矿山法扩挖盾构隧道修建大断面隧道施工技术

陈瑞征， 胡威东， 李新平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)



矿山法扩挖盾构隧道修建大断面隧道施工技术

陈瑞征， 胡威东*， 李新平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

郑州市地铁2号线左线隧道与1、2号线联络线隧道交叉段合建，为解决其周边环境复杂及施工工期紧张的问题，在部分合建段采用矿山法扩挖盾构隧道修建大断面区间隧道的技术，即小直径盾构先通过扩挖段，并使用全环特殊钢管片拼装隧道，然后结合矿山法，采用中立柱+临时仰拱的台阶法施工工序，反向扩挖盾构隧道，最终形成大断面区间隧道。工程实践表明，采用该技术节约3个月工期，并将地面沉降控制在25.1 mm以内，取得了较好的应用效果，可为类似工程提供参考。

盾构法； 矿山法； 扩挖； 台阶法； 全环钢管片

0 引言

目前，城市地铁隧道的施工工法主要有明挖法、盾构法和矿山法。盾构法以安全、经济、快速及对周边环境影响小等优点被广泛应用在国内地铁施工中，但受施工组织、盾构始发接收以及后配套和装备造价等条件限制，其优势不能充分发挥，易造成工期延长[1-3]。

为解决地铁建设中盾构法施工与工期矛盾的问题，国内外学者进行了大量的研究。国外学者研究了单洞单线盾构隧道扩挖岛式站台地铁车站的技术，并应用在一些工程上，缩短了建设工期[4-5]，同时也研究了一些异型断面盾构直接建造地铁车站的技术[6]；近年来，国内学者采用“先隧后站”的思路研究了浅埋暗挖法与盾构法相结合建造地铁车站的技术[7-12]，且进行了工程实践，如广州市轨道交通5号线五羊村站和6号线东山口站分别成功应用了明挖法扩挖盾构隧道和矿山法扩挖盾构隧道(钢筋混凝土管片)的施工技术[13]；此外，盾构空推过矿山法隧道的施工技术在特定环境条件下也起到了节约工期的作用[14]，如深圳地铁2号线东延线侨香站—香蜜站区间隧道施工。 已有研究能有效解决盾构施工受限于车站施工引起的工期延长问题，但有时盾构施工也会受区间施工制约而与工期产生矛盾，导致其优势无法发挥，而解决此类问题的施工技术较为罕见。

为解决盾构施工在区间内部产生的工期矛盾问题，本文以郑州市地铁2号线一期工程紫荆山站—东大街站区间左线与1、2号线联络线区间合建段为背景，研究矿山法扩挖盾构隧道施作大断面区间隧道的技术，即盾构法先通过，并使用预制特殊钢管片拼装隧道，在小直径盾构通过后，采用矿山法反向扩挖盾构隧道并逐步拆除钢管片，最终形成大断面区间隧道。

1 工程概况

1.1 扩挖段形成背景

郑州市地铁2号线紫荆山站—东大街站区间左线与1、2号线联络线交叉，交叉合建段平面布置见图1。

图1 线路交叉合建段平面图

1.1.1 周边环境

如图1所示，顺河路以北合建段周边环境简单，采用明挖法施工； 跨顺河路合建段，线路交叉点位于顺河路与紫荆山路交叉形成的十字路口附近，位置关键，无交通疏解条件，且此处隧道埋深约23 m，明挖及围护工程复杂，造价高，经综合考虑，采用暗挖法施工。跨顺河路合建段大断面隧道内净跨7.75 m，内净高6.81 m，扩挖段断面形式见图2，地铁惯用外径6 m的盾构隧道无法满足大断面的要求，且跨顺河路合建段长度仅约33 m，左线线路总长度约1 309 m，跨顺河路合建段长度相对左线总长占比很小，若单独制造或购买1台扩径盾构不利于工程总造价的控制。因此，采用矿山法扩挖施工。

1.1.2 施工工期

2号线与联络线合建段采用明挖法和矿山法(扩挖段)施工，合建段两端的区间隧道采用具有快速、安全等优点的盾构法施工，两端车站作为盾构始发和接收的工作井。若考虑在盾构掘进途中合建段两端分别始发或接收，则需在大断面矿山段一端另增设盾构井，在盾构井和明挖段施工完成并具备始发或接收条件后再施工，将严重影响工期。由于现场工期紧迫，因此决定盾构掘进和明挖段同时开工，明挖段围护墙施作时采用玻璃纤维筋支护以预留盾构通过条件。盾构从东大街站始发，向紫荆山站掘进，通过跨顺河路合建段(扩挖段)时采用全环钢管片拼装隧道，到达明挖段南端时，空推过明挖段至其北端，二次始发并继续向前掘进，至紫荆山站后吊出。在盾构空推过明挖段后便可进行盾构掘进和矿山法扩挖的平行施工，同时进行剩余明挖段主体结构施工，扩挖段施工完成后，将明挖段出土孔结构封顶。

图2 扩挖段断面(单位： mm)

1.2 工程地质及水文地质

紫荆山站—东大街站区间及1、2号联络线区间工程场地地貌单元为黄河冲积平原。场地地层主要为第四系全新统(Q4)，上表面为4.8 m厚①填土层，向下依次分布地层及其力学参数见表1。

表1 岩土力学参数

场地地下水类型为潜水，主要赋存于④-2粉砂及以下的粉土、粉砂层中。稳定水位在自然地面以下13.30～16.05 m，地下水位年变化幅度为1.0～1.5 m。

2 方案设计

1)为方便管片拆除，扩挖段隧道均采用全环钢管片，通缝拼装。

2)施工前将地下水位降至扩挖段矿山隧道仰拱以下1 m位置，并保证降水的连续性，从而保证既成隧道的稳定以及施工的安全。

3)扩挖段施工前，采取超前管棚、超前小导管和洞内径向注浆等超前支护措施，确保扩挖及管片拆除过程中的施工安全。

4)为防止拆除钢管片时邻近钢筋混凝土管片发生变形和位移，在拆除前，沿管片环向布置6道槽钢，对扩挖段终点处往大里程方向的20环钢筋混凝土管片纵向拉紧，槽钢与管片之间通过吊装孔连接。

5)钢管片拆除时结合管片分块位置采用台阶法施作矿山隧道，并采取中立柱+临时仰拱的辅助措施。

6)扩挖段矿山隧道与盾构隧道接口处施作堵头墙，并在接口处的盾构隧道管片外表面增设背覆钢板连接构造。

3 降水

3.1 洞外降水

洞外采用管井降水，降水井材质为无砂管，管内径为325 mm，井深为45 m，在扩挖段矿山隧道两侧外轮廓线外3.5 m处布设，纵向间距5～6 m，共布设14口降水井。

3.2 洞内降水

由于降水施工难度大，在扩挖施工前，采取洞内打井辅助降水。采用内径275 mm的钢管井，井深3.5 m，纵向间距5 m，在钢管片底部设置。在初期支护施工至降水井时采用双液浆封堵，然后进行防水层和二次衬砌的施作。

4 超前支护

采用洞内径向注浆+超前管棚+超前小导管的超前支护措施： 1)扩挖前通过钢管片预留吊装孔及在钢管片上的开孔进行洞内径向注浆； 2)在已完成施工的明挖段端墙处定位管棚孔洞，施作超前管棚； 3)边扩挖边对掌子面前方土体施作超前小导管。

4.1 洞内径向注浆

1)注浆范围。扩挖段盾构隧道外轮廓至矿山隧道二次衬砌外轮廓以外3 m位置。

2)材料。采用外径42 mm、厚3.5 mm的热轧无缝钢管，钢管长度根据现场实际加固长度确定。浆液为水泥+水玻璃双液浆，采用425#普通硅酸盐水泥及35～40 Be′水玻璃，水灰比1∶0.75～1∶1，水玻璃用量一般是水泥重量的1/4～1/3。

3)间距。以钢管片中心为圆心，按11.25° 环向布置32个注浆孔。钢管片预留有6个吊装孔，兼作注浆孔，其余在钢管片的相应位置开孔； 纵向间距1.0 m。

4)扩散半径。浆液扩散半径1.0 m。

5)注浆压力。压力0.5～1.0 MPa。

施工中，注浆参数根据现场注浆试验调整优化，确保注浆加固后土体取芯28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。

4.2 超前管棚

1)钢管规格。采用热轧无缝钢管及钢花管，外径108 mm，壁厚6 mm，节长4～6 m。每节钢管两端均预加工成外丝扣，以便连接接头钢管。管棚长35 m，整个扩挖段打设1环，环向相邻两管棚分节钢管接头错开布置，同一断面内接头数量不超过钢管总数的50%。

2)管距。环向间距400 mm。

3)外插角。1～1.5°，钢管轴线与衬砌外缘成夹角，在拱部150° 范围内设置。

4)注浆材料。采用425#普通硅酸盐水泥及35～40 Be′水玻璃。浆液为水泥+水玻璃双液浆。水灰比1∶0．75～1∶1，水玻璃用量一般是水泥重量的1/4～1/3，注浆参数根据注浆试验确定。

5)注浆压力。压力0.5～1.0 MPa。

6)注浆前进行现场试验，根据既有隧道的监测情况确定注浆压力和注浆参数。注浆结束后用M10水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度。

4.3 超前小导管

1)小导管材料。采用外径42 mm、厚3.5 mm的热轧无缝钢管，钢管长度1.8 m，为方便超前小导管插入围岩，钢管前端宜做成尖锥状，尾部焊上箍筋。

2)间距。钢管环向间距400 mm，纵向间距0.5 m，相邻纵向2排的水平投影搭接长度不小于1 m。

3)外插角。小导管外插角不大于33.5°，在拱部180° 范围内设置。

4)小导管注浆材料及注浆压力同管棚。

5 扩挖施工工序

扩挖段采用台阶法施工，结合矿山隧道与钢管片分块的相对位置以及施工条件综合确定施工工序。

1)工序1(见图3)。盾构隧道洞内径向注浆加固，然后施作超前管棚，超前支护完成后，用工22b临时型钢1与管片连接牢靠，并用沙袋堆置密实，确保临时型钢定位稳固。

2)工序2(见图4)。首先开挖TK管片上部左侧土方，并提供能在TK管片开孔的作业空间。采用风镐人工破除二次注浆保护壳，在TK管片对应临时立柱的位置开孔，测量定位A单元拱架开挖尺寸并进行开挖，架设A单元拱架，同时工22b临时型钢2穿过TK管片，将其两端分别与临时型钢1和A单元拱架连接，施作砂浆锚杆、定位筋、超前小导管及连接筋，挂网喷混。

图3 工序1

图4 工序2

3)工序3(见图5)。测量定位B左1、B左2单元拱架及临时仰拱1的开挖尺寸并进行开挖，架设B左1、B左2单元拱架，打设锁脚锚管并施作超前小导管和连接筋，挂网喷混；同时在TB1管片底端对应临时仰拱1的位置开孔，将临时仰拱1穿过管片，两端分别与B左2单元拱架、工22b型钢1连接，使上半断面左侧部分封闭成环。

4)工序4(见图6)。测量定位B右1、B右2单元拱架及临时仰拱2的开挖尺寸并进行开挖，架设B右1、B右2单元拱架，打设锁脚锚管并施作超前小导管和连接筋，挂网喷混； 同时在TB2管片底端对应临时仰拱2的位置开孔，将临时仰拱2穿过管片，两端分别与B右2单元拱架、工22b型钢1连接，使上半断面右侧部分封闭成环；切割上半断面内的TK、TB1和TB2管片。

图5 工序3

图6 工序4

5)工序5(见图7)。将开挖断面内的左侧部分沙袋向矿山法掘进方向倒运，测量定位下半断面C左1、D左1单元拱架尺寸并进行开挖，架设左侧下半断面C左1、D左1单元拱架并施作锁脚锚管和连接筋，挂网喷混，然后拆除TA1管片。

6)工序6(见图8)。将开挖断面内的剩余沙袋向矿山法掘进方向倒运，测量定位下半断面C右1、D右1单元拱架尺寸并进行开挖，同时随开挖拆除TA3管片；架设右侧下半断面C右1、D右1单元拱架并施作锁脚锚管和连接筋，挂网喷混。

图7 工序5

图8 工序6

7)工序7(见图9)。待C右1、D右1单元拱架喷混凝土结束后，测量定位E、F、G单元拱架尺寸，开挖剩余土方并拆除TA2管片，及时架设F单元拱架，并用临时工22b型钢3与F单元拱架、临时型钢1连接；安装E、G单元拱架并施作连接筋，挂网喷混，将初期支护封闭成环；初期支护结束后及时施作二次衬砌，拆除临时支护。

扩挖施工纵断面见图10。

6 隧道接口

扩挖段矿山隧道与盾构隧道接口平面布置见图11，采用以下技术措施：

1)在扩挖段与盾构段隧道分界里程处矿山段断面超出盾构段断面的范围施作堵头墙。先在掌子面铺设钢筋网，然后采用工22b型钢架与扩挖段初期支护处密排的三榀工22b型钢架焊接，水平向放置，竖向间距0.6 m，并设置连接筋将工字型钢架连接，同时打设φ42@3.5注浆小导管，梅花形布置，长度3 m，注浆并喷混凝土。

图9 工序7

图10 施工工序纵断面图(单位： m)

2)先期盾构施工时，提前在堵头墙处的盾构隧道钢筋混凝土管片外表面增设背覆钢板，施作堵头墙时，将堵头墙工22b型钢架与管片背覆钢板焊接牢固。

图11 矿山隧道与盾构隧道接口平面图(单位： mm)

Fig. 11 Plan showing connection section between mining tunnel and shield tunnel (mm)

7 工程实践

现场施工情况见图12。目前扩挖段已完成施工，平均进度2.4 m/d，区间土建施工总工期较原计划提前3个月，地表最大沉降量25.1 mm，最大隆起量2.4 mm，其余各项监控指标也均满足要求。

(a) 扩挖段施工

(b) 矿山隧道与盾构隧道接口

8 结论与讨论

1)采用小直径盾构先通过扩挖段，然后结合矿山法，采用中立柱+临时仰拱的台阶法施工工序，反向扩挖盾构隧道修建大断面区间隧道的技术,为合建大断面区间隧道提供了一种新思路。

2)相比增设盾构工作井进行盾构吊装的常规方案，短距离的矿山法扩挖盾构隧道的方案更加经济并节省工期，但对于长距离的扩挖区间隧道，应基于工程地质环境、周边环境及工程造价等因素综合比选方案。

3)在矿山法扩挖盾构隧道方案形成的背景环境上，如： 前期正线线路条件及联络线线路要素、线位选取是否可优化以规避现方案的形成；先期便采用明挖法和矿山法施工，盾构空推过大断面贯通整个区间隧道的施工方案，虽然工期较现方案有所延长，但是否满足原计划工期要求以及是否更加经济等问题，有待进一步探讨。

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Construction Technologies for Large Cross-section Tunnel Using Mining Method to Enlarge Shield Tunnel

CHEN Ruizheng, HU Weidong*, LI Xinping

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, Hubei, China)

The connection section between left line of Line No. 2 of Zhengzhou Metro and connecting tunnel of Line No. 1 and Line No. 2 are constructed together. The surrounding environment is complicated and the construction schedule is tight. The large cross-section tunnel construction technology, mining method, is adopted to enlarge the shield tunnel. The section is bored by shield, and then the steel segments, the bench method of central pillar + temporary invert and inverse enlarging method are adopted. The construction practice shows that the ground settlement and the construction schedule have been controlled effectively. The above-mentioned technologies can provide reference for similar projects in the future.

shield method; mining method; enlargement; bench method; steel segment

2016-05-09;

2016-07-27

陈瑞征(1989—)，男，河南郑州人，2013年毕业于华北水利水电大学，岩土工程专业，本科，助理工程师，现从事城市轨道交通隧道及地下工程结构设计与研究工作。E-mail： 15093152382@163.com。*通讯作者： 胡威东， E-mail： whohuxins@yahoo.com.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.014

U 455.4

B

1672-741X(2016)11-1372-07