地鐵盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固施工技術(shù)

1、地鐵盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)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(dá)端頭加固需要實(shí)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(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，結(jié)合工程實(shí)際案例和已經(jīng)驗(yàn)證的效果，提出了端頭加固常用的施工技術(shù)工藝和要點(diǎn)以及注意事項(xiàng)。本文還就技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，方案優(yōu)化及新工法的應(yīng)用，相關(guān)工序的風(fēng)險(xiǎn)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(dá)端頭加固的目的盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)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(shí)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(shí)施端頭地層加固，是為了防止拆除臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的振動(dòng)影響，在盾構(gòu)刀盤頂?shù)秸谱用娌⒔⑼翂褐埃苁沟脟鷰r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(shí)現(xiàn)的工程目的主要有以下幾點(diǎn)：（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(dòng)作用下的穩(wěn)定，即洞門破除時(shí)振動(dòng)對加固土體的擾動(dòng)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(qiáng)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(dá)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(jìn)行詳細(xì)勘察，管線狀況進(jìn)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(dá)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(dá)的端頭加固只需考慮端頭土體強(qiáng)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(qiáng)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(dá)端頭加固的幾何尺寸主要是根據(jù)盾構(gòu)機(jī)主機(jī)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(bǔ)水來源，將盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)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(dá)、盾構(gòu)有水始發(fā)、盾構(gòu)有水到達(dá)。1、 盾構(gòu)無水始發(fā)和到達(dá)，示意圖如下： 縱向加固范圍通常為盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度，橫向加固范圍中，上部通?？紤]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(jī)主機(jī)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(jìn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常采用圖b所示，縱向加固范圍為盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度加23倍的盾構(gòu)環(huán)管片的寬度，

5、即L=盾構(gòu)主機(jī)長度+（23）B，橫向加固范圍中，上部及左、右兩側(cè)通常考慮3米，底部考慮2米。3、盾構(gòu)有水到達(dá)，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(jìn)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(jī)主機(jī)的長度。同有水始發(fā)類似，縱向加固范圍為盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度加23倍的盾構(gòu)環(huán)管片的寬度，即L=盾構(gòu)主機(jī)長度+（23）B，橫向加固范圍中，上部及左、右兩側(cè)通常考慮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(dá)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(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)，確保始發(fā)和到達(dá)的安全性。三、幾種典型工程地質(zhì)及端頭加固實(shí)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(shí)例對實(shí)施的端頭加固方案進(jìn)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(xì)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(xì)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(jìn)行置換、固結(jié)。由于埋深較淺，隧道上部采用水泥攪拌樁進(jìn)行全部置換、固結(jié)。洞門采用700mm厚C10素

8、混凝土封堵。進(jìn)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(dá)端頭處于富水砂層中，端頭加固采用以水平深孔前進(jìn)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(xì)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(xì)沙充填約30%40%，23.5728.49，連續(xù)分布。2細(xì)中砂，少量卵石、圓礫，透鏡體分布。卵石，細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(shí)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(dòng)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(qiáng)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(shí)，車站洞口段圍護(hù)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(bǔ)強(qiáng)，在止水帷幕范圍內(nèi)布置降水井及觀測井。四、實(shí)施效果的分析及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 針對端頭加固的具體方案，當(dāng)前地鐵設(shè)計(jì)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(shí)施。在上述端頭加固方案的實(shí)施中，有的取得了較好的效果，工程實(shí)踐證明了方案具有較強(qiáng)的針對性。有的方案在實(shí)踐中證明還存在一定的不完善，加固效果有待加強(qiáng)。各典型地質(zhì)條件下端頭加固實(shí)施效果分析一覽表標(biāo)段典型地質(zhì)加固方案實(shí)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(jìn)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(qiáng)度和變形極小。加固中，地面隆起嚴(yán)重，管線保護(hù)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(xì)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(jìn)。注漿對端頭管線有一定影響。成都地鐵3號線動(dòng)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(hù)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(jìn)一步分析上述典型地質(zhì)條件下各項(xiàng)目端頭加固的實(shí)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(dá)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(dá)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(shí)踐證明，效果較好。3、車站圍護(hù)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(qiáng)對端頭管線的調(diào)查和保護(hù)，是端頭加固實(shí)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(shí)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(jìn)式深層注漿。加固方案技術(shù)條件經(jīng)濟(jì)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(fèi)用較高，工期長。水平深孔前進(jìn)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(qiáng)度和變形極小。方案較成熟。費(fèi)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(jìn)一步優(yōu)化，安全性不足。費(fèi)用低，工期短。大管棚，輔以降水。圍護(hù)樁為玻璃纖維

16、筋砼樁。方案成熟，應(yīng)落實(shí)全斷面注漿。費(fèi)用高，工期長。攪拌樁、旋噴樁、降水。方案完善、成熟工期較長，費(fèi)用可以固化。端頭加固方案的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比選建議五、技術(shù)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)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(shí)，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(jìn)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(shí)要對車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。2盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)端頭地層中無水，但在始發(fā)或到達(dá)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(shí)需將無水地層視為有水地層處理。3、注漿和降水在實(shí)際操作中往往相互制約和影響。在工序上，必須先進(jìn)行注漿作業(yè)，待地層固結(jié)后，再實(shí)施降水井施工。此時(shí)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(jìn)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(shí)，孔隙水會析出或被水泥漿吸附，空洞會填實(shí)，車站施工過程中被擾動(dòng)的地層會得到補(bǔ)強(qiáng)。從而使端頭地層的自穩(wěn)性得到全面加強(qiáng)。因此端頭加固采用注漿工藝是必要的。5、盾構(gòu)機(jī)始發(fā)以后，及時(shí)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(shí)際操作中，各級管理者容易忽視。從而導(dǎo)致在盾構(gòu)機(jī)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(qiáng)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(hù)樁壁，車站施工中擾動(dòng)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