地铁盾构区间隧道的矿山法施工

地铁盾构区间隧道的矿山法施工

【摘要】盾构法隧道施工经常会遇到上软下硬不均匀地层，此时倘若隧道下穿既有线或建筑物不具备开舱换刀条件，将会导致盾构机无法正常掘进。在深圳地铁5号线盾构区间上软下硬地层中，局部改用矿山法开挖、初期支护后由盾构机拼装管片通过的施工方法，其经验可供地铁隧道施工参考。

【关键词】矿山法；台阶法；盾构区间隧道；上软下硬地层；长管棚；超前小导管；

1、引言

矿山法是传统的地下巷道施工方法，其主要特点是以钻眼爆破方式开挖土石。20世纪50年代，奥地利学者拉布西维兹提出了岩体自身具有承载能力的理论，给传统矿山法赋予了新的理念，逐步形成了以保护和发挥围岩的自承能力为原则，以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚喷支护为主要支护措施，通过监控量测手段实现信息化动态施工的一种现代隧道施工技术。现代矿山法[1]，即新奥法具有施工技术简单、工程造价低等特点，被广泛应用于山岭隧道工程[2～4]。

21世纪以来，随着城市轨道交通的发展，我国进入了地下铁道建设的高峰期。地铁工程一般覆盖层较浅，大多处于淤泥质、粉质粘土地层或砂卵石地层中(尤其是在上海、广州、深圳等地)，地下水位通常较高，地层自稳能力差，周边环境复杂。为了确保施工安全、减少地表沉降、加快施工速度，地铁工程大多采用盾构法施工。但在复杂的地层环境中，盾构施工经常会遇到上软下硬等不均匀地层，在这样的地层中掘进会引起刀具严重磨损不能正常使用，假如此时地铁下穿既有线或其他建筑物、不具备开舱换刀条件，将会导致盾构机无法正常掘进。如何解决盾构区间隧道上软下硬地层中下穿既有线或其他建筑物的掘进问题，深圳地铁5号线所采用的矿山法为工程界提供了一个先例。

2、工程概况

2.1工程概况

深圳地铁5号线民治—五和区间线路整体呈东西走向，区间起点位于民治大道东侧、平南铁路南侧的既有道路下方，出民治站后与平南铁路平行前进，经坂田火车站后向北偏转，四次下穿平南铁路后进入五和站，终点位于五和南路。左右两线总长4 061.59 m，线间距11.9～15.5 m。

隧道顶部覆土厚11.5～33.0 m。隧道主要穿越砾质粘土、砾砂、全风化花岗岩及少量强风化与中风化花岗岩。地下水主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于冲洪积砂层、圆砾层、坡积层、残积层、全风化花岗岩中。基岩裂隙水主要赋存于花岗岩强—中风化层中，略具承压性。地下水埋深1.22～17.8 m。区间隧道采用土压平衡式盾构施工，盾构机外径6.28 m。隧道衬砌采用6块管片错缝拼装而成，管片环宽1.5 m，外径6.0 m，厚度0.3 m，隧道内径5.4 m。

2.2工程难点

线路条件复杂，隧道上覆地层薄，最小仅11.5 m，同时下穿运营铁路，地表沉降要求高，施工难度大。

隧道断面范围内地质复杂，存在上软下硬地层，尤其是在右线DK23+241.5～+292.4（50.9 m）段，有微风化岩层侵入隧道断面内2.8 m，岩石单轴饱和抗压强度达到160 MPa，盾构机难以掘进，故区间隧道施工的难点是盾构机如何穿越硬岩侵入段。

3、施工方案

在饱和软土地区开挖隧道，采用盾构法施工具有安全、快速、对环境影响小等优点[4]。但是，对于硬岩及软硬差异大的上软下硬地层，采用盾构法施工会造成刀具严重磨损、需要多次更换刀具的现象[6]。该段隧道硬岩侵入断面2.8 m，侵入长度达50余米，若采用盾构法掘进，需要多次更换刀具，但由于隧道下穿运营中的平南铁路，不具备开舱换刀条件，因此采用盾构法无法掘进。

现代矿山法是以保护和发挥围岩的自承能力为原则，以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚喷支护为主要支护措施，通过监控量测手段实现信息化动态施工的一种现代隧道施工技术，该法与相应的地层预支护手段相结合可以灵活地应用于各种地层。综合考虑隧道穿越硬岩侵入段的环境条件、施工安全及技术经济因素，拟采用矿山法开挖，初期支护后盾构机拼装管片通过。

为减小施工风险，将矿山法施工长度延长到54m，即对右线DK23+238.3～+292.3(54 m)段采用矿山法施工。具体方案是：在DK23+235处修建竖井作为矿山法施工通道，设置60 m长管棚超前支护配合小导管注浆；隧道开挖采用台阶法、控制爆破，初期支护采用锚网喷及钢拱架联合支护。矿山法隧道施工完成后，在隧道底部施作盾构导向平台，盾构机在导向平台支撑及引导下空载推进并拼装管片，从而通过硬岩侵入段。

此外，为保证矿山法隧道端头墙的安全及盾构机能顺利进入前方土体，采用C25素混凝土全断面封堵端头墙。

4、矿山法结构设计

4.1矿山法隧道结构设计

隧道断面为马蹄形结构，内部净空最小尺寸为6.4 m，采用复合式衬砌（图1）。初期支护由网喷混凝土与钢架组成支护体系，钢筋网间距为150mm×150 mm，喷混凝土等级为C25，钢架采用I20b格栅钢架（间距0.5 m）；二次衬砌为盾构拼装式管片。

超前支护采用φ159 mm长管棚支护及φ42mm小导管注浆，管棚长60 m，间距250 mm，共37根；隧道开挖之前在长管棚之间设置φ42 mm、长4.0 m超前小导管，并通过小导管向围岩预注浆。

4.2竖井结构设计

在DK23+235处修建施工竖井，竖井断面为7.5 m×8.6 m。为保证盾构机能顺利到达竖井，在竖井小里程方向安装钢洞门及帘布板，竖井周边采用旋喷桩加固，加固范围为上下左右各3 m，隧道轴线方向5 m。

为了确保竖井施工安全，竖井井壁采用锚、网、喷及格栅钢架联合支护。锚杆为长度5.0 m、直径22 mm的砂浆锚杆，间距1.0 m，呈梅花形布置；喷混凝土等级为C25，厚度400 mm；钢架间距0.5 m，在钢架内外侧全环布设直径10 mm、间距150 mm的钢筋网。井底设置型钢钢架支撑及C25、厚400mm的网喷混凝土（图2）。

5、矿山法隧道施工

矿山法隧道施工工艺见图3。

5.1超前管棚施工

（1）管棚制作