地鐵盾構(gòu)始發(fā)與到達端頭加固施工技術(shù)

1、地鐵盾構(gòu)始發(fā)與到達端頭加固施工技術(shù)研究丁修恒（中鐵上海工程局城軌分公司，上海，200071）【摘要】本文簡述了地鐵區(qū)間盾構(gòu)法施工中始發(fā)與到達端頭加固需要實現(xiàn)的工程目的，列舉了北京、廣州、深圳、成都、蘇州幾種典型的工程地質(zhì)，對幾種地質(zhì)條件下采用的端頭加固方案進行了較為詳細的闡述，結(jié)合工程實際案例和已經(jīng)驗證的效果，提出了端頭加固常用的施工技術(shù)工藝和要點以及注意事項。本文還就技術(shù)經(jīng)濟分析，方案優(yōu)化及新工法的應(yīng)用，相關(guān)工序的風(fēng)險控制等方面發(fā)表了見解，具有較好的施工指導(dǎo)意義。【關(guān)鍵詞】地鐵；盾構(gòu)法隧道；端頭加固；施工技術(shù)一、盾構(gòu)始發(fā)與到達端頭加固的目的盾構(gòu)始發(fā)和到達洞門破除后，端頭土體暴露，端頭地層受力

2、平衡狀態(tài)被破壞，土體結(jié)構(gòu)、作用荷載和應(yīng)力發(fā)生了變化，端頭土體有可能發(fā)生潛在滑移破壞。對于自穩(wěn)時間較短的土體，如松散砂土、粉土以及飽和的軟粘土，端頭加固非常必要。實施端頭地層加固，是為了防止拆除臨時圍護結(jié)構(gòu)時的振動影響，在盾構(gòu)刀盤頂?shù)秸谱用娌⒔⑼翂褐?，能使得圍巖自穩(wěn)及防止地下水流失，防止開挖面坍塌，出現(xiàn)地表沉降過大、坍方等。端頭加固實現(xiàn)的工程目的主要有以下幾點：（1）加固土體滿足整體穩(wěn)定性的要求，其中整體穩(wěn)定性包括：加固土體在振動作用下的穩(wěn)定，即洞門破除時振動對加固土體的擾動影響。加固土體的靜態(tài)穩(wěn)定，包括施工期穩(wěn)定和長期穩(wěn)定性。（2）加固土體滿足強度的要求。（3）加固土體滿足堵水和滲透性的要

3、求，特別對于富水砂土地層。（4）加固土體滿足變形特征的要求。端頭土體加固是盾構(gòu)始發(fā)、到達技術(shù)的核心部分，端頭失穩(wěn)、坍塌是盾構(gòu)施工中常見事故。在對端頭地質(zhì)進行詳細勘察，管線狀況進行徹底調(diào)查的前提下，端頭加固方法的選取，加固范圍的確定，端頭加固效果準(zhǔn)確的判斷和必要的檢測是盾構(gòu)始發(fā)與到達是否順利和成功的關(guān)鍵。二、端頭加固范圍的確定對于無水地層，盾構(gòu)始發(fā)與到達的端頭加固只需考慮端頭土體強度與穩(wěn)定性要求，而對于有水地層，端頭土體加固除了滿足強度與穩(wěn)定性以外，還要考慮盾構(gòu)幾何尺寸和滲透（止水）要求。盾構(gòu)始發(fā)和到達端頭加固的幾何尺寸主要是根據(jù)盾構(gòu)機主機的幾何構(gòu)造尺寸確定，加固范圍分為縱向加固范圍和橫向加固范

4、圍兩種。根據(jù)端頭地層中是否存在有地下水，或地層中是否有補水來源，將盾構(gòu)始發(fā)與到達的加固范圍分為四種情況：盾構(gòu)無水始發(fā)、盾構(gòu)無水到達、盾構(gòu)有水始發(fā)、盾構(gòu)有水到達。1、 盾構(gòu)無水始發(fā)和到達，示意圖如下： 縱向加固范圍通常為盾構(gòu)機主機長度，橫向加固范圍中，上部通常考慮3米，左、右兩側(cè)一般為2米，底部可以不考慮加固。2、盾構(gòu)有水始發(fā)，示意圖如下： 如上圖a所示，在有水地層中，縱向加固范圍若小于盾構(gòu)機主機長度，加固區(qū)前方地層中的地下水和土體可能沿著盾殼和圍巖之間的空隙進入盾構(gòu)工作井，引起透水、洞門塌方等工程事故?？偨Y(jié)工程實踐經(jīng)驗，通常采用圖b所示，縱向加固范圍為盾構(gòu)機主機長度加23倍的盾構(gòu)環(huán)管片的寬度，

5、即L=盾構(gòu)主機長度+（23）B，橫向加固范圍中，上部及左、右兩側(cè)通?？紤]3米，底部考慮2米。3、盾構(gòu)有水到達，示意圖如下： 由于盾構(gòu)設(shè)備自身構(gòu)造的原因，壁后同步注漿的漿液不可能完全填充盾構(gòu)外殼與地層之間的縫隙，當(dāng)?shù)貙又械叵滤裆钶^淺，隧道周圍地層中的地下水和砂土就會沿著盾構(gòu)外殼與地層間的縫隙進入盾構(gòu)接收層，造成地層缺失，引發(fā)工程事故。如圖a所示。因此，從滲透與堵水的角度考慮，避免透水和坍塌事故的發(fā)生，端頭土體的縱向加固范圍必須大于盾構(gòu)機主機的長度。同有水始發(fā)類似，縱向加固范圍為盾構(gòu)機主機長度加23倍的盾構(gòu)環(huán)管片的寬度，即L=盾構(gòu)主機長度+（23）B，橫向加固范圍中，上部及左、右兩側(cè)通?？紤]3米

6、，底部考慮2米。如圖b所示。 鑒于盾構(gòu)始發(fā)與到達施工中，具體工況的不同以及地質(zhì)條件的差異性，還需有針對性的采取一些輔助工法配合，以降低工程實施的風(fēng)險，確保始發(fā)和到達的安全性。三、幾種典型工程地質(zhì)及端頭加固實施方案以下是當(dāng)前國內(nèi)地鐵建設(shè)規(guī)模較大城市的典型地質(zhì)狀況，結(jié)合工程實例對實施的端頭加固方案進行闡述。案例標(biāo)段1，廣州地鐵3號線漢溪站市橋站盾構(gòu)區(qū)間。主要地質(zhì)條件描述：珠江三角洲平原，地層由元古界震旦系，中生界侏羅系組成，上覆第四系。始發(fā)端地質(zhì)條件從上到下依次為：（1）人工填土層（Q4ml）1以填土為主，局部雜填土，部分填土下部為耕植土。素填土為人工堆積的粘性土，局部砂土；平均厚1.48m，標(biāo)準(zhǔn)

7、值N=6.9擊。（2）沖洪積上層（Qal+PL）、4-1以粉質(zhì)粘土，粘土及粉土為主，局部夾粉細砂薄層，標(biāo)準(zhǔn)值N=10.6擊。(3)河湖相淤泥質(zhì)土層(Q3al)，<4-2>淤泥質(zhì)土(淤泥)，流軟塑狀，局部含粉細砂層，含較多腐植質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)值N=1.5擊。（4）混合巖硬塑狀殘積土（Qel）5Z-2砂質(zhì)粘性土。厚度1012m。標(biāo)準(zhǔn)值N=20.5擊。(5)混合巖全風(fēng)化帶(Z)<6z-2>混合巖劇烈風(fēng)化成。標(biāo)準(zhǔn)值N=38.8擊。采用的端頭加固方案：該始發(fā)端頭主要采用水泥攪拌樁對端頭土質(zhì)進行置換、固結(jié)。由于埋深較淺，隧道上部采用水泥攪拌樁進行全部置換、固結(jié)。洞門采用700mm厚C10素

8、混凝土封堵。進洞方向左側(cè)11米處有一排洪渠，常年有水，加固范圍按照有水地層處理。案例標(biāo)段2，深圳地鐵2號線科技園站紅樹灣站盾構(gòu)區(qū)間。主要地質(zhì)條件描述：科技園站盾構(gòu)始發(fā)端頭從上到下依次為素填土、人工填石、淤泥質(zhì)粘土、粗砂、黏土、粗砂、礫質(zhì)粘性土。盾構(gòu)隧道頂板處主要為砂層，土層分布如下圖所示。地下水距離地表約4.2m。采用的端頭加固方案：該區(qū)間始發(fā)、到達端頭處于富水砂層中，端頭加固采用以水平深孔前進式注漿為主，旋噴樁和素混凝土樁以及降水為輔的注漿加固方案。案例標(biāo)段3，北京地鐵10號線二期角門東站角門西站草橋站區(qū)間。本標(biāo)段端頭的主要地層有：雜填土。1砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土、素填土。砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土，夾

9、少量卵石、圓礫。1粉細砂，粉土及少量卵石、圓礫，31.3533.87，不連續(xù)。卵石、圓礫，一般粒徑25cm，最大粒徑約14cm，細沙充填約30%40%，23.5728.49，連續(xù)分布。2細中砂，少量卵石、圓礫，透鏡體分布。卵石，細中砂充填約30%40%，局部含圓礫，10.6914.84，連續(xù)分布。1粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土，10.6914.84，不連續(xù)。2細中砂，褐黃色，10.6914.84，透鏡體分布。卵石，一般粒徑27cm，最大粒徑約16cm，細中砂充填約25%35%，連續(xù)分布。1粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土。2細中砂。洞門范圍內(nèi)所處地層基本位于：卵石、圓礫層；粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土層；細中砂1層；卵石層。根

10、據(jù)車站端頭開挖對水文地質(zhì)的跟蹤，在22.5米時出水與隧道底埋深26.1米相差3.6米，因此洞門下半部門位于地下水位線以下。地層照片如下圖：地層地質(zhì)剖面圖如下：采用的端頭加固方案：角門西站地下水滲透系數(shù)大，端頭加固方案主要依托于車站管井降水，將地下水有效控制。采用素混凝土樁輔以地面袖閥管注漿。注漿范圍為隧道上部全斷面。案例標(biāo)段4，成都地鐵3號線熊貓大道動物園站駟馬橋北站區(qū)間。本標(biāo)段主要地質(zhì)條件是：岷江水系級階地，上覆第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)，厚度為1.305.00m；其下為第四系上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)粘土、粉質(zhì)粘土、粉土，砂土，卵石土；第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積層(Q2-1fg

11、l)含粘土卵石；下覆白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖，全風(fēng)化、強風(fēng)化泥巖厚度為1.006.90m。區(qū)間隧道洞身主要穿越第四系上統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)的卵石土。卵石層分選性、均一性差，自穩(wěn)性較差。區(qū)間地下水主要為填土中的上層滯水，卵石土層中的孔隙潛水和基巖裂隙水，水位埋藏較淺，含水量十分豐富，卵石層滲透系數(shù)K=18m/d。采用的端頭加固方案：大管棚，輔以降水。同時，車站洞口段圍護樁采用玻璃纖維筋混凝土樁。案例標(biāo)段5，蘇州地鐵4號線及支線工程溪霞路站龍翔路站區(qū)間。始發(fā)端主要地質(zhì)是：2粉質(zhì)粘土、3粉土夾粉質(zhì)粘土層、1粉質(zhì)粘土、1粘土，隧道底層主要為1粉質(zhì)粘土、1粘土。3粉土夾粉質(zhì)粘土層為微承壓水

12、含水層，土層透水性好。采用的端頭加固方案：端頭加固體及止水帷幕采用三軸攪拌樁施工，加固體采用ø850600，搭接長度為200mm，止水帷幕與地墻接縫處采用2排單重管旋噴樁補強，在止水帷幕范圍內(nèi)布置降水井及觀測井。四、實施效果的分析及技術(shù)經(jīng)濟比較 針對端頭加固的具體方案，當(dāng)前地鐵設(shè)計中，只提出建議性意見，具體施工方案由施工單位編制后，經(jīng)專家論證后實施。在上述端頭加固方案的實施中，有的取得了較好的效果，工程實踐證明了方案具有較強的針對性。有的方案在實踐中證明還存在一定的不完善，加固效果有待加強。各典型地質(zhì)條件下端頭加固實施效果分析一覽表標(biāo)段典型地質(zhì)加固方案實施效果分析廣州地鐵3號線漢溪站

13、市橋站盾構(gòu)區(qū)間混合巖硬塑狀殘積土、砂質(zhì)粘性土水泥攪拌樁，換填。洞門采用700mm厚C10素混凝土封堵。穩(wěn)定，順利始發(fā)。在端頭無管線條件下首選。深圳地鐵2號線科技園站紅樹灣站盾構(gòu)區(qū)間粗砂、礫質(zhì)粘性土，富水。上覆填石層。水平深孔前進式注漿為主，旋噴樁和素混凝土樁以及降水為輔。地層固結(jié)性好，閉水性好。地層強度和變形極小。加固中，地面隆起嚴(yán)重，管線保護難度大。北京地鐵10號線二期角門東站角門西站草橋站區(qū)間細中砂層，卵石層，富水。降水，素混凝土樁輔以地面袖閥管注漿。地層固結(jié)性較差，地層穩(wěn)定性一般。加固方法需改進。注漿對端頭管線有一定影響。成都地鐵3號線動物園站駟馬橋北站區(qū)間砂土，卵石土大管棚，輔以降水。

14、圍護樁為玻璃纖維筋砼樁。穩(wěn)定性好，地層變形較小。管棚施工與車站施工交叉，工期長。蘇州地鐵4號線溪霞路站龍翔路站區(qū)間粉質(zhì)粘土攪拌樁、旋噴樁、降水。穩(wěn)定性好，地層變形較小。工期長進一步分析上述典型地質(zhì)條件下各項目端頭加固的實施效果，總結(jié)如下：1、在富水砂層中，降水井、水位觀測井在始發(fā)和到達端頭地層處理中十分重要，是必要措施。2、在砂卵石地層中，為防止始發(fā)和到達過程中，上部土體的變形、塌陷，近些年來普遍采用了大管棚施工，實踐證明，效果較好。3、車站圍護結(jié)構(gòu)的樁體，在洞門處采用玻璃纖維筋混凝土樁對洞門破除較為有利。4、加強對端頭管線的調(diào)查和保護，是端頭加固實施中的重要環(huán)節(jié)。加固過程中，注漿漿液堵塞各種

15、管溝現(xiàn)象普遍，應(yīng)及時清理，不能造成新生隱患。5、注漿加固是端頭加固普遍采用的方法，針對不同的地質(zhì)條件，使用不同的施工工藝。最為常見的注漿方法是：水泥攪拌樁、袖閥管注漿、高壓旋噴樁和水平漸進式深層注漿。加固方案技術(shù)條件經(jīng)濟分析水泥攪拌樁，降水。洞門700mm厚素混凝土封堵。適用于明挖與盾構(gòu)接口端，方案成熟穩(wěn)定。費用較高，工期長。水平深孔前進式注漿為主，旋噴樁和素混凝土樁以及降水為輔。地層固結(jié)性好，閉水性好。地層強度和變形極小。方案較成熟。費用高，工期長。適宜在極軟弱富水砂層中使用。降水，素混凝土樁輔以地面袖閥管注漿。方案應(yīng)進一步優(yōu)化，安全性不足。費用低，工期短。大管棚，輔以降水。圍護樁為玻璃纖維

16、筋砼樁。方案成熟，應(yīng)落實全斷面注漿。費用高，工期長。攪拌樁、旋噴樁、降水。方案完善、成熟工期較長，費用可以固化。端頭加固方案的技術(shù)與經(jīng)濟比選建議五、技術(shù)要點和注意事項1、攪拌樁、旋噴樁、袖閥管以及水平注漿等工藝，在考慮地層的適用性的同時，注漿壓力的控制是關(guān)鍵。鑒于端頭位置地層、管線、車站結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，應(yīng)綜合考慮。避免較大的壓力對管線和既有結(jié)構(gòu)造成一定的破壞作用。水平漸進式注漿正常壓力控制在3Mpa以內(nèi)，最高不宜超過6Mpa。旋噴樁注漿壓力要根據(jù)加固區(qū)的埋深確定，但是靠近車站結(jié)構(gòu)部分也不宜超過6Mpa，同時要對車站結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。2盾構(gòu)始發(fā)或到達端頭地層中無水，但在始發(fā)或到達豎井周圍存在有水地下管

17、線，如雨水管、污水管或雨污合流管、上水管、熱力管線等，其變形后有可能使其內(nèi)水外流，從而導(dǎo)致無水地層變?yōu)橛兴貙?，此時需將無水地層視為有水地層處理。3、注漿和降水在實際操作中往往相互制約和影響。在工序上，必須先進行注漿作業(yè)，待地層固結(jié)后，再實施降水井施工。此時地層滲透系數(shù)和降水井的匯水路徑會發(fā)生變化。降水井的功能可以以水位觀測井體現(xiàn)。4、在多數(shù)條件下，注入地層的漿液是不均勻分布的，尤其是采用袖閥管和水平漸進注漿工藝加固的地層。但是在注漿過程中，在持續(xù)的壓力之下，地層會被擠壓而密實，孔隙水會析出或被水泥漿吸附，空洞會填實，車站施工過程中被擾動的地層會得到補強。從而使端頭地層的自穩(wěn)性得到全面加強。因此端頭加固采用注漿工藝是必要的。5、盾構(gòu)機始發(fā)以后，及時的采用沿管片注漿孔對洞門附近注雙液漿，是一道關(guān)鍵工序。實際操作中，各級管理者容易忽視。從而導(dǎo)致在盾構(gòu)機始發(fā)以后，端頭塌陷事故頻發(fā)，出現(xiàn)管線斷裂，透水等事故。反過來，影響了對端頭加固效果的評估。6、對端頭注漿加固效果的檢測方法，通常采用的是取芯，檢測無側(cè)限抗壓強度。取芯的位置不同，往往所得出的檢測結(jié)果差別很大。所以，現(xiàn)場技術(shù)人員在取芯過程中要盯在現(xiàn)場，對加固效果做出直觀判斷。往往在圍護樁壁，車站施工中擾動過的地層，以及管線遷改過的區(qū)域，漿液匯集多，其他區(qū)域則不見凝結(jié)體。因此，取樣