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： 瓶 南 轿矮 涸：鼹 ｉ％－．￣ｌｉｉｌｉ：ｌｉｌｉｌ：／ｉ ’ 硬岩地铁隧道钻爆法开挖结合 盾构法衬砌的施工技术 杨书江 （上海交通大学船舶与建筑工程学院，２０００３０，上海∥硕士研究生） 摘要为解决盾构在地铁隧道硬岩插入段中掘进的技术 施工中没有先例，即使在盾构技术比较发达的国外 难题，结合广州市地铁３号线大石南一汉市区间的盾构工程 也鲜有成功经验可循。为减少施工风险，进一步完 项目，采用了如下施工工艺：用钻爆法开挖硬岩隧道并进行 善土压平衡盾构机在硬岩插入段的施工配套技术， 初期支护；隧道底部施作弧形钢筋混凝土导向平台；盾构机 必须探索其他的辅助施工模式。 空载推进拼装管片通过；管片背后与初期支护间的空隙利用 吹米石与注浆结合进行回填等。这种施工工艺拓展了盾构 在广州市轨道交通３号线大石南一汉市区间的 施工的适用范围，解决了在插入段长度超过１００ ｎｌ、抗压强 盾构工程，其右线隧道２２８．５ ｍ、左线隧道１９９ ｍ全 度达１１８ ｋＰａ的硬岩地层采用盾构掘进的施工难题。可为 断面穿越震旦系微风化混合岩带，揭露厚度２．８０～ 类似工程施工提供借鉴。 ２２．６０ ｍ，平均１２．７０ ｍ。岩带的主要物理力学指 关键词隧道施工方法，坚硬岩石，钻爆法，盾构法 标：饱和单轴极限抗压强度 ＝６５．５～１１８ ＭＰａ，平 中图分类号Ｕ ４５５．４ 均９１．８ ＭＰａ；干燥单轴极限抗压强度 ＝１０９～ １２７ ＭＰａ，平均１１８／Ｖ［Ｐａ；软化系数０．６０～０．９３，平 Ｉ）ｒｉＩｌ ａｎｄ Ｂｌａｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｎ Ｈａｒｄ Ｒｏｃｋ 均０．７７。施工中，在盾构机到达硬岩插入段前，利 Ｙａｎｇ Ｓｈｕｊｉａｎｇ 用区间隧道中间风机房的风井作为施工坚井，采用 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｕｒｂａｎ 钻爆法开挖硬岩隧道并进行初期支护，隧道底部施 ｍｅｔｒｏ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｈａｓ ｉｔｓ ｌｉｍｉ— 作弧形钢筋混凝土导向平台，盾构机空载推进拼装 ｔａｔｉｏｎ．Ｆｏｒ ｉｎｓｔａｎｃｅ，ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｌｏｎｇ－ｄｉｓｔａｎｃｅ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ ｓｔｒａｔｕｍ 管片通过，管片背后与初期支护间的空隙利用吹米 ｏｒ ｉｎ ｍｉｘｅｄ（ｈａｒｄ＆ｓｏｆｔ）ｓｔｒａｔａ，ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｉｎ— 石与注浆结合进行回填等新工艺，成功地通过了硬 ｃｏｍｐｅｔｅｎｔ．Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｗｌｔｈ ｄｒｉｌｌ＆ｂｌａｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ Ｗａｓ ｃｒｅａｔｉｖｅｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎ— 岩地层。其工艺流程见图１。 ｓｔｕｒｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ Ｌｉｎｅ ３，ｗｈｉｃｈ ｈｅｌｐｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ １钻爆法开挖、盾构法衬砌的技术特点 ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ １ｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ ｈａｒｄ ｒｏｃｋ ｓｔｒａｔｕｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， １）钻爆法开挖、盾构法衬砌的施工技术作为盾 ｈｏｐｉｎｇ ｔｈａｔ ｉｔ ｍａｙ ｆｕｍｉｓｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｎｓｔｒｕｅ— 构法施工的配套技术，拓展了盾构法施工的适用范 ｔｌｏｎ． 围。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｈａｒｄ ｒｏｃｋ，ｄｒｉｌｌ ａｎｄ ２）有效地避免了盾构机在硬岩插入段中掘进 ｂｌａｓｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ 的施工风险，确保了工程的顺利实施。 ￣ｓｔ－ａｕｔｈ．－’ｓ ａｄｄｒｅｓｓ Ｓｈａｎ曲ａｉ Ｊｉｍｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０００３０， ３）节省大量的刀具费用，同时避免了因硬岩地 Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ 层掘进时盾构机震动剧烈而对设备造成的损坏，延 长了盾构机的使用寿命。 软软土 土及单轴蠹 抗压强度小于 式土８０ Ｍ压Ｐａ 的岩石地层施工 ２施工关键技术 肥＿上一 斑 ，。、 是完全适应的；但是对于长度超过１００ ｍ、单轴抗压 ２．１硬岩段钻爆法施工 强度超过１００ ＭＰａ的硬岩地层，不仅在国内盾构法 －４２－ 维普资讯 http://www.cqvip.com
：濑： 瓣 辫 ｛ 一 －｝｛ 为保持地铁隧道断面的基本一致性，广州轨道 硬岩段钻爆法施工 施工竖井 交通３号线的硬岩段隧道设计为圆形断面，设计施 工采用新奥法原理，根据盾构机通过的需要分为盾 构通过段和盾构接收段。 ２．１．１盾构通过段 硬岩段开挖完后盾构到达 —＿＿｝一般段盾构法施工 碴土清理及刀盘防护 交接面至导台间混凝土浇注 盾构通过段的隧道设计为净空６ ４００ ｍｍ的圆 形断面，比盾构机外径大１２０ ｍｍ。该段采用光面 盾构机推进至导向平台 爆破技术开挖、锚喷网联合支护，具体支护参数根据 围岩条件和监控量测结果进行调整。盾构通过段的 硬岩隧道横断面施工示意图见图２。 ２．１．２盾构接收段 拼装管片 吹填豆砾石（米石） 二二二丁—一．～ ＮＯ 豆砾石吹填效果检查 ＿ 广—一 为了保证盾构机的空间，硬岩隧道靠近盾构开 盾构机空载推进Ｉ Ｉ 盾尾同步注浆 挖隧道的３ ｍ处作为盾构机接收段，净空为６ ８００ ｍｍ。为便于在盾构机到达后对盾构机进行底部处 理，底部７Ｏ。范围内的半径加大到３ ７００ ｍｍ。 ２．１．３导向平台施工 高 盾构机通过硬岩段 为保证盾构机按设计姿态通过，硬岩段的隧道 底部６Ｏ。范围内设置半径为３ １５０ １Ｔｉｍ、厚度为１５０ ｍｍ的弧形混凝土导向平台（如图２）。 ２．２进入硬岩隧道前的盾构机掘进施工 ＝＝］二二二 后期补充注浆 硬岩段施工结束 盾构机进入硬岩隧道前的２５ ｍ作为盾构机到 达段，采用土压平衡模式掘进。盾构机进入到达段 时，逐步减小推力、降低推进速度，并加强出土量的 图１硬岩段施工工艺流程图 图２硬岩段隧道横断面施工示意图（单位：ｍｍ） 监控频次。刀盘转速为１．６５～１．８５ ｒ／ｍｉｎ，盾构机 ａｉｎｏ ｒ力减少为６００ ｔ以内，采用小推力、低速度进入盾构 推进总推力小于８００ ｔ，推进速度不大于２５ ｍｍ／ 接收段。 在盾构机进入硬岩隧道前的１５０～２ＯＯ ｒｒｌ，对盾 构开挖隧道和硬岩隧道洞内所有测量控制点进行一 次整体的、系统的复测和联测，对所有控制点的座标 ・盾构机进入硬岩隧道前的最后３环采用敞开式 模式掘进。掘进速度控制在１５ ｒａｍ／ａｉｒｎ以内，总推 ４３・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
啦ｊ：雨。辄 值 强ｔｌｔ： ： ： ： ：： 惑 ： ｛ 进行精密、准确的平差计算。在盾构机到达硬岩隧 风动扳手对所有管片螺栓进行紧固；待管片出盾尾 道前的１００ ｍ、５０ ｍ时应分别人工复测盾构机姿 后，重新用风动扳手进行紧固。安装管片时推进油 态，及时纠正偏差，确保盾构机顺利进人接收段。 缸的压力设定为５ ＭＰａ。 盾构机在到达段掘进过程中，应派专人负责观 ２．４管片背衬回填 察硬岩隧道段的岩面变化情况。发现围岩或硬岩隧 管片背衬回填由喷射米石、盾尾同步注浆、补充 道初期支护混凝土有较大震动或变形时，应立即通 注浆等组成。通过喷射米石在管片脱离盾尾时对管 知盾构主司机调整掘进参数，防止推力过大而造成 片进行支撑，防止管片下沉产生错台，并增加盾构向 刀盘前部围岩的大面积坍塌。 前推进的摩擦力。利用盾构机同步注浆系统压注水 在碴土清理完成后，用Ｃ３０早强混凝土将盾构 泥砂浆，使衬砌管片与地层问紧密接触，提高支护效 前体下部至硬岩隧道段已施工的导向平台进行顺 果；再根据注浆后的检查结果，从管片注浆孔补充注 接，确保盾构机能顺利过渡到导向平台上。 浆固结管片。 ２．３盾构机步进拼装管片施工 ２．４．１喷射米石回填 盾构机推进前将喷射机、米石等材料机具，通过 在管片拼装的同时进行米石喷射回填工作。喷 硬岩隧道段的施工竖井运至刀盘前方。 射米石分两步进行：第一步，每隔４．５ ｒｒｌ在盾构机的 ２．３．１盾构机步进 切口四周用袋装砂石料围成一个围堰，围堰范围不 根据线路曲线半径，计算出盾构机每推进一环 小于２：００～１０：ｏ０的时钟位置，以防管片背后的米 所发生的偏转角，以及铰接油缸行程差和推进油缸 石、砂浆前窜。从刀盘前方向盾构后方吹人粒径５ 行程差；在盾构推进前复核硬岩隧道与盾构机轴线 ～１０ ｍｍ的米石骨料，喷射压力为０．２５～０．３ ＭＰａ。 误差，根据误差调整铰接油缸、推进油缸的行程差， 第二步，在管片拼装完成并脱出盾尾后，从管片注浆 保证盾构机盾壳与硬岩隧道问的间隙，确保盾构按 孔向管片背后吹人米石骨料。在管片背后间隙较小 隧道设计轴线进行推进。根据刀盘与导向平台之间 时，从注浆孔向管片背后吹米石比较困难。米石性 的关系，调整各组推进油缸的行程，使盾构姿态沿设 能指标见表１。喷射米石回填施工见图３所示。 计线路方向推进，推进速度保持在６０～８５ ｍｍ／ｍｉｎ 表１米石性能检验报告 之间。盾构步进时，派专人在盾构机前方检查、监测 盾构机步进情况，主要检查硬岩隧道的开挖边线是 否有侵入盾构刀盘轮廓的可能、盾构前体下部与导 向平台的结合情况、米石回填是否密实等。 ２．３．２管片拼装 管片拼装工艺与正常掘进时的工艺相同。管片 选型时要根据盾尾间隙与油缸行程差结合盾构姿态 选择合适的管片。通过控制盾构盾尾与管片外表面 注：米石为花岗岩，粒径为５～１０ ｍｍ 的间隙，确保管片拼装符合设计要求。管片每安装 考虑隧道平均超挖１５ ｃｍ，每环管片与隧道开挖 一片，先人工初步紧固连接螺栓；安装完一环后，用 周边的孔隙体积为６．９８ ｍ３，喷射米石后仅填充６０％ ～７０％的孑Ｌ隙，则每环管片需喷射米石约４．５～５ 。 毋 Ｌ ４Ｏ ｍｍ喷砂钢管 — —— ｆｆ 、 ＿扫 ＿ 丽 ， 、 ｝袋围堰 ＾ＡＪⅨ目 。 — ７１ 拖（、 韭 设名 ｒ枥＾ｌ 熏 ｌ 羹 ＿、／Ｉ ／ ｌ ｌＬ＼ ／一 ／菩 —机＠一４内０ ｍ，’ 从ｍ管喷砂片胶注浆管…孔，从向人管舞仓 片孔背进后暮入吹ｒ —盾米—鲁构 石一 薯 图３喷射米石回填示意图 ・４４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
：惑 ： ． ： 惑 ： 搽：： ｛ ： ｌ ：嫌。 瓣 ２．４．２盾尾同步注浆 １）同步注浆浆液性能 同步注浆采用水泥砂浆。浆液初凝时间为８ ｈ， 终凝时间为１０．５ ｈ，施工时根据盾构机推进过程中 浆液的流动情况，适当调整浆液胶凝时间。 ２）注浆工艺 同步注浆在每环管片喷射米石回填后进行，与 盾构机步进同步。注浆通过盾构机自身配备的同步 注浆系统，采用手动控制方式，由人工根据现场情况 调整注浆流量、速度、压力。 （１）注浆压力：为保证对管片背后空隙的有效 填充，同时防止砂浆前窜至刀盘前方，注浆压力取值 为０．０５～０．０８ ＭＰａ。 （２）注浆结束标准：同步注浆时盾壳外围是敞 开的，压力变化不大，不以压力作为注浆结束的控制 标准。当注浆量达到理论注浆量的８０％以上时，即 可结束注浆。在注浆过程加强对盾构机四周以及盾 壳外部的围堰变形的观测，发现有浆液外泄，应暂时 停止注浆。 ３）注浆效果检查 在盾构机管片安装１０环后，每问隔６ ｍ（４环管 片）在管片注浆孔处开口检查注浆效果，根据检查效 果，决定是否进行补充注浆。 ２．４．３补充注浆 １）第一次补充注浆 第一次补充注浆的目的是填充管片背后尤其是 顶部的空洞，确保管片与硬岩隧道初期支护间的密 实度。盾构机步进过程中每６ ＩＴＩ通过管片注浆孔检 查同步注浆效果，管片背后如果存在空洞，利用砂浆 运输罐车从管片上部１：００或１１：Ｏ０的时钟位置的 注浆孑Ｌ注入水泥单液浆，注浆时避开封顶块位置。 ２）第二次补充注浆 在盾构机通过硬岩隧道后，根据管片间渗漏水 情况，采用ＫＢＹ．５０／７０双液注浆泵进行注浆堵水。 浆液采用水泥一水玻璃双液浆。浆液配比水泥：水 玻璃为１：１，注浆压力为０．２～０．３ ＭＶａ，注浆流量 不大于１０ Ｌ／ａｒｉｎ。注浆结束标准采用注浆压力单 指标控制。 ２．５监控量测 监控量测伴随隧道施工全过程，根据量测数据 随时调整施工工艺及工法，确保施工及地表建筑物 的安全。在硬岩隧道钻爆法施工时，主要进行地表 沉降、隧道拱顶下沉及水平收敛的监测。盾构机空 载通过硬岩隧道时，因钻爆法隧道变形已基本稳定， 同步注浆压力仅有０．０５－０．０８ ＭＰａ，不会引起地表 变形，监测以管片拼装后的姿态测量为主，确保隧道 的成洞质量。 ３质量控制措施 ３．１管片防水 盾构机步进通过硬岩隧道时，盾构机盾壳与导 向平台问的摩擦力约为１００ ｔ，管片与盾尾尾刷间的 摩擦力为２０ ｔ，拖拉后配套的拉力为７５ ｔ；即盾构机 在导向平台上向前步进所需反力为１９５ ｔ。现场施 工时，盾构机油缸推力均在３００ｔ以上，没有因止水 条挤压不紧而造成管片漏水现象。为保证管片的防 水效果，施工中采取了以下措施： １）在隧道贯通前安装管片时，每环管片用｛ｌ２２ ｒｎｒｎ钢筋与上一环管片相连，防止因贯通时刀盘前 方突然失去反力造成已安装的管片松动。 ２）在盾构机步进前方，利用导向平台上的预埋 钢板焊接牛腿，安设两个８０ ｔ的千斤顶提供反力； 或者直接在刀盘前方堆碴提供盾构机步进所需的反 力。 ３）安装管片时，在该环管片的螺栓紧固完毕 后，对上一环管片的螺栓进行二次紧固，以保证管片 的块与块之间、环与环之间的紧密连接。 ３．２管片错台的预防 盾构机在导向平台上向前推进时，盾构机的前 体、中体以及盾尾的盾壳与导向平台是紧密接触的， 只要注意管片选型与姿态调整，不会产生大的错台。 １）每３～５环对管片姿态进行人工测量，根据 测量结果结合盾尾间隙进行管片的选型。 ２）加强管片背后喷射米石及注浆回填效果的 检查，确保管片与硬岩隧道初期支护间空隙的充填 密实度，保证管片下部有足够的支撑力。 ３。３盾构机姿态控制 由于盾构机主机的体积大（长８．５ ｍ，刀盘直径 达６．２８ ＩＴＩ）、质量重（重达３００ ｔ），姿态调整比较困 难。在通过硬岩隧道时采取以下措施进行盾构机姿 态的控制： １）积极采取措施，确保导向平台施工精度 导向平台是盾构机通过硬岩隧道时的下部支 撑，其施工精度直接决定着盾构机的姿态。导向平 台施工模板定位后必须进行测量复核， 昆凝土浇注 后应进行标高的复测，确保导向平台的标高施工精 ・４５・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
潮 鼹聩鹰 涸：鼹 ： ： ： ： 惑 ．！ｌｉ：ｌｉ￣ｔ 惑： 。 ． 魏惑 濑 ： 度在０～＋１５ ｍｌ－ｎ以内。 问题，９月２９日停机处理导向平台，１０月６日恢复 ２）调整好隧道贯通时盾构机的姿态 推进；１１月１日盾构机通过硬岩隧道。综合进度 盾构机从盾构开挖隧道进入硬岩隧道前，应及 为：平均每天３．４环（５．１ ｍ），最高每天１３环（１９．５ 时调整盾构机的出洞姿态，确保盾构机出洞时的旋 ｍ）；扣除导向平台造成的影响，平均进度为每天４．８ 转值小于±３ ｍｍ／ｍ。盾构机在导向平台上步进 环（７。１ ｍ）。 时，调整盾构机的旋转值小于±５ ｍｍ／ｍ。 左线隧道于２００３年１１月２２日贯通，１１月２６ ３）做好管片的选型及安装，确保隧道成洞质量 日完成准备工作开始推进，１２月１０日盾构机通过 由有经验的土木工程师２４ ｈ现场值班，综合盾 硬岩隧道。平均进度为每天７．４环（１１．１ ｍ），最高 构机的姿态、盾尾间隙、油缸行程以及盾构机的步进 为每天１４环（２１ ｍ）。 情况等因素，合理选择管片的安装类型；控制推进油 经现场实测管片姿态，高程及平面偏差均小于 缸行程差，使盾构机姿态偏差在±２０ ｍｍ以内、盾 ３０ １Ｔｉｍ，符合《地下铁道工程施工及验收规范》中管 尾间隙均在７０ ｍｍ左右，确保管片受到的油缸推力 片拼装允许偏差（±５０ ｍｍ）的要求，管片表面无破 较平均，以保证在管片脱出盾尾时，盾尾内壳不会挤 损，相邻管片无明显的错台，无渗漏水现象。 压管片外壁，这样可有效防止管片产生错台、裂缝。 参考文献 ４工程应用情况 ［１］杨书江．广州地铁大石——汉溪站盾构工程施工关键技术［Ｊ］． 右线隧道于２００３年９月２０日贯通，９月２４日 现代隧道技术，２００４（６）：３７． 完成准备工作开始推进；但因混凝土导向平台标高 （收稿日期：２００５一Ｏ６—１Ｏ） 浦东将建现代有轨电车 上海浦东建设局有关人士近日透露，目前张江、陆家 嘴、三林地区正在开展有轨电车试验线路的研究工作，预 计今年内张江高科技园区内将跑起有轨电车。 １９０８年上海诞生了有轨电车，从当时的虹口公园行 驶至静安寺，但这种老式的有轨电车已经不可能再恢复 了。据了解，国外如柏林、伯明翰、布鲁塞尔、科隆、法兰 克福、日内瓦、巴黎等城市的有轨电车较为发达，当今有 轨电车其实是高科技的结晶，使用先进的牵引、制动设 备。它一般为两节车厢编组，可容纳１８０—１９０人，是普 通单节公交车的两倍。新型有轨电车平均时速可达２０ ｋｍ，比城市中公交车平均时速快３０％；同时，有轨电车普 日本广岛有轨电车 遍使用长钢轨，基本设有接头，行驶中车轮与钢轨的摩擦噪声较低。 浦东有关部门已经对张江园区内开设有轨电车线路进行了调研，相关可行性方案正在制订过程中，有的 方案准备把有轨电车打造成景观车，在电车轨道两旁植树，使得电车在绿树丛中行驶，也有方案构想把整个 张江园区变成一个有轨电车网络，由高架和地面线路结合而成。浦东建设局综合交通处负责人表示，大约在 今年年底前，电车将驶上轨道。 陆家嘴等地区由于是建设比较成熟的地区，建造电车轨道需要新的规划和调整，眼下相关的协调工作正 在进行之中。 （摘自２月１３日《环球时报》、大公网） －４６－
