岩机进行预裂钻孔，具体步骤为：
(a)将洞门断面横向分成上、中、下三部分，钻孔前先按设计标出孔位，在各区域小间距呈梅花状布设预裂钻孔点；
(b)在上部区域，先对拱部进行小间距布点、钻孔，再逐步向该区域中间位置实施；
(c)在中间和下部区域，先对区域中心位置实施布点、钻孔，再向区域左、右边两边轮廓位置实施；
(d)钻孔过程实时监测断面变化情况，至全部施工完成，当夹岩稳定及围岩应力变化情况接近预警值时，需采用补注浆措施加固，同时继续监测地铁隧道的变形。
进一步地，上部区域的拱部区域孔径为10～20mm，钻孔间距为25～35cm，行距为45～60cm，钻孔深度为50～70cm，上部区域的中心位置，钻孔间距为20～30cm，行距为40～55cm，钻孔深度为60～80cm；中部及下部区域孔径为10～20mm，钻孔间距为20～30cm，行距为40～55cm，钻孔深度为60～80cm。
进一步地，在稳定性较强的小区间，实施深层主钻孔，主钻孔孔深为60-80cm，主钻孔周边实施相对深度较小的辐射钻孔，孔深为45cm-550cm；在稳定性较差区域，避免钻孔。
布点预裂钻孔工艺，其特征在于，根据布设的预裂钻孔破碎点，实施钻孔。按设计位置和方向准确钻进并控制好预裂钻孔的方向和深度以及开挖轮廓，采用气腿式凿岩机钻孔，钻机钻至设计孔深后，将钻头降至孔底，慢转，清出余泥、余渣；孔的垂直偏差不得超过1％，孔位偏差小于20mm；钻孔到达孔底设计深度时，停止钻孔。
进一步地，步骤(3)中，当接收端连续墙洞门断面预裂钻孔结束后，盾构向前恢复掘进，通过排气阀排出开挖仓内部分气体，使土仓压力达到设定值并稳定后再进行掘进并破除接收端洞门。破除接收端洞门时，首先破除第一层钢筋网片和厚素混凝土，顶管机向前顶推至洞门处时，降低刀具速度，并将第二层钢筋网片割除；洞门破除后，对洞门空隙进行注泥填充，防止两个洞门区域出现地面沉降，并使用钢板及预埋注泥钢管对始发洞门与接受洞门以及管节间的间隙进行封堵。
进一步地，所述盾构连续墙及接收端洞门断面为圆砾地层，盾构位置距离接收端洞门1.0～1.5m。
本发明针对盾构在力学强度较高的圆砾地层接收端洞门掘进破洞时，刀具磨损严重，开舱换刀频繁，导致工程事故的发生以及施工风险和工程费用的增加的问题，提供了一种施工方法，通过在接收端洞门拱部设置小导管注浆支护，进而形成加固层，能够有效增强地层的抗剪强度，在洞门小间距布设预裂钻孔点并实施钻孔，以及实时监测钻孔过程中的隧道变形情况，其能够降低接收端洞门力学强度，较快速的实现盾构破洞，避免盾构刀具损耗，同时可以维持围岩、先施工的隧道的稳定。
与现有的盾构破洞方法相比，施工工艺少、易于实现、运用范围广，造价低、并能有效保证工程质量，降低施工成本、缩短施工工期，使企业产生显著的社会效益和经济效益，具体优点为：
1、通过在接收端洞门拱部设置小导管注浆支护，进而形成加固层，能够有效增强地层的抗剪强度，洞门围岩及拱部稳定性，并控制洞门地面沉降。
2、在洞门小间距布设预裂钻孔破碎点并实施钻孔，从小区域的岩体开始，分步预裂钻孔破碎，逐步扩大钻孔范围，降低了钻孔部位的振动，以及洞门断面的力学强度，避免了洞门大面积破碎对围岩及隧道的扰动；减小刀具损耗，降低施工成本；较快速盾构破洞，缩短破洞时间。
3、实时监测钻孔过程中的隧道变形情况，及时反馈监测信息并积极调整施工参数，确保隧道盾构掘进破洞顺利进行。
4、施工工艺简单、技术易于实施、运用范围广，造价低、设计合理，有效保证工程质量、缩短施工工期，使企业产生显著的社会效益和经济效益。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但绝不是对本发明的限制。
实施例
工程位于南宁市轨道交通1号线土建施工标动物园站～鲁班路站区间，盾构隧道区间采用土压平衡式盾构机掘进，盾构机从鲁班路站西端始发往西掘进至动物园站东端最后以2‰上坡到达，然后吊出。左线盾构机已完成第949环掘进，第950环掘进至千斤顶行程1336mm，准备进入到达端头加固体。动～鲁区间到达端头下部主要穿越地层为圆砾，隧道上部及顶部少量粉土。
在第950环千斤顶行程920mm时，刀尖开始切削加固体外侧的600mm厚素连续墙，刀盘进入连续墙约416mm。自从刀盘开始切削连续墙后，掘进速度由正常掘进时的70～80mm/min下降到0～1mm/min，刀盘扭矩由正常掘进时的1.4～1.6mnm上升到4.5mnm，多次出现扭矩超限跳停情况，刀盘转速为0.6～1.0rpm，推力为12000～15000kn，根据现场及盾构机掘进参数判断为刀具磨损严重，已不具备切削素连墙的能力。为确保后续盾构施工安全及盾构机到达，目前，盾构机已后退70mm，拟在盾构机位置进行加固，利用竖井开挖至盾构机刀盘顶部，在进入土仓更换刀具。
采用本发明施工方法，具体步骤为：
第一步：开挖前，沿接收端洞门的拱部设置小导管注浆支护。
(1)封面：注浆前分段分片喷射c20砼封闭接接收端洞门断面，喷射料流要均匀一致，以保证速凝剂在混凝土中均匀分布。采用“干式”喷射法自下而上进行喷射，喷浆过程中经常检查水泥浆泵压力，注浆管提升速度及孔口冒浆情况，并随时做好记录。喷射时应先达到预定的喷射压力、喷浆量后再逐渐提升注浆管。喷射过程中采用分层喷射c20砼，一次喷射厚度为5cm～7cm，喷层总厚度控制在40～50cm；分层喷射时，应在前一层混凝土终凝后进行，如两次喷射间隔时间过长，再次喷射前，应先清洗喷层表面。喷射砼终凝2小时后开始洒水养护，洒水次数应以能保证砼具有足够的湿润状态为度。
(2)布孔：根据结构设计图纸，将小导管位置正确测设在接收端洞门断面拱部位置上；
(3)插管：小导管采用φ57mm无缝钢管，设计长度为0.9m(略大于钻孔深度0.1m)，管壁布设溢浆孔，孔径为8mm，钢管尾部焊箍；采用钻机或风枪钻孔，孔直径应比小导管直径大20mm，钻孔完成后，将小导管插至孔底，在插管过程中，边射水、边插管，水压力不超过1mpa；小导管埋设的倾斜度控制在0.3％以内，埋设偏差不超过30mm；小导管尾部置于格栅钢架腹部并与格栅钢架焊接，增强共同支护能力。
(4)注浆：施工前应根据工程地质条件和水文条件，通过注浆原材料试验作出设计，并进行检验，偏差在规定允许范围内，再进行注浆；注浆过程中；；应严格控制注浆压力，防止出现结构变形，串浆，危及地下构筑物的安全。采用42.5级以上的普通硅酸盐水泥，每米用量50kg，注浆压力为20～25mpa，流量大于10l/min，提升速度为0.1～0.2m/min，水泥浆液水灰比1.0，根据需要可加入适量的外加剂及掺合料，用量应通过实验确定，注浆完成后，在孔口处设置止浆塞。
第二步：对洞门断面进行预裂钻孔。
根据接收端洞门断面尺寸、围岩条件和周围环境情况，接收端连续墙断面轴线情况，进行钻孔位置设计，根据设计标出孔位。将断面横向各分成上、中、下三部分，分别在上、中、下各区域小间距梅花状布设预裂钻孔破碎点。首先对接收端洞门上部区域实施破碎点布设，然后根据所布设的点实施预裂钻孔，再向断面中间和上部区域施做。在上部区域，首先对拱部进行小间距布点，随后进行预裂钻孔、按照此步骤再逐步向该区域中间位置实施；在中间和下部区域，首先对该区域中心位置实施布点，然后进行预裂钻孔，再向该区域左、右边两边轮廓位置布设周边破碎点，左、右两边的破碎点呈左、右对称状态，随后进行预裂钻孔；实施钻孔过程中同时实时监测隧道洞门夹岩稳定和围岩应力变化情况，当变形接近预警值时，小间距范围内更换钻孔破碎点，且降低钻孔深度，随后继续监测断面变化情况，至全部施工完成。
接收端洞门断面上部区域布设预裂钻孔点：布设的预裂钻孔破碎点总体呈非均匀状态。以小区间为单位，在拱部区域梅花状逐个布设钻孔点，其孔径为10～20mm，钻孔间距为25～35cm，行距45～60cm，钻孔深度50～70cm；在上部区域中心位置，钻孔间距为20～30cm，行距40～55cm，钻孔深度60～80cm。同时，钻孔过程中，根据实时监测的夹岩稳定和围岩应力变化情况，在稳定性较强的小区间，实施相对深层主钻孔，拱部区域主钻孔孔深为70cm，中心区域主钻孔孔深度为80cm，主钻孔周边均实施相对深度较小的辐射钻孔，孔深分别为为45cm及50cm。在稳定性较差区域，避免钻孔。
在接收端断面左侧及右侧区域布设预裂钻孔点：根据工程地质条件和施工要求，断面中部及下部区域预裂钻孔总体均呈非均匀状态。其孔径均为10～20mm，钻孔间距为20～30cm，行距40～55cm，钻孔深度60～80cm，其中，中部及下部区域左、右边两边轮廓位置布设的周边钻孔点，孔深为60cm，间距为40cm。观察洞门断面的稳定情况，经判断稳定后，以小区间为单位，在稳定性较强的小区间，实施相对深层主钻孔，其孔深度为80cm，周边实施相对深度较小的辐射钻孔，孔深为60cm。在接近隧道变形预警值的区域，避免钻孔。
根据布设的预裂钻孔破碎点，实施钻孔：钻机就位时，要事先检查钻机的性能状态是否良好，保证钻机工作正常。钻孔时钻机要平衡，开孔孔位要准确，钻头中心与桩位中心误差不大于5mm，钻孔垂直度偏差≤1％，确保旋喷管能顺利导入孔底。按设计位置和方向准确钻进并控制好预裂钻孔的方向和深度以及开挖轮廓，采用气腿式凿岩机钻孔，钻机钻至设计孔深后，将钻头降至孔底，慢转，清出余泥、余渣；孔的垂直偏差不得超过1％，孔位偏差小于20mm；钻孔到达孔底设计深度时，停止钻孔。当夹岩稳定及围岩应力变化情况接近预警值时，需采用补注浆措施加固，同时继续监测地铁隧道的变形。
监测项目：安全巡查、地表沉降、地下水位、竖井墙体变形观察、墙体位移、盾构机姿态、盾尾管片姿态等。
监控量测方法：为了掌握施工中围岩和支护的力学动态信息，现场量测过程中按照要求做好巡视记录并及时整理分析量测数据。
观察目标：主要观察工作面状态、围岩变形、围岩风化及变质情况、节理裂隙、断层分布和形态、地下水情况以及喷混凝土、锚杆、钢架的效果，洞口地表、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定及地表水渗透情况。
监测数据整理与分析：监测数据一般是随时间和空间变化的，一般称为时间效应和空间效应。及时地用变化曲线关系图表示出来，使监测成果“形象化”，以便及时发现问题和分析问题。施工期间一般绘制监测数据随时间变化的规律曲线——时态曲线(或散点图)，以便对工程结构的变形、受力状态进行分析，指导设计和施工。
现场量测过程中按照要求做好巡视记录并及时整理分析量测数据，绘制的时态曲线如下：
(1)绘制监测变量累计值(p)——时间(t)的时态关系曲线；
(2)绘制监测变量变化速度(δp)——时间(t)的时态关系曲线。
第三步：盾构破洞。
当接收端连续墙洞门断面预裂钻孔结束后，盾构向前恢复掘进，通过排气阀排出开挖仓内部分气体，使土仓压力达到设定值并稳定后再进行掘进并破除接收端洞门。破除接收端洞门时，首先破除第一层钢筋网片和厚素混凝土，顶管机向前顶推至洞门处时，降低刀具速度，并将第二层钢筋网片割除；洞门破除后，对洞门空隙进行注泥填充，防止两个洞门区域出现地面沉降，并使用钢板及预埋注泥钢管对始发洞门与接受洞门以及管节间的间隙进行封堵。
本实施例采用泥水平衡盾构，盾构机开挖直径为6280mm，由主机、连接桥和七节台车组成，总体外形尺寸：
刀盘外形尺寸：装刀开挖
刀盘刀具由16把单刃滚刀、24把撕裂刀、46把刮刀(含8把边缘刮刀)、16把焊接撕裂刀组成。
采取带压开仓换刀方案，具体工艺为：
(1)仓内压力设定
仓内工作压力设定为1.2～1.3bar；
(2)进仓次数确定
进仓次数计划为6次；
(3)刀盘处泥膜护壁
施工采用梯级泥浆压力和不同等级性能的泥浆进行泥膜制作，具体为：
(一)制浆：采用泥水处理中心制浆系统调制泥浆，采用泥水循环系统将优质泥浆输送至盾构机开挖仓。
(二)加压保压：当优质泥浆调制好以后，即可进行加压试验，加压是从工作压力p1＝120kpa(人员工作时的压力)增加到160kpa，每次加20kpa，具体如下：(a)泥浆粘度30s～40s，加压至140kpa，保压3小时。(每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀)；(b)采用上述操作，调整泥浆粘度为40s～50s，加压至160kpa，保压3小时。(每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀)；(c)采用上述操作，调整泥浆粘度为>60s，加压至160kpa，保压3小时，(每隔半个小时转2圈刀盘，保持泥浆均匀)。
(三)气浆置换：通过气压把开挖仓的泥浆压出仓形成工作压状态下的空气仓。
(4)盾壳后部止水
采用同步注浆、管片背后二次注浆以及盾体径向注浆组合的注浆方式实现盾壳后部止水。采用同步注浆饱满，充分填充超挖间隙；盾体径向注浆宜采用聚氨酯等化学浆液，在盾壳外形成封闭止水带；管片背后二次注浆宜采用双液浆，且封堵盾尾后5环全环管片。接收端洞门在顶管机顶到位前将其第一层钢筋网片割除并破除厚素混凝土，剩余最后一层钢筋网片在顶管机低速顶至前刀盘刚接触到混凝土时将其割除，顶管机进入接收井、顶管隧道贯通后，将两头防止水土流失。始发洞门破除，洞门围护结构地连墙凿除前应先打水平探孔，探孔均匀分布在顶管范围内，以确认并检查地连墙的隔水效果,若发生透水现象,以确保始发安全洞门破除采用人工风镐凿除、膨胀剂静态爆破将洞门分成上中下三部分，分内外两层依次破除,即先破除第一层钢筋网片和的素混凝土,顶管机向前顶推至洞门处时再将第二层钢筋网片割除，割除后迅速将顶管机顶推至掌子面,准备始发推进
(5)保压实验
泥浆护壁之后，将气压仓液位降至0m，打开泥水仓和气压仓之间的联通阀，使气体窜至泥水仓，并调整气压设置值，达到两仓液位相平，上部为气体，下部为泥水。气压作业压力设定值采用停机过程中稳定开挖面的泥水压力。泥膜形成后、液位降低、作业压力设定后，静置一段时间，观察、记录仓内液位及压力变化，若液位及压力无变化或变化小，则证明成膜质量好，泥水仓密封效果良好，地层气密性试验合格，可进行下一步作业；反之，则需重新成膜，直至达到良好的密封效果。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。