厦门地铁1号线1标段文灶站—将军祠站区间起点里程YDK3+955.342, 终点里程YDK3+297.143, 全长658.199m, 在YDK3+842.444—YDK3+857.695处设置盾构始发井。其中YDK3+857.695—YDK3+955.342为矿山法施工, YDK3+765.444—YDK3+842.444为矿山法开挖+锚喷初支+管片衬砌复合施工方法施工, YDK3+297.143—YDK3+765.444为盾构法施工。区间以R350m小半径曲线出盾构始发竖井后, 以R600m的曲线进入文园路, 到达将军祠站。区间纵剖面采用单面坡, 最大坡度为18‰, 隧道埋深7~13.2m。本区间采用2台厦工中铁土压平衡盾构施工, 隧道管片外径6.2m, 内径5.5m, 环宽1.2m。区间路线平面如图1所示。

文灶站—将军祠站区间范围内覆盖层主要为第四系人工填土层、第四系全新统冲洪积层、第四系全新统海积层、第四系残积砂质黏性土层;下伏基岩主要为燕山晚期侵入岩———中粗砾花岗岩 (γ) , 其中不均匀穿插辉绿岩脉 (βμ) , 受区域地质构造和风化作用影响, 岩石风化不均匀, 中等~微风化基岩面起伏较大。区间隧道处于中砂、黏土、全风化花岗岩、中风化花岗岩及微风化花岗中, 根据地质详勘及补勘, 该区间中风化、微风化花岗岩凸起及孤石较多, 对围岩进行取芯实验, 硬度达135MPa。

地下水按成因划分为3类:第四系松散岩类孔隙水, 赋存于第四系填土及中粗砂层中;风化残积孔隙裂隙水赋存于残积层及全~强风化花岗岩中;基岩裂隙水主要赋存于中等~微风化花岗岩中。风化残积孔隙裂隙水和基岩裂隙水水位随降雨变化较大, 第四系松散层地下水变化幅度较小, 地下水稳定水位高程-1.300~10.080m, 埋深2~5m, 对施工开挖影响不大。

施工方案总体设计思路为先施工盾构始发竖井, 后进行竖井大里程方向的矿山法隧道施工和小里程方向矿山法开挖+锚喷初支施工。盾构下井前在盾构空推暗挖段堆放豆砾石, 并确定割线始发条件下始发架和反力架的位置, 盾构分体始发空推时连接桥和1号台车随主机前行, 其余2~6号台车放置在矿山法隧道内, 通过管线延伸进行连接。盾构空推至暗挖段端头墙后进行二次始发, 掘进至将军祠站结束。

该区间采用的盾构机刀盘直径为6 480mm, 盾体直径为6 450mm, 而空推段矿山法隧道初期支护净空高度为7 098mm, 宽度为6 800mm, 且隧道底部弧形接触面也不同, 盾构无法顺利地进行空推。为保证盾构安全、快速、高效、优质地通过矿山法开挖段, 设置钢筋混凝土导台为盾构机提供精确导向, 确保盾构机在空推时有良好的推进姿态, 管片拼装质量和防水效果也能达到施工要求。

矿山法开挖完成初期支护后, 在隧道底部60°范围内施工钢筋混凝土导台, 厚度为400mm, 导台的中心线与隧道中心线重合, 且对称于隧道中心线, 施作时注意在靠近掌子面1.5m范围内不施作导台, 预留刀盘转动空间, 避免刀盘卡死。同时在钢筋混凝土导台上预埋2条43kg钢轨作为导轨, 导轨高出导台面50mm, 这样更易于保证施工精度, 降低施工难度。混凝土导台和导轨如图2所示。

导台是盾构机空推过矿山法隧道的下部支撑, 并起着导向作用, 其施工精度直接影响盾构的推进姿态和管片的拼装质量。导台施工标高定位后, 必须进行测量复核, 混凝土喷锚后进行标高复测, 确保导向平台的标高施工精度在0~15mm。导台施工完成后, 由测量人员对导台的标高、弧度及中心线等进行测量, 误差超过设计规范要求的, 需重新施作。

由于矿山法隧道采用爆破施工, 较难控制隧道断面的尺寸, 容易产生超挖或欠挖情况。若欠挖部位未处理到位, 盾构机通过时, 刀盘易被卡住, 阻碍盾构机前进;若超挖未处理, 隧道环后存在较大间隙, 成型隧道易上浮或偏移。为保证隧道断面尺寸, 初支施作后, 应对断面进行复测, 每隔5m进行1个断面测量, 每个隔断面测量10个点。若有超挖或欠挖现象, 则应提前处理。

盾构在矿山法隧道内空推时推力控制非常重要, 推力小于止水条的最小挤压力3 000k N时, 粘贴在管片上的三元乙丙橡胶止水条达不到最低压缩量, 隧道的防水效果会很差, 甚至失效。推力过大会造成导轨刮坏, 或者撞上初支面出现安全问题。隧道内回填豆砾石的方量需进行计算, 确保盾构推进有合理的推力。在盾构空推的矿山法隧道前10m范围内, 豆砾石堆填至拱顶, 其余堆填至隧道的1/3高度即可。豆砾石堆填如图3所示。

隧道是采用矿山法先行开挖支护后, 在刀盘前方回填豆砾石以提供反力, 且在矿山法开挖支护后基本上没有水作用于盾体。刀盘前方堆填豆砾石计算长度大致测算为全断面堆填15m, 则盾构机的反作用力计算如下。

1) 推进时导轨对盾构机的摩擦力

式中:W_g为盾构及附属物总重3 450k N;μ_摩为摩擦系数, 取0.3。

2) 回填土受到的摩擦阻力

式中:L为回填豆砾石的长度, 取15m;K为豆砾石的松散系数, 取0.83;γ_土为豆砾石的容重, 取1.86k N/m³;D为盾构机直径6.45m。

3) 盾构支撑土体所受的轴向阻力

式中:S为盾构机截面积;P为盾构中心土压力;K_g为土的侧压力系数, 取0.39。

4) 盾尾刷与管片之间的摩擦阻力 (以2环管片计算)

式中:摩擦系数μ_摩取0.5;每环管片重力W_管取230k N。

5) 后配套台车的牵引阻力

式中:摩擦系数μ_摩取0.5;后配套台车重力W_拖取1 700k N。

因此, 土压平衡盾构推进时提供反作用力总计为:

F>3 000k N (止水条挤压力) , 故前方堆放的豆砾石满足止水效果的要求。

盾构机在竖井始发时车站还未施工完成, 无法提供下料口, 对始发影响较大, 且盾构空推始发的线路在R350m的小半径曲线上, 极易造成盾构姿态偏移, 所以盾构必须采用分体割线始发的方式, 施工过程繁杂, 技术性要求极高。

盾构机始发时盾体未全部进入土体之前无法转向, 只能沿直线形式进洞。依据文灶站—将军祠区间始发段R350m圆曲线的线形特点对隧道线路进行拟合, 采取割线始发, 割线始发具有在盾体全部进入土体后盾构姿态偏差最小、管片不侵限、盾构纠偏容易等优点。盾构始发割线与圆曲线的最大弦长按盾构主机长度计算, R350m小半径曲线盾构沿内弦线掘进的最大偏移量为:

式中:R为小曲线半径;L_盾为盾构主机长度, 取10m。

始发托架固定时要确保中线与盾构始发割线重合, 坡度与隧道设计坡度一致。盾构始发前对始发架进行必要的加固, 并用钢板调节始发架的标高, 达到要求的位置。为保证盾构割线始发有良好的姿态, 需注意以下几点: (1) 盾构机小半径曲线上始发在未进入曲线前, 提前开启铰接装置, 预先推出弧形态势; (2) 盾构机沿曲线的割线方向掘进, 预偏量控制在30~50mm, 以减小管片因受侧向分力而引起的向圆弧外侧的偏移量; (3) 适当降低推进速度, 控制在20mm/min以内, 在盾构机推进启动时, 推进速度要以较小的加速度递增; (4) 推进时要适当调整左右2组油缸的压力差, 使曲线内侧油缸压力略小于外侧油缸压力, 但纠偏幅度不要过大。

盾构机在竖井始发时线路反方向上没有材料吊装口, 管片、油脂等材料只能从竖井下井, 竖井的尺寸为 (宽) 16m× (长) 25m。要实现盾构顺利始发必须采用分体始发的方式。盾构空推始发时主机随带连接桥、1号台车前行, 其余后配套台车留置在矿山法隧道内, 通过管排连接进行延伸。盾构机分体始发如图4所示。

1) 负环管片拼装

为便于盾构施工材料的垂直运输, 负环管片拼装采用半环拼装方式, 并将负环与反力架空缺的位置用钢支撑进行联系支撑, 使整环管片的推力能均匀地传递到反力架上, 保证了正环和负环管片的拼装质量。

2) 设备改造

盾构分体始发后, 当连接桥进入到始发竖井时 (即刀盘进入洞内10m) , 由于空间受限将无法进行管片下井作业, 需要对连接桥和1号台车进行改造。通过对设备空间的测量, 将连接桥上部斜撑割除, 拆除1号台车上部斜撑和皮带架, 便能满足管片下井的要求。管片下井吊装, 须平稳下放, 不能与设备磕碰。当连接桥与1号台车进入隧道内, 需重新恢复斜撑和皮带架, 防止设备受力不均产生变形。

当盾构导台混凝土强度达到设计强度、矿山法隧道内豆砾石堆填到位后, 方可进行盾构机推进施工。

1) 盾构机上导台前要预先观察刀盘外侧刀具是否与导台和导轨干涉, 将干涉的刀具拆除, 以防卡住刀盘。

2) 盾构机沿导台向前推进, 要及时监测盾构机推进情况, 检查矿山法段的断面是否欠挖、盾构机壳体与导台的结合、两侧豆砾石回填等情况, 同时要密切注意盾构机刀盘周边与衬砌、成环管片与盾尾的间隙, 确保盾构机沿导轨的中心线路前行。

3) 严格控制盾构机的推进速度, 保证豆砾石、同步注浆和二次补浆填充密实, 防止盾体扭转或管片侧移, 前期推进速度控制在20mm/min以内, 工艺熟练后速度可达到40mm/min。

在矿山法初支隧道内拼装管片与正常盾构法施工基本相同, 但盾构机在隧道内不能大幅纠偏, 故管片选型尤为重要。管片选型时, 要根据盾尾间隙、油缸行程及盾构机姿态综合选择合适的管片。管片脱出尾盾后要及时进行2次螺栓复紧, 防止管片出现错台或破损。

矿山法初支隧道与盾构管片间的间隙较大, 管片背后采用豆砾石填充、同步注浆、二次补浆和地面钻孔注浆的方式来填充, 确保管片壁厚填充密实。

1) 豆砾石填充

由于刀盘前方为全封闭式的矿山法隧道, 无法采用湿喷机进行豆砾石喷射, 除掘进时豆砾石在挤压作用下自动填充外, 同时采用人工辅助的方式将豆砾石向刀盘左右两侧间隙填充, 每隔5m在盾构机的切口四周用袋装砂石料围成1个围堰, 围堰范围不小于3:00~9:00时钟位置, 以防管片背后的豆砾石、砂浆前窜。

2) 同步注浆

同步注浆在每环管片豆砾石人工回填后进行, 与盾构机推进同步, 采用手动控制方式注浆, 根据现场情况调整注浆流量、速度和压力。为保证砂浆对管片背后空隙的有效填充, 防止砂浆窜至刀盘前方, 注浆压力控制在0.05~0.1MPa, 但注浆压力不能作为注浆结束的标准, 当注浆量达到能够顶托稳固管片时, 即可结束注浆, 注浆2~2.5m³。注浆过程中加强对盾构机四周以及盾壳外部的围堰变形观测, 发现有浆液外泄, 应暂时停止注浆。

3) 二次补浆

由于盾构机前方是敞开的, 同步注浆效果不佳, 必须对管片背后进行补充注浆。管片脱出尾盾5~6环后, 在3:00和9:00时钟位置通过管片吊装孔注入双液浆, 防止管片侧移;每隔10环进行1次环向封堵, 并通过1:00和11:00时钟位置吊装孔注入双液浆, 进行拱顶回填。多次注浆才能确保管片背后的间隙填充密实。

盾构机空推进洞后即可进行始发洞门临时密封, 在洞口管片外侧砌砖墙封堵, 并绑扎钢筋网片, 然后进行喷锚稳固, 防止隧道内豆砾石及浆液外流。喷锚前要在洞口顶部预留注浆管口及排气口, 后期在顶部进行注浆, 填充管片上部与初支之间间隙, 确保隧道管片拼装质量。

矿山法隧道施工时, 端墙掌子面要将钢筋换为玻璃纤维筋, 同时采用水平加固和地面WSS注浆对掌子面及前方土体进行加固, 防止盾构二次始发时土体失稳。

盾构机即将到达端墙掌子面时, 立即对盾体周围尽可能多地填充豆砾石, 填充完毕后将刀盘前面清理干净, 拆除刀盘内部防止空推时刀盘变形而焊接的支撑, 并将2~6节台车与盾构机连接。从盾体预留孔注入低强度水泥浆, 使盾壳与隧道初支间空隙尽可能填满, 以增加盾体旋转阻力, 待水泥浆初凝后再继续掘进。盾构机顶到掌子面同时开始转动刀盘, 采用小扭矩、低速度的方法推进, 同时根据滚动角变化调整刀盘左转、右转方向, 直至盾体进入土体滚动角变化不大为止。

1) 通过试验调整同步注浆的配合比, 确保砂浆收缩率小, 初凝时间<6h, 保证管片底部有足够的支撑力。

2) 盾构机过空推时可人工辅助将豆砾石撒向盾构机两侧, 确保管片背后填充密实, 并在盾构机的切口四周每隔5m围成1个围堰, 围堰范围不小于3:00~9:00时钟位置, 以防管片背后的豆砾石、砂浆前窜。

3) 为防止管片在盾构步进后产生上浮, 施工过程中, 管片同步注浆从管片上部的2个管路进行注入, 注浆压力≤1bar (1bar=0.1MPa) , 二次补浆时从管片3:00和9:00的时钟位置进行注入, 避免因注浆对管片产生偏压, 造成管片移位。

4) 加强对管片姿态的测量, 每5环对管片进行1次姿态测量, 如发现管片有上浮和下沉趋势应及时调整施工参数, 并根据测量数据适当调整注浆量。

5) 如发现管片在后续过程中由于水压上浮, 应及时对管片下部注浆口开孔放水。

1) 盾构机空推过程中要保证盾构机有良好的姿态, 进行姿态纠偏时不能过急, 以每环≤8mm的纠偏量为宜;同时确保合理的盾尾间隙, 尽量保持盾构姿态与管片姿态一致, 防止盾体与管片形成夹角, 出现拖拉管片的情况。

2) 在管片脱出尾盾5~6环后进行二次补浆, 通过管片两侧均匀注入, 防止管片受力不均造成错台。

3) 盾构空推时要加强管片螺栓复紧, 每环管片螺栓至少复紧3次, 即拼装完复紧, 脱出尾盾复紧, 脱出尾盾3环复紧。

4) 加强管片选型工作, 不能因管片选型不合理造成管片错台。

1) 盾构机采用割线始发, 需根据拟合的始发线路对始发架和反力架进行精确定位, 确保盾构机进入土体后盾构姿态偏差最小, 能够顺利纠偏。

2) 盾构空推始发时总推力控制在6 000k N以内, 推进速度10~20mm/min, 以免推力过大造成盾构姿态和趋势突变。

3) 做好管片选型和拼装工作, 确保管片姿态与盾构姿态保持一致。

4) 空推过程中, 盾构机姿态水平和垂直偏差都控制在±50mm以内。

5) 每8~10环对盾构的姿态进行人工复测。

在城市地铁隧道施工中, 对遇到极硬岩、孤石群或长距离上软下硬不良地段时, 采用“矿山法开挖+盾构法衬砌”的工法成效显著, 相对于单一工法, 该结合方案能充分发挥各自工法的长处。本工程文灶站—将军祠区间在无盾构始发场地、施工地质复杂、小半径曲线始发及工期紧张等不利条件下, 采用盾构小半径曲线始发技术和盾构空推技术相结合, 成功地解决了这一难题。与原定的只采用盾构推进的方案相比, 本方案减少了对刀盘刀具的磨损, 避免了频繁开仓换刀, 降低了施工风险, 提高了施工进度, 施工工期直接缩短380d, 成本节约近500万元。成型的隧道未发生上浮、偏移或错台等问题, 也满足城市化施工高安全、高质量、高标准、高效率的要求, 得到厦门市政府部门、建设单位、监理单位及同行的一致好评, 取得了良好的社会效益。