考虑围岩等级的“盾构法-矿山法”隧道对接贯通方式选用研究

孙飞祥，彭正勇，周建军，杨振兴，张继超，唐纵雄

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458； 3. 厦门轨道交通集团有限公司，福建 厦门 361001)

0 引言

矿山法和盾构法是最常用的2种隧道施工方法，其中盾构法以其机械化程度高、施工速度快、施工安全性好、对周边环境影响小、适应性强等众多优点在隧道施工中得到了广泛的应用[1-4]。矿山法虽然存在开挖速度慢、施工时间长、对地层扰动大、施工环境差等不足，但在地质适应性、机动灵活等方面优势明显，因此，目前仍是不可或缺的主要隧道施工方法之一[5]。目前，我国隧道工程正在向长距离、大埋深、复杂地质环境等方向发展，“长距离掘进”对于单台盾构设备的可靠性和稳定性是一项艰巨的挑战[6]，因此多台盾构、不同工法同时应用于同一工程往往是更加高效的选择[7]。由此可见，“盾构法-盾构法”和“盾构法-矿山法”相向施工、地中对接作业也更加常见。

针对“盾构法-盾构法”隧道对接技术已有较多研究，并形成了“相向施工、地中对接、洞内解体”等较为成熟的对接施工技术[8-10]。针对“盾构法-矿山法”对接施工技术的研究，马小汀[11]依托实际工程介绍了“盾构法-矿山法”隧道对接中矿山法贯通施工技术，但并未对选择矿山法贯通的原因进行深入分析；张常光等[7]调研发现，国外并无“盾构法-矿山法”隧道对接施工相关文献报道；汪茂祥[12]详细介绍了盾构穿越矿山法隧道施工关键技术和经验；徐延召等[13]从控制管片结构错台、上浮问题出发，探讨了盾构法贯通施工关键技术和质量控制措施。然而，上述研究内容均为针对特定贯通方式开展的，未对特定贯通作业方式的选择进行探讨。孙飞祥等[14]指出“盾构法-矿山法”隧道对接施工存在盾构法贯通和矿山法贯通2种方式，通过比较2种贯通方式存在的风险种类及控制难易程度，认为盾构法是一种更为安全的贯通方式；张继超等[15]针对盾构法贯通存在的风险，采用WBS-RBS法辨识风险源，通过AHP法建立风险评估体系，对其进行风险评估定级，有助于对接施工风险定量管控。

“盾构法-矿山法”对接施工贯通方式的选择需要考虑工程地质条件、工期、不同工法特点、施工风险等众多因素，其中工程地质是最为重要且复杂的因素之一。考虑前人在进行贯通方式选择上往往依赖于经验，本文结合已有研究基础，考虑不同围岩等级条件下的“盾构法-矿山法”隧道对接施工环境，借助数值计算方法模拟不同工况下隧道贯通施工过程，以围岩塑性区发展和隧道变形作为判断标准，建立一种考虑围岩级别的“盾构法-矿山法”对接贯通方式选择及对接位置确定方法，以期从理论上更好地指导隧道对接设计和施工。

1 “盾构法-矿山法”隧道对接主要过程

“盾构法-矿山法”隧道对接存在盾构法和矿山法2种贯通方式，为了便于选择最佳的贯通方式，有必要明确2种贯通方式的主要施工过程。

1.1 盾构法贯通主要过程

1.1.1 前期准备

盾构法贯通前期准备工作主要包括：

1)盾构选型。地中对接拆机作业空间狭小，对接位置围岩常需要进行辅助加固，因此盾构装备需具备超前注浆功能，且盾构组装块体体积及质量不能超过特定限值。

2)盾构工作状态检查。检查导向系统工作状态，准备盾构拆机工具，加强盾构姿态测量。

3)对接位置确定。综合水文地质条件、施工进度计划及盾构设备状况等因素选择围岩较好的区域进行对接施工。

1.1.2 贯通施工

首先，将矿山法施工的隧道一侧开挖至对接面，根据地质环境完成对接位置的围岩加固，布设盾构接收装置。其次，由盾构法完成隧道贯通作业： 当盾构法开挖至距对接面一定距离时，严格控制盾构掘进参数和掘进姿态，加强壁后同步注浆和二次注浆，同时保证管片连接、密封安全可靠；加强矿山法隧道侧监控量测，根据测量结果逐渐降低泥水舱压力，最终零泥水压力下刀盘击穿掌子面；盾构空推至拆机位置，并完成剩余管片拼装。

1.1.3 盾构拆机作业

1)技术筹备： 包括总体思路、拆解顺序安排、辅助工装加工、吊点设置、吊具加工及购置、分块大小编排、下落翻身设计、运输组织、拆解或内移等。

2)拆解工艺： 盾构主机部件、设备的吊装主要采用在盾壳及管片螺栓上焊接或安装吊耳、吊梁，设置手拉葫芦吊装，在下部设置支撑、作业平台。盾构后配套拖车进行局部拆解和平移，整体装运。个别部件利用液压千斤顶辅助拆卸、翻身和吊装，从而完成各个部分的拆装和运输。

1.2 矿山法贯通主要过程

矿山法贯通同样包括前期准备、贯通施工和盾构拆解作业3个主要过程。不同于盾构法贯通，矿山法贯通要求盾构法隧道一侧首先掘进至对接面；矿山法贯通过程以盾构隧道中心为导向进行隧道开挖；接近盾构时严格控制炸药用量和开挖进尺，控制爆破对围岩的扰动，采取施加膨润土等措施减小盾构装备受到的爆破冲击破坏。

为避免矿山法施工对盾构装备的冲击影响，提高盾构装备周转使用率，盾构装备在隧道贯通之前于盾构隧道内完成拆解、撤离是一种更好的选择。因此，根据盾构拆机的位置及时间不同，矿山法贯通中的拆机可分为提前拆机和正常拆机。

所谓盾构正常拆机，即盾构装备待隧道贯通后空推至矿山法隧道内部进行拆解。该方法适用地层环境更广，且盾构装备拆解作业空间大。其不足是盾构需要在隧道内长时间停机而导致周转使用率低；较大围岩变形可能引起盾构“卡机”风险；盾构装备面临爆破开挖所产生的冲击影响等。

所谓盾构提前拆机，即盾构装备在隧道贯通前于盾构法隧道内部进行拆解。该种方法可以避免正常拆机所面临的3个主要问题。缺点是该方法仅适用于围岩较好的地层，对于复杂地质环境，拆机前需要施加可靠的预支护等辅助措施；此外，该种方法还面临拆机作业空间狭小等问题。

2 矿山法贯通过程数值计算

2.1 模型建立

某地铁隧道采用“矿山法+盾构法”施工。隧道设计纵断面地质剖面图(见图1)显示： 盾构法隧道与矿山法隧道对接于〈17-5〉微风化花岗闪长岩中，上覆中、粗、砾砂层，〈17-1〉全风化花岗闪长岩，〈17-2-1〉散体状强风化花岗闪长岩，总覆土厚度26.13 m，海平面以下44.51 m。其中，矿山法隧道为马蹄形, 宽8.0 m，高9.6 m；泥水盾构隧道管片外径6 700 mm，厚350 mm，宽1 500 mm，管片外侧注浆层厚度为150 mm。根据上述条件，数值模型长度取50 m；上边界取至海底(矿山法隧道埋深25.00 m)，隧道下方取17.00 m，高度为50.00 m；模型宽度取60.00 m，数值模型见图2。实际地层粗、砾砂层6.70 m，散体状强风化花岗闪长岩6.50 m，微风化花岗闪长岩3层，各地层参数取值见表1。盾构隧道直径为7.00 m，盾构主机长度取9.00 m。

图2 数值模型(单位： m)

2.2 参数选择

2.2.1 隧道埋深及原始地应力

对接处总覆土厚度27.20 m，位于海平面以下46.00 m，最大水压力达到0.46 MPa。竖向应力取自重应力，水平应力根据表1提供的静止侧压力系数进行计算取值。一般对接位置需要避开富水破碎地层，因此，海水压力可简化为上覆荷载。

2.2.2 围岩与支护的物理力学参数

假定围岩及支护材料均为理想弹塑性体。不限于实际工程，取Ⅱ—Ⅴ级围岩条件共4种工况开展计算分析。其中，各级工况中岩体物理力学参数指标根据现行《公路隧道设计规范》、《铁路隧道设计规范》中所给出的Ⅱ—Ⅴ级围岩的物理力学指标进行选定。

表1 地层岩土力学参数

鉴于规范仅给出了围岩物理力学指标的取值范围，各工况岩体物理力学参数指标均取最不利组合，即： 重力密度和泊松比取最大值，内摩擦角、黏聚力和弹性模量取最小值。对实际工况岩体物理力学参数指标组合按勘察报告推荐值进行选用。各工况围岩力学参数取值见表2。

表2 各工况围岩力学参数取值

不考虑注浆材料力学参数随时间变化的复杂特性，注浆层泊松比取0.2，弹性模量取300 MPa。在数值模拟过程中,将盾构等效为加厚壳体结构，这里参照尾盾盾壳厚度进行取值，盾构壳体结构参数取值如表3所示。

表3 盾构壳体物理力学参数取值

根据《铁路隧道设计规范》、《混凝土结构设计规范》等，“矿山法-盾构法”隧道对接位置隧道属于小跨深埋隧道，考虑最不利情况，Ⅱ—Ⅳ级围岩中均不考虑施加锚杆支护；各工况衬砌结构强度等级均取C35，管片结构混凝土强度等级为C55，对应参数取值见表4。

表4 衬砌支护结构力学参数取值

2.3 盾构拆机对地层稳定性的影响

拆除盾构装备等效于解除限制盾构隧道围岩及开挖面变形的约束作用，分别对Ⅱ—Ⅴ级围岩地层(含实际地层)中盾构拆机对围岩塑性区和变形增量发展情况开展计算分析。

计算模型中，考虑盾壳与围岩紧密接触，拆除盾构装备的同时撤去开挖面泥水压力。仅考虑围岩等级单一变量因素，各工况均不考虑围岩施加辅助加固措施，数值计算结果显示： 未拆机前，Ⅱ—Ⅳ级围岩均无塑性区产生，Ⅴ级围岩存在少量塑性区；提前拆机后，Ⅱ级和Ⅲ级围岩仍无塑性区产生，Ⅳ级和Ⅴ级围岩则产生了较大塑性区，塑性区主要分布在隧道周边及开挖面前方，已安装管片位置围岩塑性区则无明显发展。拆机前、后Ⅳ级和Ⅴ级围岩中塑性区发展情况如图3所示。在围岩变形方面，提前拆机后，隧道围岩变形主要集中在原盾构所在位置周边及开挖面，其中Ⅱ—Ⅳ级围岩变形增量较小，Ⅴ级围岩则产生较大变形增量。拆机前、后Ⅳ级和Ⅴ级围岩变形发展情况如图4所示。此外，绘制Ⅱ—Ⅴ级围岩下原盾构所在位置及前、后方各1倍长度范围内围岩变形增量分布曲线，如图5所示。提前拆机导致隧道周边围岩及其前、后方部分围岩变形得到进一步释放，其中原盾构所在位置围岩变形增量最大，开挖面前方次之(受管片约束作用及前期已释放较大变形影响)，后方围岩变形最小；Ⅴ级围岩中提前拆机引起围岩变形释放最为显著，其他工况下围岩变形增量较小。

2.4 矿山法贯通过程地层稳定性分析

基于2.3节分析结果，特选取Ⅲ级和Ⅳ级围岩2种工况开展矿山法贯通过程数值分析。

以盾构装备提前拆解为前提，原盾构所在位置未施加管片衬砌结构和辅助加固措施；矿山法贯通过程中采取最不利的全断面开挖方式，开挖进尺取3 m，仅在初始8 m长度范围内施加衬砌支护结构，其后至对接面位置12 m范围内未施加支护结构。图6和图7分别展示了Ⅲ级和Ⅳ级围岩中不同开挖面间距对应的隧道拱顶变形分布曲线。由图6和图7可知： 1)随着开挖面间距的减小，围岩中隧道拱顶变形均有不同程度的增加，当开挖面间距小于某一距离d(Ⅲ级围岩d取6 m，Ⅳ级围岩d取9 m)时，会引起原盾构所在位置隧道段围岩变形突然释放。2)隧道贯通时，Ⅲ级围岩中的隧道最大变形(1.47 mm)较Ⅳ级围岩中的最大变形(5.40 mm)小，前者位于矿山法隧道段内部，而后者位于隧道对接面位置。3)在Ⅲ级围岩中，隧道贯通过程中围岩最大变形均在开挖面后方一定距离位置；在Ⅳ级围岩中，隧道贯通前围岩最大变形在开挖面后方一定距离位置，隧道贯通时最大变形位于隧道对接面位置。

图5 盾构拆机后围岩变形增量分布曲线

图6 Ⅲ级围岩中矿山法开挖过程隧道拱顶变形分布曲线

图7 Ⅳ级围岩中矿山法开挖过程隧道拱顶变形分布曲线

3 对接贯通方法选择及案例分析

3.1 对接贯通方法选择

文献[11]对比分析了盾构贯通和矿山法贯通2种方法施工过程中存在的风险点，结果显示： 2种贯通方式均存在盾尾产生高压涌水和卡机的风险，其中，采用盾构法贯通所产生的卡机风险更容易得到控制；此外，盾构法贯通不仅可以发挥施工速度快、地层扰动小等优势，也可以避免爆破冲击对盾构装备产生的不利影响。因此，得出盾构法贯通是一种相对矿山法贯通更为安全的贯通方式。

由图3—5可知： 1)围岩塑性区发展方面,提前拆机后，Ⅱ—Ⅲ级围岩中无塑性区产生，Ⅳ级围岩中部分区域进入塑性状态；对于Ⅴ级围岩，盾构提前拆机前后均存在塑性区，且提前拆机后使得更大区域围岩进入塑性状态。2)围岩变形方面,提前拆机后，Ⅱ—Ⅳ级围岩变形增量均较小，其中Ⅳ级围岩产生的最大变形增量为3.38 mm；Ⅴ级围岩变形增量加大，最大值为32.63 mm。上述计算结果说明,盾构提前拆机作业适用于Ⅱ—Ⅳ级围岩中，Ⅴ级围岩中则不适用。

其次，图6和图7示出了以盾构提前拆机为前提的Ⅲ级和Ⅳ级围岩2种工况中矿山法隧道开挖过程数值计算结果，进一步说明，盾构提前拆机作业适用于Ⅱ—Ⅳ级围岩中，但在Ⅳ级围岩内部进行盾构拆解作业前需要做好必要的辅助加固措施，以提高围岩强度、刚度及防水性能。

综上，可以建立基于隧道围岩等级的盾构法与矿山法隧道对接贯通方式推荐方法，如表5所示。

3.2 工程案例

依托实际工程，盾构穿越微风化花岗岩闪长岩，围岩等级为Ⅱ级，岩体力学参数如表2所示，由岩体力学参数反向判定岩体围岩等级为Ⅱ—Ⅲ级围岩。参照表5，可以采用盾构法贯通和矿山法贯通2种方式。

表5 “盾构法-矿山法”隧道对接贯通方式推荐表

实际工程中，由于盾构法施工速度快，较矿山法隧道能更早地到达对接位置。为了提高盾构的周转使用率，采用矿山法贯通方式，并采用盾构提前拆机方式，盾构拆解完成后隧道内情况如图8所示。实际工程中保留了较薄的盾壳作为临时支护结构，拆机后开挖面未有明显变形产生。

图8 盾构拆解完成后隧道内部照片

4 结论与讨论

1)本文从梳理盾构法和矿山法2种贯通方式主要过程出发，明确2种贯通方式均包括前期准备、贯通施工和盾构拆解3个主要过程；且针对矿山法贯通方式提出提前拆机和正常拆机2种拆机方式的概念，其中，盾构提前拆机在提升盾构利用效率、降低盾构装备损伤等方面具有显著作用。

2)为探究不同等级围岩条件是否适合提前拆机作业，对比分析Ⅱ—Ⅴ级围岩条件下盾构提前拆机前、后隧道围岩变形和塑性区发展变化情况，结果表明：Ⅱ—Ⅳ级围岩条件下塑性区发展、围岩变形增长均不明显；Ⅴ级围岩条件下塑性区大范围发展，围岩变形得到剧烈释放。从经济性和安全性考虑，Ⅴ级围岩条件下不适合选择盾构提前拆机。

3)以盾构提前拆解为前提，分析Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下矿山法贯通过程数值计算结果，Ⅲ级围岩条件下隧道贯通过程中围岩产生的最大变形为1.47 mm； Ⅳ级围岩条件下隧道贯通引起的最大围岩变形为5.40 mm。进一步确认了Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下适合采用盾构提前拆机的矿山贯通方式。

4)通过梳理“盾构法-矿山法”隧道对接施工工序，分析隧道贯通过程的风险和数值计算结果，制定了适用于Ⅰ—Ⅵ级围岩的“盾构法-矿山法”隧道对接贯通方式推荐表，可以根据对应围岩等级进行贯通方式的初步确定。此外，本文推荐方法也可用于对接位置的初步比选。需要指出的是，该方法仅考虑围岩等级单一因素，而实际中影响贯通方式选择的因素很多，因此，考虑更多影响因素、更广适用范围的贯通方式选择方法是接下来的研究方向。