盾构穿越微风化硬花岗岩层之工法论

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1、盾构穿越微风化硬花岗岩层之工法论王 义 (广州地铁设计研究院有限公司)摘 要 ：盾构机在微风化岩层中掘进存在很大的风险 ， 容易出现盾构机打偏 、 跌头等问 题 ， 而 且 对 刀 盘的磨损也是十分的厉害 ， 增加工程费用 。 当区间线路中出现微风化岩层时采用什么样的工法穿越比 较合适， 是工程施工的关键问题。关键词：盾构； 微风化岩； 工法层， 部分地段穿越微风化花岗岩 ， 地 层 软 硬 不 均 ， 局 部 地段存在上软下硬的地层， 因此， 盾 构 掘 进 至 此 种 地 层 时 ， 会 造 成 隧 道 管 片 破 损 、 隧 道 中 心 线 偏 移 、 盾 构 机 损 坏 等 许多难以预

2、料的问题， 给盾构 施 工 带 来 了 十 分 不 利 的 因 素 ， 也存在一定的施工风险 。 建 议 采 取 盾 构 法 + 矿 山 法 施 工 ， 穿 过 花 岗 岩 微 风 化 带 （ 岩 石 致 密 、 坚 硬 、 饱 和 单 轴 极 限 抗 压 强 度 61MPa） 采 用 矿 山 法 先 开 挖 初 衬 再 盾构拼管片通过的方法解决外 ， 其 余 地 段 施 工 方 法 推 荐 采用盾构法。3 盾构区间隧道结构设计3.1 盾构机类型的选择采用盾构法施工，根据盾 构 隧 道 所 处 的 周 边 环 境 、1 工程概述用盾构机进行隧洞施工具 有 自 动 化 程 度 高 、 节 省 人

3、 力 、 施 工 速 度 快 、 一 次 成 洞 、 不 受 气 候 影 响 、 开 挖 时 可 控 制地面沉降、 减少对地面建筑 物 的 影 响 和 在 水 下 开 挖 时 不 影 响 水 面 交 通 等 特 点 ， 在 隧 洞 洞 线 较 长 、 埋 深 较 大 的 情况下， 用盾构机施工更为经 济 合 理 。 但 是 盾 构 机 遇 到 微风化岩层时也面临一定的困难。2 隧道施工方案选择由 于 本 区 间 隧 道 需 要 下 穿 街 道 狭 窄 且 人 流 车 流 密 集 的 道 路 、 地 铁 区 间 、 河 流 、 铁 路 立 交 、 市 政 立 交 及 地 下 通道等， 受以上诸多

4、外界因素的限制， 隧道埋深较大。 结 合 区 间 地 质 条 件 综 合 分 析 比 选 ， 隧 道 上 方 存 在 透 水 砂- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -当采用木模板时建议带模 养 护 ， 或 适 当 延 缓 拆 模 时间。模板拆除除应符合强度及 外 观 的 限 定 要 求 外 ， 还 应 考虑混凝土水化温升、 温降变 化 规 律 及 混 凝 土 收 缩 变 化 规律、 自然环境温度、 湿度、 风速 、 日 照 等 情 况 ， 合

5、理 确 定 拆模时间。 不宜在混凝土温度峰值时拆除模板及淋冷水 养护。有条件时建议混凝土浇筑 7 天后脱模。3.5 设置永久性缩缝和伸缝根据我司在工业厂房施工 中 累 积 的 经 验 ， 混 凝 土 施 工浇筑 24 48 小时左右后， 混 凝 土 达 到 一 定 强 度 时 ， 可 进行条状分块。采用无齿锯弹 线 进 行 切 割 ， 按 设 计 要 求 的 长 度 和 宽 度 ， 切 割 达 到 设 计 要 求 尺 寸 的 伸 缩 缝 ， 待 地 面混凝土性能基本稳定后， 再灌注填充材料。3.6 表面机械打磨处理当 地 面 混 凝 土 整 体 强 度 达 到 70%以 上 后 （ 可 用 同

6、 条 件养护试件进行评估 ） ，采用 打 磨 机 对 地 面 混 凝 土 表 面 进行打磨处理，这种方法不但 保 证 了 地 面 的 平 整 度 ， 同时 对 消 除 大 面 积 素 混 凝 土 整 体 地 面 的 表 面 不 规 则 裂 纹有很好的补偿效果。4 小结混凝土出现裂缝是绝对的 ， 无 裂 缝 是 相 对 的 。 结 构 的 抗 裂 性 能 和 要 求 ， 只 是 把 裂 缝 控 制 在 一 定 的 范 围 内（ 裂 缝 宽 度 为 0.3mm 以 内 ） ， 即 不 出 现 有 害 裂 缝 ， 满 足 使 用功能要求。 建筑工程施工中控制裂缝主要是根据裂缝 出现的原因， 在原材料

7、、 配合比、 施 工 工 艺 、 施 工 质 量 、 混 凝土养护方面严格按照操作规 程 和 质 量 标 准 进 行 施 工 ， 真正贯彻执行普通混凝土好好 打 的 抗 裂 理 念 ， 将 裂 缝 控 制在规范允许的宽度范围内， 以确保工程质量。【 参考文献 】混 凝 土 质 量 专 业 委 员 会 . 2004.3. 钢 筋 混 凝 土 结 构 裂 缝 控 制 指 南 .北京 :化学工业出版社- 70 -图 1 盾构计算模型广东建材 2010 年第 2 期 施工技术工程及水文地质条件， 设计应 重 点 解 决 好 盾 构 机 类 型 的选择、 特殊地段施工方法及技术措施等。本 区 间 隧 道

8、 结 构 范 围 内 主 要 经 过 砾 （ 砂 ） 质 粘 性 土（ 硬 塑 ） 、 全 风 化 花 岗 岩 、 强 风 化 花 岗 岩 、 微 风 化 花 岗 岩 、 全风化砂岩、 强风化砂岩、 中等 风 化 砂 岩 、 全 风 化 花 岗 片 麻岩、 强风化花岗片麻岩、 微风 化 花 岗 片 麻 岩 ， 隧 道 围 岩 分级为级， 土石可挖性 等 级 为 级 。 结 合 以 上区间隧道的地质情况及国内 地 铁 盾 构 的 施 工 经 验 ， 推 荐复合土压平衡盾构。3.2 钢筋混凝土管片、 特殊管片类型的选择钢筋混凝土管片选型： 管片构造形式： 管片内径： 5.4m； 管片厚度： 300

9、mm； 管片外径： 6.0m； 管片宽度： 1.5m； 分块数： 6 块。 衬砌环形式及拼装方式：衬砌环形式。结合本区 间 的 实 际 情 况 ， 采 用 标 准 环、 左转弯环、 右转弯环三种衬 砌 环 形 式 ， 其 中 转 弯 环 用 于隧道纠偏 。 经计算 ， 采用楔形量为 38mm 的衬砌环可以 满足线路设计的需要 ， 使拟合误差不大于 10mm。竖 曲 线 通 过 标 准 环 管 片 与 转 弯 环 管 片 组 合 进 行 拟 合。管片拼装形式。 根据所选用盾构机千斤顶的布置 情 况 ， 经 过 结 构 计 算 比 选 ， 本 设 计 采 用 ABA 错 缝 拼 装 形 式。 允

10、许 误 差 。 为 了 保 证 装 配 式 结 构 良 好 的 受 力 性 能， 衬砌制作和拼装必须达到规范要求的精度。管片质量控制标准：单块检验： 强度等级、 抗渗等级符合设计要求： 宽度： 0.3mm；弧弦长： 1mm； 管片外半径： 2.0mm； 管片内半径 ： 1.0mm。整体拼装检验： 螺栓孔孔径与孔位允许误差 1mm； 相邻环环面间隙 0.6 0.8mm； 纵缝相邻块块间隙 1.5 2.5mm； 相邻螺栓孔不同轴度 1.0mm。3.3 区间隧道结构计算结 构 尺 寸 ： 盾 构 隧 道 内 径 采 用 5400mm， 管 片 厚 度 为 300mm 厚 ， 管片宽度 1500mm。

11、结构计算模型：计算原则砂性土中采用水土分算 计 算 水 土 压 力 ， 粘 性 土 中 采用水土合算计算水土压力；竖直荷载考虑上覆土重。 地层反力与竖向水土压 力、 衬砌自重和地面超载相平衡； 侧 向 荷 载 根 据 地 层 的 侧 压 力 系 数 或 c、 角 计 算 ； 地面超载采用 20KPa；地震作用与主要荷载组 合 进 行 结 构 验 算 ， 并 提 高 接头的整体抗震能力；衬砌计算中考虑接头刚 度 的 影 响 以 及 拼 装 应 力 、盾构千斤顶力的影响等施工荷载； 结 构 抗 浮 安 全 系 数 ： 考 虑 摩 阻 力 时 1.15， 不 考 虑摩阻力时 1.05； 管片裂缝宽度

12、 0.2mm； 相 邻 环 接 缝 1.0 1.5mm、 纵 缝 相 邻 块 接 缝 1.52.5mm。计算模型 盾构管片由于接头的存在 ， 对 衬 砌 内 力 分 布 会 造 成一定的影响。衬砌环的计算对 接 头 的 处 理 有 两 种 方 法 ： 第 一 种 是 将 接 头 看 做 可 以 承 受 轴 力 和 一 定 弯 矩 的 弹 性 铰 ； 第 二 种 是 将 衬 砌 环 看 做 刚 度 均 匀 的 结 构 ， 但 考 虑 到 接头的存在， 将结构的刚度进行折减。本 次 设 计 采 用 了 考 虑 三 个 方 向 不 同 刚 度 的 不 连 续弹簧元来模拟接头及错缝拼装的影响。计算荷载

13、工程材料。普通初砌环 由 钢 筋 混 凝 土 管 片 构 成 ， 混凝土强度等级为 C50， 钢筋采用级， 级。 联络通道- 71 -图 2施工技术 广东建材 2010 年第 2 期处的特殊管片采用 A3 钢板焊 接 制 成 。 管 片 连 接 螺 栓 采用强度等级为 5.8 级的钢材。荷载及组合。 盾构隧道结构设计主要考虑以下荷 载： 地面超 载 （ 一般情况下按 20kpa 计 ） ； 结构自重 G；垂直和水平土压力 Q1、 W1-W2； 水压力；侧向地层抗力； 地层反力； 施工荷载 （ 盾构千斤顶力 ） ； 结构内部荷载； 特殊荷载 （ 地震荷载、 人防荷载 ） 。计算简图：本区间隧道采

14、用喷锚构筑 法 进 行 施 工 ， 为 合 理 利 用围岩的自承能力，尽量减少开 挖 过 程 中 对 围 岩 的 扰 动 ， 采用控制爆破技术开挖， 以锚杆 、 钢 筋 网 、 喷 射 砼 及 钢 架 作为主要施工支护手段， 并通 过 现 场 监 控 量 测 指 导 设 计 和施工。根 据 本 区 间 矿 山 法 隧 道 断 面 较 小 ， 大 部 份 围 岩 较 好， 施工可采用短台阶法开挖， 光面爆破开挖。 掌子面根 据情况必要时喷射混凝土， 在拱脚设锚脚锚管。4.3 导台施工导台作为盾构过境的导向 基 座 ， 设 置 在 马 蹄 形 矿 山 法 隧 道 底 部 ， 采 用 C25 钢 筋

15、 混 凝 土 浇 注 形 成 ， 导 台 的 厚 度 150mm。 须对导台轴线， 弧面标高进行复核， 必须严格 与隧道设计轴线一致。在盾构 过 境 时 ， 为 了 便 于 盾 构 轴 线的控制 ， 在导台上布设 43kg/m 规 格 导 轨 ， 两 导 轨 中 心 角 为 50 ， 导 轨 面 标 高 、 两 导 轨 中 心 轴 线 必 须 满 足 盾 构 推进时盾构中心轴线与设计轴线一致。 导轨安装必须牢 固， 满足盾构推进时稳定性。 导 轨 安 装 完 成 后 必 须 进 行 复核测量， 必要时调整， 合格后 方 可 盾 构 推 进 ， 导 轨 固 定 牢固， 盾构通过时可在导轨上涂牛油

16、， 减小摩阻力。5 结语盾构法 + 矿山法结合施工 工 法 ， 采 用 矿 山 法 施 工 隧 道 初 支 ， 然 后 盾 构 空 推 通 过 本 段 区 间 隧 道 ， 避 免 了 直 接 盾 构 法 施 工 造 成 隧 道 管 片 破 损 、 隧 道 中 心 线 偏 移 、 盾 构 机损坏等诸多难以预料的问题。4 矿山法区间隧道结构设计4.1 衬砌类型及主要支护手段本 区 间 矿 山 法 隧 道 总 长 600m， 所 通 过 围 岩 大 部 分 为 微 风 化 花 岗 岩 、 微 风 化 花 岗 片 麻 岩 ， 本 区间矿山法隧道断面按考虑盾构拼装管片通过的圆形。本区段隧道 以 “ 新奥法 ” 原 理 为 指 导 ， 采 用 复 合 式 衬 砌结构及喷锚支护法。 初期支护主要由锚杆， 钢筋网