孫飛祥，彭正勇，周建軍，楊振興，張繼超，唐縱雄

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458； 3. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361001)

0 引言

礦山法和盾構(gòu)法是最常用的2種隧道施工方法，其中盾構(gòu)法以其機(jī)械化程度高、施工速度快、施工安全性好、對周邊環(huán)境影響小、適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)在隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。礦山法雖然存在開挖速度慢、施工時(shí)間長、對地層擾動(dòng)大、施工環(huán)境差等不足，但在地質(zhì)適應(yīng)性、機(jī)動(dòng)靈活等方面優(yōu)勢明顯，因此，目前仍是不可或缺的主要隧道施工方法之一[5]。目前，我國隧道工程正在向長距離、大埋深、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境等方向發(fā)展，“長距離掘進(jìn)”對于單臺盾構(gòu)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)[6]，因此多臺盾構(gòu)、不同工法同時(shí)應(yīng)用于同一工程往往是更加高效的選擇[7]。由此可見，“盾構(gòu)法-盾構(gòu)法”和“盾構(gòu)法-礦山法”相向施工、地中對接作業(yè)也更加常見。

針對“盾構(gòu)法-盾構(gòu)法”隧道對接技術(shù)已有較多研究，并形成了“相向施工、地中對接、洞內(nèi)解體”等較為成熟的對接施工技術(shù)[8-10]。針對“盾構(gòu)法-礦山法”對接施工技術(shù)的研究，馬小汀[11]依托實(shí)際工程介紹了“盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接中礦山法貫通施工技術(shù)，但并未對選擇礦山法貫通的原因進(jìn)行深入分析；張常光等[7]調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國外并無“盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接施工相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道；汪茂祥[12]詳細(xì)介紹了盾構(gòu)穿越礦山法隧道施工關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)；徐延召等[13]從控制管片結(jié)構(gòu)錯(cuò)臺、上浮問題出發(fā)，探討了盾構(gòu)法貫通施工關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制措施。然而，上述研究內(nèi)容均為針對特定貫通方式開展的，未對特定貫通作業(yè)方式的選擇進(jìn)行探討。孫飛祥等[14]指出“盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接施工存在盾構(gòu)法貫通和礦山法貫通2種方式，通過比較2種貫通方式存在的風(fēng)險(xiǎn)種類及控制難易程度，認(rèn)為盾構(gòu)法是一種更為安全的貫通方式；張繼超等[15]針對盾構(gòu)法貫通存在的風(fēng)險(xiǎn)，采用WBS-RBS法辨識風(fēng)險(xiǎn)源，通過AHP法建立風(fēng)險(xiǎn)評估體系，對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估定級，有助于對接施工風(fēng)險(xiǎn)定量管控。

“盾構(gòu)法-礦山法”對接施工貫通方式的選擇需要考慮工程地質(zhì)條件、工期、不同工法特點(diǎn)、施工風(fēng)險(xiǎn)等眾多因素，其中工程地質(zhì)是最為重要且復(fù)雜的因素之一?？紤]前人在進(jìn)行貫通方式選擇上往往依賴于經(jīng)驗(yàn)，本文結(jié)合已有研究基礎(chǔ)，考慮不同圍巖等級條件下的“盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接施工環(huán)境，借助數(shù)值計(jì)算方法模擬不同工況下隧道貫通施工過程，以圍巖塑性區(qū)發(fā)展和隧道變形作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，建立一種考慮圍巖級別的“盾構(gòu)法-礦山法”對接貫通方式選擇及對接位置確定方法，以期從理論上更好地指導(dǎo)隧道對接設(shè)計(jì)和施工。

1 “盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接主要過程

“盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接存在盾構(gòu)法和礦山法2種貫通方式，為了便于選擇最佳的貫通方式，有必要明確2種貫通方式的主要施工過程。

1.1 盾構(gòu)法貫通主要過程

1.1.1 前期準(zhǔn)備

盾構(gòu)法貫通前期準(zhǔn)備工作主要包括：

1)盾構(gòu)選型。地中對接拆機(jī)作業(yè)空間狹小，對接位置圍巖常需要進(jìn)行輔助加固，因此盾構(gòu)裝備需具備超前注漿功能，且盾構(gòu)組裝塊體體積及質(zhì)量不能超過特定限值。

2)盾構(gòu)工作狀態(tài)檢查。檢查導(dǎo)向系統(tǒng)工作狀態(tài)，準(zhǔn)備盾構(gòu)拆機(jī)工具，加強(qiáng)盾構(gòu)姿態(tài)測量。

3)對接位置確定。綜合水文地質(zhì)條件、施工進(jìn)度計(jì)劃及盾構(gòu)設(shè)備狀況等因素選擇圍巖較好的區(qū)域進(jìn)行對接施工。

1.1.2 貫通施工

首先，將礦山法施工的隧道一側(cè)開挖至對接面，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境完成對接位置的圍巖加固，布設(shè)盾構(gòu)接收裝置。其次，由盾構(gòu)法完成隧道貫通作業(yè)： 當(dāng)盾構(gòu)法開挖至距對接面一定距離時(shí)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)姿態(tài)，加強(qiáng)壁后同步注漿和二次注漿，同時(shí)保證管片連接、密封安全可靠；加強(qiáng)礦山法隧道側(cè)監(jiān)控量測，根據(jù)測量結(jié)果逐漸降低泥水艙壓力，最終零泥水壓力下刀盤擊穿掌子面；盾構(gòu)空推至拆機(jī)位置，并完成剩余管片拼裝。

1.1.3 盾構(gòu)拆機(jī)作業(yè)

1)技術(shù)籌備： 包括總體思路、拆解順序安排、輔助工裝加工、吊點(diǎn)設(shè)置、吊具加工及購置、分塊大小編排、下落翻身設(shè)計(jì)、運(yùn)輸組織、拆解或內(nèi)移等。

2)拆解工藝： 盾構(gòu)主機(jī)部件、設(shè)備的吊裝主要采用在盾殼及管片螺栓上焊接或安裝吊耳、吊梁，設(shè)置手拉葫蘆吊裝，在下部設(shè)置支撐、作業(yè)平臺。盾構(gòu)后配套拖車進(jìn)行局部拆解和平移，整體裝運(yùn)。個(gè)別部件利用液壓千斤頂輔助拆卸、翻身和吊裝，從而完成各個(gè)部分的拆裝和運(yùn)輸。

1.2 礦山法貫通主要過程

礦山法貫通同樣包括前期準(zhǔn)備、貫通施工和盾構(gòu)拆解作業(yè)3個(gè)主要過程。不同于盾構(gòu)法貫通，礦山法貫通要求盾構(gòu)法隧道一側(cè)首先掘進(jìn)至對接面；礦山法貫通過程以盾構(gòu)隧道中心為導(dǎo)向進(jìn)行隧道開挖；接近盾構(gòu)時(shí)嚴(yán)格控制炸藥用量和開挖進(jìn)尺，控制爆破對圍巖的擾動(dòng)，采取施加膨潤土等措施減小盾構(gòu)裝備受到的爆破沖擊破壞。

為避免礦山法施工對盾構(gòu)裝備的沖擊影響，提高盾構(gòu)裝備周轉(zhuǎn)使用率，盾構(gòu)裝備在隧道貫通之前于盾構(gòu)隧道內(nèi)完成拆解、撤離是一種更好的選擇。因此，根據(jù)盾構(gòu)拆機(jī)的位置及時(shí)間不同，礦山法貫通中的拆機(jī)可分為提前拆機(jī)和正常拆機(jī)。

所謂盾構(gòu)正常拆機(jī)，即盾構(gòu)裝備待隧道貫通后空推至礦山法隧道內(nèi)部進(jìn)行拆解。該方法適用地層環(huán)境更廣，且盾構(gòu)裝備拆解作業(yè)空間大。其不足是盾構(gòu)需要在隧道內(nèi)長時(shí)間停機(jī)而導(dǎo)致周轉(zhuǎn)使用率低；較大圍巖變形可能引起盾構(gòu)“卡機(jī)”風(fēng)險(xiǎn)；盾構(gòu)裝備面臨爆破開挖所產(chǎn)生的沖擊影響等。

所謂盾構(gòu)提前拆機(jī)，即盾構(gòu)裝備在隧道貫通前于盾構(gòu)法隧道內(nèi)部進(jìn)行拆解。該種方法可以避免正常拆機(jī)所面臨的3個(gè)主要問題。缺點(diǎn)是該方法僅適用于圍巖較好的地層，對于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，拆機(jī)前需要施加可靠的預(yù)支護(hù)等輔助措施；此外，該種方法還面臨拆機(jī)作業(yè)空間狹小等問題。

2 礦山法貫通過程數(shù)值計(jì)算

2.1 模型建立

某地鐵隧道采用“礦山法+盾構(gòu)法”施工。隧道設(shè)計(jì)縱斷面地質(zhì)剖面圖(見圖1)顯示： 盾構(gòu)法隧道與礦山法隧道對接于〈17-5〉微風(fēng)化花崗閃長巖中，上覆中、粗、礫砂層，〈17-1〉全風(fēng)化花崗閃長巖，〈17-2-1〉散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖，總覆土厚度26.13 m，海平面以下44.51 m。其中，礦山法隧道為馬蹄形, 寬8.0 m，高9.6 m；泥水盾構(gòu)隧道管片外徑6 700 mm，厚350 mm，寬1 500 mm，管片外側(cè)注漿層厚度為150 mm。根據(jù)上述條件，數(shù)值模型長度取50 m；上邊界取至海底(礦山法隧道埋深25.00 m)，隧道下方取17.00 m，高度為50.00 m；模型寬度取60.00 m，數(shù)值模型見圖2。實(shí)際地層粗、礫砂層6.70 m，散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長巖6.50 m，微風(fēng)化花崗閃長巖3層，各地層參數(shù)取值見表1。盾構(gòu)隧道直徑為7.00 m，盾構(gòu)主機(jī)長度取9.00 m。

圖2 數(shù)值模型(單位： m)

2.2 參數(shù)選擇

2.2.1 隧道埋深及原始地應(yīng)力

對接處總覆土厚度27.20 m，位于海平面以下46.00 m，最大水壓力達(dá)到0.46 MPa。豎向應(yīng)力取自重應(yīng)力，水平應(yīng)力根據(jù)表1提供的靜止側(cè)壓力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算取值。一般對接位置需要避開富水破碎地層，因此，海水壓力可簡化為上覆荷載。

2.2.2 圍巖與支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)

假定圍巖及支護(hù)材料均為理想彈塑性體。不限于實(shí)際工程，取Ⅱ—Ⅴ級圍巖條件共4種工況開展計(jì)算分析。其中，各級工況中巖體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)根據(jù)現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中所給出的Ⅱ—Ⅴ級圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行選定。

表1 地層巖土力學(xué)參數(shù)

鑒于規(guī)范僅給出了圍巖物理力學(xué)指標(biāo)的取值范圍，各工況巖體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)均取最不利組合，即： 重力密度和泊松比取最大值，內(nèi)摩擦角、黏聚力和彈性模量取最小值。對實(shí)際工況巖體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)組合按勘察報(bào)告推薦值進(jìn)行選用。各工況圍巖力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 各工況圍巖力學(xué)參數(shù)取值

不考慮注漿材料力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間變化的復(fù)雜特性，注漿層泊松比取0.2，彈性模量取300 MPa。在數(shù)值模擬過程中,將盾構(gòu)等效為加厚殼體結(jié)構(gòu)，這里參照尾盾盾殼厚度進(jìn)行取值，盾構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表3所示。

表3 盾構(gòu)殼體物理力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等，“礦山法-盾構(gòu)法”隧道對接位置隧道屬于小跨深埋隧道，考慮最不利情況，Ⅱ—Ⅳ級圍巖中均不考慮施加錨桿支護(hù)；各工況襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級均取C35，管片結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C55，對應(yīng)參數(shù)取值見表4。

表4 襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)取值

2.3 盾構(gòu)拆機(jī)對地層穩(wěn)定性的影響

拆除盾構(gòu)裝備等效于解除限制盾構(gòu)隧道圍巖及開挖面變形的約束作用，分別對Ⅱ—Ⅴ級圍巖地層(含實(shí)際地層)中盾構(gòu)拆機(jī)對圍巖塑性區(qū)和變形增量發(fā)展情況開展計(jì)算分析。

計(jì)算模型中，考慮盾殼與圍巖緊密接觸，拆除盾構(gòu)裝備的同時(shí)撤去開挖面泥水壓力。僅考慮圍巖等級單一變量因素，各工況均不考慮圍巖施加輔助加固措施，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示： 未拆機(jī)前，Ⅱ—Ⅳ級圍巖均無塑性區(qū)產(chǎn)生，Ⅴ級圍巖存在少量塑性區(qū)；提前拆機(jī)后，Ⅱ級和Ⅲ級圍巖仍無塑性區(qū)產(chǎn)生，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖則產(chǎn)生了較大塑性區(qū)，塑性區(qū)主要分布在隧道周邊及開挖面前方，已安裝管片位置圍巖塑性區(qū)則無明顯發(fā)展。拆機(jī)前、后Ⅳ級和Ⅴ級圍巖中塑性區(qū)發(fā)展情況如圖3所示。在圍巖變形方面，提前拆機(jī)后，隧道圍巖變形主要集中在原盾構(gòu)所在位置周邊及開挖面，其中Ⅱ—Ⅳ級圍巖變形增量較小，Ⅴ級圍巖則產(chǎn)生較大變形增量。拆機(jī)前、后Ⅳ級和Ⅴ級圍巖變形發(fā)展情況如圖4所示。此外，繪制Ⅱ—Ⅴ級圍巖下原盾構(gòu)所在位置及前、后方各1倍長度范圍內(nèi)圍巖變形增量分布曲線，如圖5所示。提前拆機(jī)導(dǎo)致隧道周邊圍巖及其前、后方部分圍巖變形得到進(jìn)一步釋放，其中原盾構(gòu)所在位置圍巖變形增量最大，開挖面前方次之(受管片約束作用及前期已釋放較大變形影響)，后方圍巖變形最小；Ⅴ級圍巖中提前拆機(jī)引起圍巖變形釋放最為顯著，其他工況下圍巖變形增量較小。

2.4 礦山法貫通過程地層穩(wěn)定性分析

基于2.3節(jié)分析結(jié)果，特選取Ⅲ級和Ⅳ級圍巖2種工況開展礦山法貫通過程數(shù)值分析。

以盾構(gòu)裝備提前拆解為前提，原盾構(gòu)所在位置未施加管片襯砌結(jié)構(gòu)和輔助加固措施；礦山法貫通過程中采取最不利的全斷面開挖方式，開挖進(jìn)尺取3 m，僅在初始8 m長度范圍內(nèi)施加襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)，其后至對接面位置12 m范圍內(nèi)未施加支護(hù)結(jié)構(gòu)。圖6和圖7分別展示了Ⅲ級和Ⅳ級圍巖中不同開挖面間距對應(yīng)的隧道拱頂變形分布曲線。由圖6和圖7可知： 1)隨著開挖面間距的減小，圍巖中隧道拱頂變形均有不同程度的增加，當(dāng)開挖面間距小于某一距離d(Ⅲ級圍巖d取6 m，Ⅳ級圍巖d取9 m)時(shí)，會(huì)引起原盾構(gòu)所在位置隧道段圍巖變形突然釋放。2)隧道貫通時(shí)，Ⅲ級圍巖中的隧道最大變形(1.47 mm)較Ⅳ級圍巖中的最大變形(5.40 mm)小，前者位于礦山法隧道段內(nèi)部，而后者位于隧道對接面位置。3)在Ⅲ級圍巖中，隧道貫通過程中圍巖最大變形均在開挖面后方一定距離位置；在Ⅳ級圍巖中，隧道貫通前圍巖最大變形在開挖面后方一定距離位置，隧道貫通時(shí)最大變形位于隧道對接面位置。

圖5 盾構(gòu)拆機(jī)后圍巖變形增量分布曲線

圖6 Ⅲ級圍巖中礦山法開挖過程隧道拱頂變形分布曲線

圖7 Ⅳ級圍巖中礦山法開挖過程隧道拱頂變形分布曲線

3 對接貫通方法選擇及案例分析

3.1 對接貫通方法選擇

文獻(xiàn)[11]對比分析了盾構(gòu)貫通和礦山法貫通2種方法施工過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，結(jié)果顯示： 2種貫通方式均存在盾尾產(chǎn)生高壓涌水和卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，其中，采用盾構(gòu)法貫通所產(chǎn)生的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)更容易得到控制；此外，盾構(gòu)法貫通不僅可以發(fā)揮施工速度快、地層擾動(dòng)小等優(yōu)勢，也可以避免爆破沖擊對盾構(gòu)裝備產(chǎn)生的不利影響。因此，得出盾構(gòu)法貫通是一種相對礦山法貫通更為安全的貫通方式。

由圖3—5可知： 1)圍巖塑性區(qū)發(fā)展方面,提前拆機(jī)后，Ⅱ—Ⅲ級圍巖中無塑性區(qū)產(chǎn)生，Ⅳ級圍巖中部分區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)；對于Ⅴ級圍巖，盾構(gòu)提前拆機(jī)前后均存在塑性區(qū)，且提前拆機(jī)后使得更大區(qū)域圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)。2)圍巖變形方面,提前拆機(jī)后，Ⅱ—Ⅳ級圍巖變形增量均較小，其中Ⅳ級圍巖產(chǎn)生的最大變形增量為3.38 mm；Ⅴ級圍巖變形增量加大，最大值為32.63 mm。上述計(jì)算結(jié)果說明,盾構(gòu)提前拆機(jī)作業(yè)適用于Ⅱ—Ⅳ級圍巖中，Ⅴ級圍巖中則不適用。

其次，圖6和圖7示出了以盾構(gòu)提前拆機(jī)為前提的Ⅲ級和Ⅳ級圍巖2種工況中礦山法隧道開挖過程數(shù)值計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步說明，盾構(gòu)提前拆機(jī)作業(yè)適用于Ⅱ—Ⅳ級圍巖中，但在Ⅳ級圍巖內(nèi)部進(jìn)行盾構(gòu)拆解作業(yè)前需要做好必要的輔助加固措施，以提高圍巖強(qiáng)度、剛度及防水性能。

綜上，可以建立基于隧道圍巖等級的盾構(gòu)法與礦山法隧道對接貫通方式推薦方法，如表5所示。

3.2 工程案例

依托實(shí)際工程，盾構(gòu)穿越微風(fēng)化花崗巖閃長巖，圍巖等級為Ⅱ級，巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示，由巖體力學(xué)參數(shù)反向判定巖體圍巖等級為Ⅱ—Ⅲ級圍巖。參照表5，可以采用盾構(gòu)法貫通和礦山法貫通2種方式。

表5 “盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接貫通方式推薦表

實(shí)際工程中，由于盾構(gòu)法施工速度快，較礦山法隧道能更早地到達(dá)對接位置。為了提高盾構(gòu)的周轉(zhuǎn)使用率，采用礦山法貫通方式，并采用盾構(gòu)提前拆機(jī)方式，盾構(gòu)拆解完成后隧道內(nèi)情況如圖8所示。實(shí)際工程中保留了較薄的盾殼作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，拆機(jī)后開挖面未有明顯變形產(chǎn)生。

圖8 盾構(gòu)拆解完成后隧道內(nèi)部照片

4 結(jié)論與討論

1)本文從梳理盾構(gòu)法和礦山法2種貫通方式主要過程出發(fā)，明確2種貫通方式均包括前期準(zhǔn)備、貫通施工和盾構(gòu)拆解3個(gè)主要過程；且針對礦山法貫通方式提出提前拆機(jī)和正常拆機(jī)2種拆機(jī)方式的概念，其中，盾構(gòu)提前拆機(jī)在提升盾構(gòu)利用效率、降低盾構(gòu)裝備損傷等方面具有顯著作用。

2)為探究不同等級圍巖條件是否適合提前拆機(jī)作業(yè)，對比分析Ⅱ—Ⅴ級圍巖條件下盾構(gòu)提前拆機(jī)前、后隧道圍巖變形和塑性區(qū)發(fā)展變化情況，結(jié)果表明：Ⅱ—Ⅳ級圍巖條件下塑性區(qū)發(fā)展、圍巖變形增長均不明顯；Ⅴ級圍巖條件下塑性區(qū)大范圍發(fā)展，圍巖變形得到劇烈釋放。從經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，Ⅴ級圍巖條件下不適合選擇盾構(gòu)提前拆機(jī)。

3)以盾構(gòu)提前拆解為前提，分析Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下礦山法貫通過程數(shù)值計(jì)算結(jié)果，Ⅲ級圍巖條件下隧道貫通過程中圍巖產(chǎn)生的最大變形為1.47 mm； Ⅳ級圍巖條件下隧道貫通引起的最大圍巖變形為5.40 mm。進(jìn)一步確認(rèn)了Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下適合采用盾構(gòu)提前拆機(jī)的礦山貫通方式。

4)通過梳理“盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接施工工序，分析隧道貫通過程的風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，制定了適用于Ⅰ—Ⅵ級圍巖的“盾構(gòu)法-礦山法”隧道對接貫通方式推薦表，可以根據(jù)對應(yīng)圍巖等級進(jìn)行貫通方式的初步確定。此外，本文推薦方法也可用于對接位置的初步比選。需要指出的是，該方法僅考慮圍巖等級單一因素，而實(shí)際中影響貫通方式選擇的因素很多，因此，考慮更多影響因素、更廣適用范圍的貫通方式選擇方法是接下來的研究方向。