广州盾构始发和到达端头加固方法浅析

徐 资

端头加固是盾构始发、盾构到达的一个重要技术环节,端头加固的成功失败直接影响到盾构能否安全始发、到达。合理选择端头加固施工工艺,是保证盾构顺利施工的非常重要的一个技术手段。盾构正常掘进,盾构始发与到达施工通过开挖面时,土压平衡或泥水平衡条件差,对开挖面的稳定性产生了不同程度的不利影响;同时始发与到达端隧道覆土浅,特别是始发端,盾构处于试掘进状态,盾构故障多,盾构操作人员不熟练等原因,容易发生地表变形过大,甚至坍塌、地表冒浆等事故。因此根据工程地质条件、地下水、盾构类型、覆土厚度、洞门密封等条件,选择合适的始发与到达端的加固方式,具有重要的意义。

1 端头加固的目的

端头加固是指通过改良端头土体,提高端头土体强度和自稳能力,堵塞颗粒的间隙和地层的水,防止坍塌、流沙、涌水现象发生,确保盾构机始发和到达的安全。因此,端头加固不仅仅要有强度要求,还要有抗渗透性要求。1)控制地表沉降,端头不坍塌。始发、到达前往往需要凿除洞口井壁的混凝土,割断钢筋,以满足盾构顺利进出洞,而洞口的井壁混凝土有时要达到 800 mm或者更厚,凿除时间长,要避免凿除过程中发生坍塌,更要避免因开挖面暴露时间过长而坍塌或造成地表过大的沉降。2)控制水土流失。盾构始发进入加固体,或盾构到达穿过加固体时,在含水量较高、水平渗透系数大的含砂层、卵石层等地层,盾构进出洞易造成水土流失。采用泥水盾构,泥水压力的作用也会使加固体发生水土流失,导致无法达到泥水平衡状态,如果土体不具备一定强度,很容易坍塌。3)重型机械作用时土体的承载力。由于盾构吊装或卸载时,重型吊机往往作用在端头位置,为防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌,或对已成型隧道安全造成不利影响,对地表的软弱地层进行加固。4)周边建、构筑物安全。当端头存在不具备改移条件的房屋、管线和道路时,必须采取保护措施,端头加固尤显重要。

2 端头加固的设计

端头加固土体的强度和稳定性分析,目前有板块的强度分析理论(日本计算理论公式)、静力理论公式(强度验算法)、粘性土滑移失稳理论(整体稳定验算法)和土体扰动极限平衡理论。上述诸多理论各有利弊,均存在加固后土体粘聚力参数c值、抗拉强度值抗剪强度值τc的不确定性,计算结果难以运用到工程实际,设计中较少采用。端头加固设计主要按照各地的工程地质条件和工程经验给出土体加固后土体强度、渗透系数和加固范围。1)加固范围。一般采用水泥搅拌桩等加固方法的情况下,始发端加固长度一般不小于 6m,到达端加固长度一般不小于 3 m。但在特殊地层始发时,考虑到抗渗等因素,加固长度需增加,如在粉细砂层中始发端增加为 10m,到达端增加为 9m,加固深度一般是洞门上部 3m至下部 2m的范围。当洞身处于砂层中时,底部深度还应适当增加,防止出现管涌。2)加固后土体强度。设计强度根据土质情况和胶凝材料不同、施工方法不同而有所区别。一般旋喷桩加固土体强度可以在1MPa以上甚至大于10MPa,通常情况下,砂土中的旋喷桩、搅拌桩强度大于在粘土中的强度,由于淤泥中有机质的影响,在淤泥质土中旋喷桩、搅拌桩效果较差,桩体强度低。3)渗透系数。在土层中的渗透系数或者岩层中的出水量是端头加固质量的重要指标,但是目前设计给出加固土体渗透系数没有明确、公认的理论依据,设计值从1.0×10-5cm/s到1.0×10-8cm/s都有,实际可操作性低。

3 端头加固方法

端头加固方法有搅拌桩、旋喷桩、人工挖孔桩、素混凝土钻孔桩、素混凝土地下连续墙、注浆加固、复合处理法、冷冻法、延长隧道洞身法等。

1 )搅拌桩加固。软土地层常用的端头加固方法,主要适用于淤泥、粘土层和砂层,在砂层加固时深度受国产设备性能限制,处理深度一般小于 15m,大于 15m深度,由于钻头摇摆幅度加大,垂直度较难控制,下部易“开叉”,止水效果很差。一般不单独使用,与旋喷桩等工法配合使用时经济效益较好。优点是工程造价相对较低。

2 )旋喷桩加固。软土地层最常用的端头加固方法之一,适用于淤泥、粉土、粘土层、砂层,加固效果好,可以和其他已到龄期的地下结构密贴,但遇到砾砂地层和粘着力大的粘土时,抗渗效果欠佳。由于旋喷桩造价偏高,往往不单独采用,常与搅拌桩等其他工法配合使用。在围护结构与加固体的“夹层”和围护结构阳角部位经常采用旋喷桩加固。旋喷桩主要有三种工法：单重管、双重管、三重管。小颗粒(粘粒、粉粒等)含量越高、渗透系数越小的地层宜用三重管旋喷桩。大颗粒(中粗砂、粉细砂等)含量越高、渗透系数越大的地层宜用单管旋喷桩,但深度超过 15m应慎用。在经济上,两排以上的旋喷桩造价就可能高于素混凝土连续墙。

3 )素混凝土人工挖孔桩、素混凝土钻孔桩、素混凝土地下连续墙。适用于强度较高,旋喷桩难以施工的地层。施工时要注意做好连续墙、钻孔桩、挖孔桩上部的充填;素混凝土连续墙、钻孔桩、挖孔桩与围护结构形成离壁式的双层结构,加固体与围护结构之间的“夹层”需要处理,可采用旋喷桩加固将夹层的两端头封闭。

4 )注浆加固。注浆加固适用于多种地层,加固质量可靠性相对较差,风险较大,通常与搅拌桩等其他工法一起使用。对自稳能力强但裂隙水发育的地层,注浆是首选的加固方法。注浆加固浆液种类较多,经济性和可施工性好,施工时需考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策及注浆扩散半径等问题。

5 )组合处理法。在端头加固处理时,由于受地质条件,施工条件和工程造价等诸多因素的限制,往往不采用单一的加固方法,而是采用 2种或 2种以上加固方法组合处理。常见的组合介绍如下：a.旋喷桩 +搅拌桩方案。加固范围四周用旋喷桩封闭,加固处理范围内部采用搅拌桩。适用于淤泥、粉土、粘土层、砂层。相比单一的搅拌桩加固,此法止水效果好、工程安全性高,造价相对较高;相比单一的旋喷桩加固,安全性相当,但此法造价低。b.钻孔桩(人工挖孔桩)+袖阀管注浆。加固范围外圈用钻孔桩(或挖孔桩),桩间旋喷桩止水,圈内注浆加固。适用于旋喷、搅拌桩不适应的强度较高的地层;比单一的注浆效果好,但造价稍高。应当注意,钻孔桩(或挖孔桩)与围护结构之间的夹层需要处理,可以用旋喷桩加固将夹层的两端头封堵或在该处进行注浆加固。

6 )冷冻法。冻结法是利用钻孔机械对土体钻孔布置一定数量的垂直冻结孔,利用氨压缩调节制冷,通过盐水媒介热传导原理进行冻结。盐水在热交换中不断循环,冻结管周围地层的冻土圆柱体直径不断扩展变大,并与相邻冻土圆柱体相交,在冷冻土体范围内成完整的屏蔽,成为具有一定厚度和强度又能防渗的挡土墙或拱形体。冻结法适应面广,适用于任何含一定水量的松散岩土层,在复杂水文地质如软土、含水不稳定土层、流沙、高水压及高地压地层条件下冻结技术有效、可行。冷冻法的缺点：对于动水层,质量不宜保证;对于含水量低的地层也不适用;冻土会产生的冻胀和融沉效应,对地面沉隆控制和周边建筑物影响较大;对土体加固为临时性质,不能长期起作用。该工法占用场地较大,费用较高。广州地区较少采用。

7 )直接切割工法。将玻璃纤维混凝土或竹筋混凝土等制成的挡土墙装到竖井盾构机通过的部分(围护结构的一部分)。盾构机可直接切削挡土墙始发,不再需要破除洞门围护结构。能够缩小地基改良范围,有效的缩短工期,对于软土地层和不具备加固场地的地层相当有用。缺点一：造价高;缺点二：对于泥水盾构,玻璃纤维混凝土等材料在盾构切削进洞时易形成大块,且该物质比重小会浮于泥浆上层,不容易被搅碎,经常堵塞出泥管导致盾构机掘进困难。该工法对于泥水盾构的适用性值得商榷。

8 )延长隧道洞身法(见图1)。延长隧道洞身法将始发隧道洞身用钢套筒向外延伸,洞门帘板装在钢套筒上。要求钢套筒加工精细,且要有相当好的稳定措施。由于钢套筒的刚度大,需对洞门预埋钢环进行改造,采用“L”形钢板代替原钢环,可以增加预埋件的刚度及密封性能。接收钢套筒可以有效的循环使用,具有较大的提升空间和推广应用实践基础。

4 端头加固效果检测

加固体的检测方法多种多样,如标准贯入试验、静力触探、旋转触探、弹性波检测、电探、化学分析等等,端头加固的主要检测手段如下：1)竖向抽芯检测：可以目测抽芯完整率,初步判断加固体强度能否满足设计要求,也可通过试验测定加固体强度、抗渗性能。在砂层中,特别注意加固体连续性是否良好,抽芯完整率要达到 90%以上,抽芯位置一般选取在桩间咬合部位。桩体垂直度的控制检测可以按规范确定抽芯数量,且每个端头不应少于1根。2)水平抽芯检测：在洞门平面打数个长度在加固体范围内的水平探孔,观察探孔的渗水情况来判断加固体质量。3)挖孔桩检测：在粉细砂地层,加固后效果可以采用挖孔桩代替竖向抽芯进行检测。4)冻结法测温检测：根据测温孔测温结果计算,不同断面的冻土帷幕温度和厚度要达到或超过设计值。通过打探孔检查冻土帷幕与隧道之间的界面冻结温度是否达到-5℃以下,探孔位置应选在孔间距较大处或冻结有异常处、缓冻区附近以及实测冻土帷幕较薄的位置等。

5 端头加固事故多发因素

1 )桩身垂直度不满足规范要求,桩身倾斜致使加固体不连续,桩间咬合达不到设计要求,止水失败引发涌水、涌砂,地面沉陷。2)砂层中施工参数选取不合理,达不到预想的加固效果。可通过试桩和调整施工工艺解决。3)端头加固体与围护结构之间的夹层处理措施不当。4)过早破除围护结构,使掌子面暴露时间过长,或拆除墙体方法错误引起掌子面坍塌。5)洞门密封措施选用不得当。6)抽芯后未回灌砂浆使之密实。7)冻结施工过程的冻结管渗漏。8)未处理好承压水层的降水工作。

6 结语

端头加固设计需要更完善的理论才能改变凭经验设计的情况。目前,各类端头加固的施工工艺较为成熟,地铁建设中端头加固易引发各类事故的主要原因是由于施工控制不严密,管理松散。因此,严格管理,做到精细化施工可以大大降低端头加固的风险。

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