硬岩地层盾构区间联络通道快速开挖技术
发布时间：2020-03-18
摘要：长沙地铁5号线马王堆站—尹家湾站区间联络通道因断面小、操作空间有限，尤其在硬岩地层中施工更是困难重重。经研究，总结并提出了适用于中风化砾岩开挖施工的二十字方针，解决了硬岩地层联络通道快速开挖技术难题，取得了良好的实践效果，对类似工程具有较强的参考意义。
关键词：轨道交通;联络通道;中风化砾岩;快速开挖;二十字方针
近年来，在城市轨道交通施工领域，盾构法凭借安全、施工快速、对环境影响小等优点，已成为区间施工的主流工法。盾构区间联络通道作为盾构法隧道附属工程，因其洞内开洞时的应力重分布及暗挖工法自身的高风险，所以其施工工法逐渐被人们所重视，并形成了较为成熟的浅埋暗挖法、冻结法[1]等施工工法。目前，已有城市开始使用NOMJS(顶管直接切削管片联络通道施工)顶管法[2]、盾构法[3]施工联络通道并获得成功，进一步丰富了联络通道施工工法。
以往业界更多关注高水位地层、砂质地层、饱和软土地层以及复杂施工环境下联络通道的暗挖施工[4]和冻结法施工。相对于上述地层和环境中成熟的施工工法，硬岩地层中的联络通道施工则因安全风险相对较小、开挖方式不同、各地岩性差异等问题，一直没有形成较为系统、成熟的快速开挖施工工法。
鉴于此，依托长沙地铁5号线马王堆站—尹家湾站区间(以下简称“马—尹区间”)联络通道施工项目，结合并对比分析中风化砾岩地层中常使用的联络通道开挖技术，提出适用本项目的快速开挖工法，成功实现了安全、快速开挖。
1工程概况
1.1设计概况
马—尹区间长度为653.842m，共设置1座联络通道，位于长沙市万家丽路与古汉路交界处。施工图设计文件中无地面加固措施，洞内设置超前小导管支护拱顶，初支设计为钢筋格栅拱架，间距0.75m。
联络通道设计开挖断面高4.2m，宽3.7m，为上拱下方形，拱弧半径为1.85m。通道开挖长度为5m，一般断面面积14.07m2，总开挖土方量约78m3。通道拱顶埋深约13.92m，地下水稳定水位埋深约4.8m。
1.2工程地质
联络通道洞身所处地层主要为中风化砾岩，洞顶以上地层由下至上分别为中风化砾岩、强风化砾岩、圆砾、黏土及素填土(图1)。
地勘报告中对中风化砾岩的具体描述为：紫红色，碎屑结构，厚层状构造，泥质胶结为主，局部含钙质，胶结程度较差-稍好。岩芯呈短柱状，砾石成分多为板岩、泥岩，少量灰岩、石英，砾石呈亚圆形，一般粒径2～40mm，软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅳ级。岩石质量指标为较差的(55%～70%)，岩石采取率为75%～85%，天然抗压强度为6.5～19.5MPa，平均值为12.1MPa。
2硬岩地层快速开挖技术
根据标段总体工程筹划要求，该联络通道需在25d内完成开挖及初支施工，以便为后续铺轨工程的开展提供必要条件。结合地勘情况制订了人工风镐台阶法开挖的方案，但实施过程中因岩体可挖性不及预期，导致工期无法保证。随后，经对地铁区间硬岩地层联络通道常用开挖方案进行对比、优化和组合，形成了适用于中风化砾岩地层的联络通道快速开挖技术。
2.1原定开挖方案
根据地勘报告提供的工程地质信息，联络通道洞身所处中风化砾岩自稳性好，岩体属于Ⅳ级围岩，平均强度仅为12MPa左右，具有良好的可挖性。结合以往经验，开挖方案设计为人工风镐施工台阶法开挖。根据通道断面尺寸及格栅拱架设计情况，确定上台阶高度为2.5m，下台阶高度为1.7m。联络通道开挖计划由右线进洞，开挖前该区间右线实现洞通并完成临时轨道、走道板的拆除，左线盾构超过联络通道位置65环，已完全具备施工条件。开挖期间的渣土由农用车在右线完成运输外弃。
2.2原方案存在的问题
联络通道正式开挖后，发现通道岩体整体性极好，人工风镐开挖进度极其缓慢，开挖累计3个班次、36h，上台阶整体开挖进尺不足0.15m，累计开挖方量仅约1m3。按此进度施工预计联络通道开挖完成需112d，进度无法满足工程实际需求且人工成本将急剧上升，该方案已不具备可实施性。
2.3开挖方案对比及快速开挖技术
为实现联络通道安全、快速开挖，满足工期节点要求，经过对地铁盾构区间硬岩地层联络通道常用的人工风镐开挖、静态爆破[5]开挖、微型油压劈裂机开挖、小型液压破碎机开挖4种方案的优、缺点进行对比，组合优势项目、互补短板，形成了适合中风化砾岩地层联络通道施工的快速开挖技术。
硬岩地层联络通道快速开挖技术由人工风镐开挖、微型油压劈裂机开挖和小型液压破碎机开挖3种方案组合而成。在加强开挖监控量测的基础上，提出本技术“安全进洞、全面推进、快速支护、探孔保护、后退成型”二十字方针。
2.3.1人工风镐开挖
该方案优点为：无需其他大型设备及资源投入，适合小空间操作;开挖轮廓较规整，可节约因超挖而回填的喷射混凝土。该方案缺点为：开挖效率低，每天可处理岩体不超过0.7m3;开挖过程中可能出现岩渣飞溅情况;长时间开挖的人工成本急剧增加，存在劳务纠纷风险。
该方案理论上需112d，不满足工期要求。人工成本约为67.2万元。
2.3.2静态爆破开挖
该方案优点为：适合小空间操作;预裂过程无噪声、无振动、无岩渣飞溅。该方案缺点为：仍需人工配合，安装膨胀剂前须打孔作业，并须制造临空面;预裂反应时间长达20h，处理效果受装药深度、岩体厚度及临空面等条件影响较大;除人工成本外须增加膨胀剂材料成本，且人工成本仍然较高;受开挖面及钻孔影响，每天可处理岩体不超过1m3。
该方案理论上需78d，不满足工期要求。人工成本约46.8万元，膨胀剂成本约3.75万元。
2.3.3微型油压劈裂机开挖
该方案优点为：劈裂机设备小巧，适合小空间作业;操作安全，劈裂过程无持续噪声、无振动、无岩渣飞溅;劈裂过程仅需2min。该方案缺点为：劈裂前须打设劈裂孔，并须制造临空面;处理效果受劈裂孔位置、岩体厚度及临空面等条件影响较大;除人工成本外须增加设备成本，且人工成本仍然较高;受开挖面及钻孔影响，每天可处理岩体不超过1.5m3。
该方案理论上需52d，不满足工期要求。人工成本约31.2万元，设备成本约0.92万元。
2.3.4小型液压破碎机开挖
该方案优点为：可有效控制人工成本;破碎岩体速度较快，综合平均每天可处理岩体总量约3.5m3。该方案缺点为：施工所需操作空间相对较大;进洞段管片背后拱顶部分无法开挖，仍需人工配合，风险高、效率低;破碎过程中噪声、振动较大，可能出现岩渣飞溅情况;开挖轮廓超挖难以控制，回填喷射混凝土量大、拱部回填质量难以保证，初支仰拱难以及时封闭;除人工成本外，设备投入成本相对较高。
该方案理论上需23d，满足工期要求。人工成本约13.8万元，设备成本约6万元。
2.3.5快速开挖技术
该方案优点为：采用破碎机、劈裂机和人工风镐开挖组合施工，进洞段劈裂机所需临空面由破碎机提供，人工仅为修边工作，可安全、快速完成;拱弧位置人工修边，减少喷射混凝土回填量;利用临时仰拱可快速封闭初支，提高安全系数，有利于成品保护;进度快，综合平均每天可处理岩体总量约4m3。该方案缺点为：施工所需操作空间相对较大;破碎过程中噪声、振动较大，可能出现岩渣飞溅情况;除人工成本外，设备投入成本相对较高。
该方案理论上需20d，满足工期要求。人工成本约12万元，设备成本约6.5万元。
1)快速开挖技术的“安全进洞”主要指对进洞处开挖方案的优化，因联络通道右线拱顶中风化砾岩地层厚度较薄，为保证安全，进洞处使用了小型液压破碎机开挖、微型油压劈裂机处理管片背后岩层再配合人工风镐修边的工艺，达到了快速施工初支的目的，缩短了进洞处岩体暴露时间，保证了安全。
2)快速开挖技术的“全面推进”则是指开挖进尺以格栅拱架间距为单位，完成上台阶开挖及初支后，立即开挖下台阶岩体，全断面初支完成后，再继续下一循环。根据设备开挖及人工修边需要，上台阶开挖高度调整为2m，下台阶开挖高度调整为2.2m;为保证上台阶格栅拱架安装，两侧拱脚位置须开挖0.5m×0.5m的安装槽(图2)。
3)快速开挖技术的“快速支护”强调初支闭合的及时性，保证通道整体安全。为保证开挖后能快速进行格栅拱架施工，通道上台阶拱弧范围内采用小型液压破碎机开挖配合人工风镐修边的方式施工，通道下台阶直墙部分则直接采用小型液压破碎机开挖施工，出现超挖情况时，采用喷射混凝土回填后再进行格栅拱架安装。为保证仰拱部分封闭的及时性，防止设备作业过程对钢筋仰拱的破坏，遂对仰拱部位格栅进行了设计优化，设置了临时仰拱，实现了快速支护。
4)快速开挖技术的“探孔保护”则是出于对贯通面管片的保护、避免出洞处应力急剧变化以及左线盾构施工安全的考虑，要求机械开挖至通道贯通面10cm位置时转由人工开挖。为保证精准的10cm控制距离，在机械开挖至该位置前，于贯通面管片背后1.8m×3.0m开口范围内设置6个探孔进行定位(探孔深度应钻透管片并深入岩层不少于10cm)，用以控制开挖转换面的位置。
5)快速开挖技术的“后退成型”就是通道挖通之后，由远端向进洞端逐榀拆除临时仰拱、安装正式钢筋格栅并喷射混凝土，形成完整初支体系。2.4快速开挖技术实施结果通过硬岩地层快速开挖技术的应用，马—尹区间联络通道在正式开挖24d后安全、顺利地实现贯通。工期较节点要求提前1d，同时消除了人工成本急剧增加的风险，避免了可能发生的劳务纠纷，取得了理想的结果。
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3技术实施关键点
3.1安全进洞方案
因联络通道右线进洞段拱顶上覆强风化砾岩与富水圆砾层长期共存，开挖后上覆强风化层在失去中风化岩体支撑的情况下极有可能软化坍塌。虽此处设计有超前小导管支护，但进洞端格栅拱架为3榀连排，安装所需空间相对较大。如何在保证安全的前提下提供格栅拱架安装所必需的空间，是该联络通道开挖进洞必须考虑的问题。通过对各开挖方案进行比较、优化，制订了能够快速提供格栅拱架架设空间的安全进洞方案。该方案首先由小型液压破碎机开挖上台阶岩体，然后人工风镐打孔，并使用微型油压劈裂机对管片背后设备无法开挖位置的岩体进行劈裂，最后由人工使用风镐对拱部进行修边，完成后立即施工上台阶初支，保证进洞段的安全(图3)。
根据格栅拱架设计情况，为保证小型液压破碎机开挖操作及拱顶微型油压劈裂机操作所必需的空间，选取进洞段上台阶开挖长度为1.4m，该范围内涉及格栅拱架共计5榀，其中进洞段密排拱架3榀、正洞格栅拱架2榀。施工时先将正洞第2榀格栅拱架位置处理完成，进行初支施工后再反向开挖正洞第1榀及密排3榀格栅拱架位置。进洞段开挖及初支施工总时间控制在5个开挖班(60h)以内，同时要做好拱顶坍塌的应急准备。
3.2临时仰拱
为保证仰拱部分封闭的及时性，防止设备作业对钢筋格栅的破坏，考虑原设计下台阶仰拱部位钢筋格栅无法承受设备自重及反复行走增加的荷载，特对设计格栅拱架进行了优化，增设临时仰拱，取消开挖阶段仰拱位置喷射混凝土施工，提供设备作业;在联络通道全部开挖完成后，再逐榀拆除临时仰拱，施作永久初支(图4)。
临时仰拱设计细节主要有两方面：第一，将拱架单元连接件位置调整至拱脚位，在格栅底部加装厚10mm钢板，确保拱脚稳定。第二，使用20a#工字钢与钢筋格栅进行连接，形成单环封闭拱架，并用间距35cm的C20钢筋将各道工字钢连成整体，最后在上面铺设厚10mm、宽3m的钢板，形成临时仰拱。临时仰拱所铺钢板边缘距两端连接件接口为15cm，为该位置连接螺栓拆除预留作业空间。
4施工组织重点
因联络通道施工场地有限，快速开挖技术在实施过程中，开挖与出土之间的协调、转换是施工组织的重点。为保证施工顺利以及对成型隧道管片的保护，结合联络通道洞内临时支撑，设计了专用的工作平台，避免了设备间的相互干扰，实现了开挖与出土的快速、有序转换。工作平台由Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区这3个部分组成(图5)。其中Ⅰ区主要功能是提供小型液压破碎机开挖、进洞以及农用车停留装土所需工作平台，其高度与下台阶管片开口高度一致，便于设备进出通道及出土;Ⅱ区为出土时小型液压破碎机的停留平台，其高度与Ⅰ区一致;Ⅲ区为设备上下Ⅰ区的坡道[6-7]。
工作平台由间距0.75m的20a#工字钢框架和间距0.35m的C25骨架钢筋组成，其中工字钢需与临时支撑40a#工字钢立柱焊接牢固，骨架钢筋上铺厚10mm钢板，将平台框架连接成为整体。
5结语
在马—尹区间联络通道实施的硬岩地层快速开挖技术，不但使得整体开挖施工提前节点要求完成，而且相较传统技术具有施工效率高、进洞快速安全、初支封闭及时、成榀保护到位和降低人工成本等优点。通过总结，提出了该技术实施的“安全进洞、全面推进、快速支护、探孔保护、后退成型”二十字方针，针对技术关键点和施工组织重点等关键细节进行了详细的阐述，形成了较为系统的施工理念，为其他同类项目或相似地层条件下的暗挖施工提供有效参考。在硬岩地层联络通道开挖施工尚未形成系统、成熟的快速施工工法的背景下，该技术更具有推广价值。
