地铁盾构始发与到达端头加固施工技术.docx

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地铁盾构始发与到达端头加固施工技术

地铁盾构始发与到达端头加固施工技术研究

丁修恒

（中铁工程局城轨分公司，，200071）

【摘要】本文简述了地铁区间盾构法施工中始发与到达端头加固需要实现的工程目的，列举了、、、、几种典型的工程地质，对几种地质条件下采用的端头加固方案进行了较为详细的阐述，结合工程实际案例和已经验证的效果，提出了端头加固常用的施工技术工艺和要点以及注意事项。

本文还就技术经济分析，方案优化及新工法的应用，相关工序的风险控制等方面发表了见解，具有较好的施工指导意义。

【关键词】地铁；盾构法隧道；端头加固；施工技术

一、盾构始发与到达端头加固的目的

盾构始发和到达洞门破除后，端头土体暴露，端头地层受力平衡状态被破坏，土体结构、作用荷载和应力发生了变化，端头土体有可能发生潜在滑移破坏。

对于自稳时间较短的土体，如松散砂土、粉土以及饱和的软粘土，端头加固非常必要。

实施端头地层加固，是为了防止拆除临时围护结构时的振动影响，在盾构刀盘顶到掌子面并建立土压之前，能使得围岩自稳及防止地下水流失，防止开挖面坍塌，出现地表沉降过大、坍方等。

端头加固实现的工程目的主要有以下几点：

（1）加固土体满足整体稳定性的要求，其中整体稳定性包括：

①加固土体在振动作用下的稳定，即洞门破除时振动对加固土体的扰动影响。

②加固土体的静态稳定，包括施工期稳定和长期稳定性。

（2）加固土体满足强度的要求。

（3）加固土体满足堵水和渗透性的要求，特别对于富水砂土地层。

（4）加固土体满足变形特征的要求。

端头土体加固是盾构始发、到达技术的核心部分，端头失稳、坍塌是盾构施工中常见事故。

在对端头地质进行详细勘察，管线状况进行彻底调查的前提下，端头加固方法的选取，加固围的确定，端头加固效果准确的判断和必要的检测是盾构始发与到达是否顺利和成功的关键。

二、端头加固围的确定

对于无水地层，盾构始发与到达的端头加固只需考虑端头土体强度与稳定性要求，而对于有水地层，端头土体加固除了满足强度与稳定性以外，还要考虑盾构几何尺寸和渗透（止水）要求。

盾构始发和到达端头加固的几何尺寸主要是根据盾构机主机的几何构造尺寸确定，加固围分为纵向加固围和横向加固围两种。

根据端头地层中是否存在有地下水，或地层中是否有补水来源，将盾构始发与到达的加固围分为四种情况：

盾构无水始发、盾构无水到达、盾构有水始发、盾构有水到达。

1、盾构无水始发和到达，示意图如下：

纵向加固围通常为盾构机主机长度，横向加固围中，上部通常考虑3米，左、右两侧一般为2米，底部可以不考虑加固。

2、盾构有水始发，示意图如下：

如上图a所示，在有水地层中，纵向加固围若小于盾构机主机长度，加固区前方地层中的地下水和土体可能沿着盾壳和围岩之间的空隙进入盾构工作井，引起透水、洞门塌方等工程事故。

总结工程实践经验，通常采用图b所示，纵向加固围为盾构机主机长度加2~3倍的盾构环管片的宽度，即L=盾构主机长度+（2~3）B，横向加固围中，上部及左、右两侧通常考虑3米，底部考虑2米。

3、盾构有水到达，示意图如下：

由于盾构设备自身构造的原因，壁后同步注浆的浆液不可能完全填充盾构外壳与地层之间的缝隙，当地层中地下水埋深较浅，隧道周围地层中的地下水和砂土就会沿着盾构外壳与地层间的缝隙进入盾构接收层，造成地层缺失，引发工程事故。

如图a所示。

因此，从渗透与堵水的角度考虑，避免透水和坍塌事故的发生，端头土体的纵向加固围必须大于盾构机主机的长度。

同有水始发类似，纵向加固围为盾构机主机长度加2~3倍的盾构环管片的宽度，即L=盾构主机长度+（2~3）B，横向加固围中，上部及左、右两侧通常考虑3米，底部考虑2米。

如图b所示。

鉴于盾构始发与到达施工中，具体工况的不同以及地质条件的差异性，还需有针对性的采取一些辅助工法配合，以降低工程实施的风险，确保始发和到达的安全性。

三、几种典型工程地质及端头加固实施方案

以下是当前国地铁建设规模较大城市的典型地质状况，结合工程实例对实施的端头加固方案进行阐述。

案例标段1，地铁3号线汉溪站~市桥站盾构区间。

主要地质条件描述：

珠江三角洲平原，地层由元古界震旦系，中生界侏罗系组成，上覆第四系。

始发端地质条件从上到下依次为：

（1）人工填土层（Q4ml）〈1〉以填土为主，局部杂填土，部分填土下部为耕植土。

素填土为人工堆积的粘性土，局部砂土；平均厚1.48m，标准值N=6.9击。

（2）冲洪积上层（Qal+PL）、〈4-1〉以粉质粘土，粘土及粉土为主，局部夹粉细砂薄层，标准值N=10.6击。

（3）河湖相淤泥质土层（Q3al），<4-2>淤泥质土（淤泥），流～软塑状，局部含粉细砂层，含较多腐植质，标准值N=1.5击。

（4）混合岩硬塑状残积土（Qel）〈5Z-2〉砂质粘性土。

厚度10～12m。

标准值N=20.5击。

（5）混合岩全风化带（Z）<6z-2>混合岩剧烈风化成。

标准值N=38.8击。

采用的端头加固方案：

该始发端头主要采用水泥搅拌桩对端头土质进行置换、固结。

由于埋深较浅，隧道上部采用水泥搅拌桩进行全部置换、固结。

洞门采用700mm厚C10素混凝土封堵。

进洞方向左侧11米处有一排洪渠，常年有水，加固围按照有水地层处理。

案例标段2，地铁2号线科技园站~红树湾站盾构区间。

主要地质条件描述：

科技园站盾构始发端头从上到下依次为素填土、人工填石、淤泥质粘土、粗砂、黏土、粗砂、砾质粘性土。

盾构隧道顶板处主要为砂层，土层分布如下图所示。

地下水距离地表约4.2m。

采用的端头加固方案：

该区间始发、到达端头处于富水砂层中，端头加固采用以水平深孔前进式注浆为主，旋喷桩和素混凝土桩以及降水为辅的注浆加固方案。

案例标段3，地铁10号线二期角门东站~角门西站~草桥站区间。

本标段端头的主要地层有：

①杂填土。

①1砂质粉土、粘质粉土、素填土。

②砂质粉土、粘质粉土，夹少量卵石、圆砾。

②1粉细砂，粉土及少量卵石、圆砾，31.35～33.87，不连续。

③卵石、圆砾，一般粒径2～5cm，最大粒径约14cm，细沙充填约30%～40%，23.57～28.49，连续分布。

③2细中砂，少量卵石、圆砾，透镜体分布。

④卵石，细中砂充填约30%～40%，局部含圆砾，10.69～14.84，连续分布。

④1粘质粉土、粉质粘土，10.69～14.84，不连续。

④2细中砂，褐黄色，10.69～14.84，透镜体分布。

⑤卵石，一般粒径2～7cm，最大粒径约16cm，细中砂充填约25%～35%，连续分布。

⑤1粘质粉土、粉质粘土。

⑤2细中砂。

洞门围所处地层基本位于：

卵石、圆砾③层；粘质粉土、粉质粘土④层；细中砂④1层；卵石④层。

根据车站端头开挖对水文地质的跟踪，在22.5米时出水与隧道底埋深26.1米相差3.6米，因此洞门下半部门位于地下水位线以下。

地层照片如下图：

地层地质剖面图如下：

采用的端头加固方案：

角门西站地下水渗透系数大，端头加固方案主要依托于车站管井降水，将地下水有效控制。

采用素混凝土桩辅以地面袖阀管注浆。

注浆围为隧道上部全断面。

案例标段4，地铁3号线熊猫大道~动物园站~驷马桥北站区间。

本标段主要地质条件是：

岷江水系Ⅱ级阶地，上覆第四系全新统人工填土（Q4ml），厚度为1.30～5.00m；其下为第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）粘土、粉质粘土、粉土，砂土，卵石土；第四系中下更新统冰水沉积层（Q2-1fgl）含粘土卵石；下覆白垩系上统灌口组（K2g）泥岩，全风化、强风化泥岩厚度为1.00～6.90m。

区间隧道洞身主要穿越第四系上统冲洪积层（Q3al+pl）的卵石土。

卵石层分选性、均一性差，自稳性较差。

区间地下水主要为填土中的上层滞水，卵石土层中的孔隙潜水和基岩裂隙水，水位埋藏较浅，含水量十分丰富，卵石层渗透系数K=18m/d。

采用的端头加固方案：

大管棚，辅以降水。

同时，车站洞口段围护桩采用玻璃纤维筋混凝土桩。

案例标段5，地铁4号线及支线工程溪霞路站~龙翔路站区间。

始发端主要地质是：

③2粉质粘土、③3粉土夹粉质粘土层、④1粉质粘土、⑥1粘土，隧道底层主要为④1粉质粘土、⑥1粘土。

③3粉土夹粉质粘土层为微承压水含水层，土层透水性好。

采用的端头加固方案：

端头加固体及止水帷幕采用三轴搅拌桩施工，加固体采用ø850600，搭接长度为200mm，止水帷幕与地墙接缝处采用2排单重管旋喷桩补强，在止水帷幕围布置降水井及观测井。

四、实施效果的分析及技术经济比较

针对端头加固的具体方案，当前地铁设计中，只提出建议性意见，具体施工方案由施工单位编制后，经专家论证后实施。

在上述端头加固方案的实施中，有的取得了较好的效果，工程实践证明了方案具有较强的针对性。

有的方案在实践中证明还存在一定的不完善，加固效果有待加强。

各典型地质条件下端头加固实施效果分析一览表

标段

典型地质

加固方案

实施效果

分析

地铁3号线汉溪站~市桥站盾构区间

混合岩硬塑状残积土、砂质粘性土

水泥搅拌桩，换填。

洞门采用700mm厚C10素混凝土封堵。

稳定，顺利始发。

在端头无管线条件下首选。

地铁2号线科技园站~红树湾站盾构区间

粗砂、砾质粘性土，富水。

上覆填石层。

水平深孔前进式注浆为主，旋喷桩和素混凝土桩以及降水为辅。

地层固结性好，闭水性好。

地层强度和变形极小。

加固中，地面隆起严重，管线保护难度大。

地铁10号线二期角门东站~角门西站~草桥站区间

细中砂层，卵石层，富水。

降水，素混凝土桩辅以地面袖阀管注浆。

地层固结性较差，地层稳定性一般。

加固方法需改进。

注浆对端头管线有一定影响。

地铁3号线动物园站~驷马桥北站区间

砂土，卵石土

大管棚，辅以降水。

围护桩为玻璃纤维筋砼桩。

稳定性好，地层变形较小。

管棚施工与车站施工交叉，工期长。

地铁4号线溪霞路站~龙翔路站区间

粉质粘土

搅拌桩、旋喷桩、降水。

稳定性好，地层变形较小。

工期长

进一步分析上述典型地质条件下各项目端头加固的实施效果，总结如下：

1、在富水砂层中，降水井、水位观测井在始发和到达端头地层处理中十分重要，是必要措施。

2、在砂卵石地层中，为防止始发和到达过程中，上部土体的变形、塌陷，近些年来普遍采用了大管棚施工，实践证明，效果较好。

3、车站围护结构的桩体，在洞门处采用玻璃纤维筋混凝土桩对洞门破除较为有利。

4、加强对端头管线的调查和保护，是端头加固实施中的重要环节。

加固过程中，注浆浆液堵塞各种管沟现象普遍，应及时清理，不能造成新生隐患。

5、注浆加固是端头加固普遍采用的方法，针对不同的地质条件，使用不同的施工工艺。

最为常见的注浆方法是：

水泥搅拌桩、袖阀管注浆、高压旋喷桩和水平渐进式深层注浆。

加固方案

技术条件

经济分析

水泥搅拌桩，降水。

洞门700mm厚素混凝土封堵。

适用于明挖与盾构接口端，方案成熟稳定。

费用较高，工期长。

水平深孔前进式注浆为主，旋喷桩和素混凝土桩以及降水为辅。

地层固结性好，闭水性好。

地层强度和变形极小。

方案较成熟。

费用高，工期长。

适宜在极软弱富水砂层中使用。

降水，素混凝土桩辅以地面袖阀管注浆。

方案应进一步优化，安全性不足。

费用低，工期短。

大管棚，辅以降水。

围护桩为玻璃纤维筋砼桩。

方案成熟，应落实全断面注浆。

费用高，工期长。

搅拌桩、旋喷桩、降水。

方案完善、成熟

工期较长，费用可以固化。

端头加固方案的技术与经济比选建议

五、技术要点和注意事项

1、搅拌桩、旋喷桩、袖阀管以及水平注浆等工艺，在考虑地层的适用性的同时，注浆压力的控制是关键。

鉴于端头位置地层、管线、车站结构的复杂性，应综合考虑。

避免较大的压力对管线和既有结构造成一定的破坏作用。

水平渐进式注浆正常压力控制在3Mpa以，最高不宜超过6Mpa。

旋喷桩注浆压力要根据加固区的埋深确定，但是靠近车站结构部分也不宜超过6Mpa，同时要对车站结构进行监测。

2盾构始发或到达端头地层中无水，但在始发或到达竖井周围存在有水地下管线，如雨水管、污水管或雨污合流管、上水管、热力管线等，其变形后有可能使其水外流，从而导致无水地层变为有水地层，此时需将无水地层视为有水地层处理。

3、注浆和降水在实际操作中往往相互制约和影响。

在工序上，必须先进行注浆作业，待地层固结后，再实施降水井施工。

此时地层渗透系数和降水井的汇水路径会发生变化。

降水井的功能可以以水位观测井体现。

4、在多数条件下，注入地层的浆液是不均匀分布的，尤其是采用袖阀管和水平渐进注浆工艺加固的地层。

但是在注浆过程中，在持续的压力之下，地层会被挤压而密实，孔隙水会析出或被水泥浆吸附，空洞会填实，车站施工过程中被扰动的地层会得到补强。

从而使端头地层的自稳性得到全面加强。

因此端头加固采用注浆工艺是必要的。

5、盾构机始发以后，及时的采用沿管片注浆孔对洞门附近注双液浆，是一道关键工序。

实际操作中，各级管理者容易忽视。

从而导致在盾构机始发以后，端头塌陷事故频发，出现管线断裂，透水等事故。

反过来，影响了对端头加固效果的评估。

6、对端头注浆加固效果的检测方法，通常采用的是取芯，检测无侧限抗压强度。

取芯的位置不同，往往所得出的检测结果差别很大。

所以，现场技术人员在取芯过程中要盯在现场，对加固效果做出直观判断。

往往在围护桩壁，车站施工中扰动过的地层，以及管线迁改过的区域，浆液汇集多，其他区域则不见凝结体。

因此，取样检测要与现场目测判断结合起来。

当然，注入浆液的体量和压力，也是判断加固效果的重要指标。

7、在始发方案的不断摸索中，接长洞门作为一种工法被采用，该种方法对补充和优化端头加固方案具有积极意义。

鉴于盾构机的长度和始发井结构长度的制约，接长洞门目前以600mm和800mm为主。

笔者认为，应在初步设计阶段或施工图设计阶段，与设计者积极沟通，让始发端结构留有足够长度，尽可能实施洞门接长，使始发时因对地层的隐形认识而产生的风险显性化，从而使始发风险进一步降低。

作者简介：

丁修恒，男，工程师，1972年11月生，1993年毕业于铁道学院。

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