关于盾构区间端头地层的水平加固技术探究

【摘要】随着科技的发展，铁路、公路、地铁、隧洞等的隧道挖掘开发已不再是靠完全的人力来完成了。盾构机的出现使隧道施工具有节省人力，施工速度快，自动化程度高，不受环境影响，能有效的控制对地面建筑的影响，特别适合长隧道、挖掘深度大的情况，很大程度上节约了成本。因此盾构机的选型应按照因地制宜原则，提高自动化程度且减少对环境的影响。由于盾构区间靠近端头地层部分的土体对隧道挖掘影响非常大，采取何种加固措施，才能取得最好的效果是本文研究的重点。

【关键词】盾构；端头地层；水平加固

中图分类号：K826文献标识码： A

1、引言

盾构机最早是法国工程师M.I.布律内尔开始研究的，且在1825年用矩形盾构建造了世界上第一条水底隧道。在1847年，英国人J.H.格雷特黑德创造了比较完整的气压盾构法，促进了盾构法施工的发展。随着隧道工程的逐步增加，机械化水平的提高，人工劳动强度低，企业越来越多的使用盾构机进行隧道挖掘作业，盾构法逐步被人们认识和了解。盾构法有许多优点，但也有许多缺点。

为避免因土层强度不够、地表沉降造成的地面建筑物和人员伤亡，必须对端头地层进行水平加固，为了使它达到一定的力学强度，保证工程质量和按时完工，人们不断探索施工风险预控制技术，提高施工质量，避免安全事故发生，降低施工成本，促进经济发展。

2 端头地层水平加固目的

盾构法隧道施工中，端头地层水平加固是盾构机始发和到达技术的重要组成部分，也是盾构机始发和到达事故频发地段。这些事故都跟端头地层加固有关，因此端头地层水平加固是否成功，是否满足强度和稳定性要求，将直接关系着盾构机能否顺利完工。端头地层加固一般通过对进出洞一定区间内的土体进行有效工程措施，改良地层的强度和渗透性、固土止水。

盾构始发施工时常见问题：

（1）端头土层水平加固范围不能满足设计要求。

（2）端头土层水平加固效果不好，洞门密封失效。

（3）始发推进前需要凿除围护结构，要保证凿除围护结构后的土体在一定时间内保持稳定，不能出现水土流失问题。

（4）盾构机主题在始发导轨上不能调向，且姿势和地面沉降控制比正常推进控制更困难。

（5）盾构始发时周围发生渗水和塌方等土体失稳。

因此盾构端头地层的水平加固要满足一下几点：

（1）加固土体满足稳定性要求；

（2）加固土体满足强度要求；

（3）加固土体满足抗压、渗透性和防水要求；

（4）加固土体满足变形特征要求（土压建立前和土压消失后）。

3、端头地层加固范围的确定

盾构始发端头地层加固范围是否合理和正确，直接影响着端头地层的加固强度和稳定性，也影响着盾构施工是否能正常进行。

当前，盾构始发端头地层加固范围主要根据土体滑移失稳理论、板块强度理论和土体扰动极限平衡理论来确定。这三种理论方法把盾构始发端地层加固简化为单一的地层，再根据弹性力学和土力学对工程实际进行简化，根据边界条件从而建立模型，列出方程，求出解析解。

4、常见的盾构端头地层的水平加固技术介绍和适用性

端头地层的水平加固技术可以采用一种或多种方法相结合，主要取决于施工地点的地质情况、地下水分布、盾构机直径和型号、施工环境等因素。常用的加固方法分为两大类：（1）化学加固方式：旋喷桩加固法、注浆加固法、素混凝土墙加固法、深层搅拌桩加固法、SMW工法；（2）物理加固方式：冻结加固法、降水法等。

4.1旋喷桩加固法

旋喷桩加固法适合于砂层改良，比如淤泥、粉土、粘土层，常用于围护结构和加固体的角部加固与间隙加固，效果较好；但对粘聚力较大的粘土层和沙砾层的加固效果不好，当深度超过20m时加固效果更差。

其优点是（1）材料多、价格低、适用的地层种类多；（2）固结桩体强度高、耐久性好、容易控制形状；（3）浆液集中、容易灌溉；（4）设备简单、施工灵活，设备轻便机动性强等。

其缺点是（1）加固深度有限制；（2）沙土和粉土地层适应性差，有些土体不易旋喷成桩；（3）人为因素对加固质量影响大，操作不当容易引起桩与桩之间搭接不连续，整体止水效果差，无法实现量化管理等。

4.2 注浆加固法

注浆加固法适用于深层次的砂质地层和砂砾层等多种地层，特别是砂层、粉层、淤泥层，广深地区应用比较多，且可和搅拌桩加固法相结合，可对小水量的地段进行加固止水。注浆的浆液受地下水、施工环境和地质等影响，因此应考虑因注浆引起地基隆起等问题来确定注浆工艺和参数，并有相对应的处理措施。浆液可分为单浆液和双浆液，可同时进行跟踪注浆。

其优点是（1）设备规模小、占地面积小、结构简单、工作时无噪音、对环境污染小；（2）冒浆液、串浆可能性小。

其缺点是土层加固质量的可靠性不高，封孔工艺复杂。

4.3素混凝土墙加固法

素混凝土墙加固法是通过在围护结构和衬砌外侧浇注素混凝土墙，用来维持围护结构端头墙破除洞门后的土层平衡，保证端头地层上体的稳定。素混凝土墙自身强度高，能承受来自振动产生的较大水土压力，有效解决了旋喷桩加固法在卵石层加固时遇到的问题。

其优点是适用于施工场地小、交通繁忙、距离建筑物基础近、地下管线密集的场地，加固效率高、价格便宜等特点。

其缺点是对盾构机的操作参数有严格的要求。

4.4 搅拌桩加固法

搅拌桩加固法适用于软土地层，比如淤泥、粘土层和砂层，它是通过搅拌桩改变端头土体凝聚力和内摩擦角，但对砂层加固效果较差且要配合旋喷桩加固法才能使用。

其优点是工程造价低；对土体扰动小，没有挤土效应；应用灵活，加固桩体形式多样；无噪音、污染小等特点。

其缺点是在14m深度以下加固效果差；受设备性能限制；不适用于富水砂层；加固桩体的垂直度和咬合度无法保证。

4.5 冻结加固法

冻结加固法适用于各种地层，特别是地下管线分布密集、施工条件困难的地段，可与其它加固法平行作业，有效缩短施工工期。其原理是利用人工制冷，将低温冷媒送入地层，将开挖体周围地层封冻来抵抗地压并隔绝地下水。

其优点是（1）无污染、噪音小；（2）抗渗透；（3）有效缩短工期；（4）土体加固强度高等。

其缺点是造价高，解冻时会影响地面沉降。

4.6 SMW工法

SMW工法利用专门的多轴搅拌机钻进切削土体，同时钻头端部将水泥类悬浊液在原地层跟土体搅拌混合形成墙体，作为能同时受力与抗渗两种功能的挡土墙使用，适用于砂层、淤泥和粘土层，特别适合城市的深基坑工程。

其优点是：（1）结构简单、强度可靠，造价低；抗水性好；对环境污染小、无噪音；有效缩短工期等特点；（2）围护结构与主体结构分离，主体结构侧墙可以防地下水，且结构整体性和防水性能较好，降低后期维护成本；（3）适用范围广，可靠近建筑物红线施工，特别适合现代城市的深基坑工程。

六种加固法各有各的优点和缺点，隧道施工时，应根据当地土层结构等因素因地制宜，选取最适合的加固方法，节约成本的同时，能保证工程质量，按时完成任务，减少事故发生，防止人力、物力、财力的浪费。

5、工程实例

合肥地铁2号线长丰南路站~金寨路站区间均为地下线，区间自出长丰南路站后，向东沿长江中路中敷设，下穿三孝口地下过街通道、金巷以800m半径曲线后进入金寨路站。区间左线长度为811.432m，右线长度为807.794m。区间埋深14.99~26.37m。根据盾构筹划，双线盾构均于长丰南路站东端头始发。因长丰南路站东端头有电力管线、人防干道存在，影响地面加固，设计采用水平深孔注浆加固。

长丰南路站围护结构采用钻孔灌注桩，盾构始发区端头盾构覆土9.05m，盾构范围地层为黏土（NQ4）、全风化砂岩（J3Z）、强风化砂岩、中风化砂岩，纵向加固长度6m，加固深度为盾构隧道以上3m至中风化砂岩层顶标高下0.5m范围。如图所示：

长丰南路站东端水平深孔注浆加固平面图

1-1剖面图

2-2剖面图

水平深孔注浆加固采用Φ50PVC袖阀管注浆，间距1.3×1.0m，注浆浆液采用单液水泥浆，注浆浆液扩散半径设计为1.0m加固后的水泥土28天龄期的单轴无侧限抗压强度不小于0.8MPa，其渗透系数≤1.0×10-7cm/s。

6、结语

隧道建筑的安全性关系着国家财产和人民安全，因此无论采用何种端头地层的水平加固技术，都应该充分考虑端头地层的结构、土质、地下水分布等特点，确保断头地层的水平加固质量，保证施工的安全性、可靠性、经济性，保证工期的按期完成。

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