隧道工程盾构施工端头加固技术

1、*隧道工程盾构施工端头加固技术*前 言端头加固的概念。是盾构始发、到达技术的一个重要组成部分，端头加固的成功失败直接影响到盾构能否安全始发、到达。而盾构始发、到达是最容易发生事故的，端头加固的失败又是造成事故多发的最主要原因。因此，合理选择端头加固施工工法，是保证盾构顺利施工的非常重要的环节。*一、端头加固的目的二、端头加固方案确定前的准备工作三、几种主要端头加固方法的原理及计算四、端头加固的施工方法及其适用性五、端头加固效果检测六、事故多发因素七、监理在端头加固中应做的工作*一、端头加固目的改良端头土体，提高端头土体强度，堵塞颗粒的间隙和地层的水，确保盾构机始发和到达的安全。 与一般地基加固

2、的不同之处是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800mm或更厚，凿除时间长，要避免凿除过程发生坍塌，更要避免因开挖面暴露时间过长而坍塌或造成过大地表沉降。*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，盾构进出洞容易造成水土流失。采用泥水盾构时，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

3、装或拆卸时，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，或对已成形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、构筑物安全当端头有房屋、管线和道路时，必须采取保护措施，如果具备改移条件的，尽量改移，对于房屋一定要进行鉴定，并进行录像、拍照等获取第一手资料。*5、经济性加固长度、宽度、加固方法的选择，还必须考虑经济合理，加固方法是否风险性过大，或过于保守，加固范围过大，等等。目前大多数的承包商往往在端头加固的一项的报价较低，如何采取经济合理、安全可靠的加固方法，是我们共同面对的一个课题。 *二、加固前的准备工作 盾构始发或到达前，必须充分理解工

4、作井洞口周围地层的土质情况，掌握各层土的主要物理力学性能指标。根据各种土层的特性，认真分析不同的施工方法，预测可能发生出洞和进洞施工时的复杂变化，对于盾构工作井施工期间所引起洞口周围的变化更是不能掉以轻心，必须认真分析和检查，避免因此而导致施工险情及不利于工程质量局面的情况发生。环境调查*调查方法 1、除了工程地质勘探报告外，采用补充勘探的方法对端头土体的以下特性进行了解：土体强度（c、N值）、渗透系数（水平、竖直），土质情况（砂粒、粘粒、粉粒含量） 2、盾构工作井施工期间暴露的全断面土体情况，观察和详细了解，掌握土壤分类分层的确切位置，为盾构进、出洞施工方案提供可靠的工程地质依据。*3、所影

5、响区域的地面、地下建筑物、构筑物、公众设施、地下管线等。通过实地调查了解，并与相关单位密切联系，以控制沉降量和制定相应监护措施。（危房的鉴定工作）。4、非正常性的地下水来源 非正常性的地下水源对洞口土体稳定不利，会引起土体流失。主要是由于地下上下水道管线破裂及非正常的地面排水系统所致。要提前发现并及时封堵。*5、洞口处的地下障碍物如桥台、木桩、钢筋混凝土桩、回填的大石块、废钢材等。这些障碍物埋深大小不等，如果在盾构通过的位置上，则必须人工进入盾构开挖面将其排除。遇到形状大、重量重、长度长的障碍物，地面挖孔人工处理困难的，还需在开挖后人工进仓处理。 *加固体设计还要考虑的因素 （1）加固体强度不

6、能过高，主要考虑到盾构机刀盘的配置，能否保证盾构机顺利切割加固体。（2）加固土体的抗渗性能。 抗渗指标、 水流量（3）承载能力要求：要保证盾构机吊装的地基承载力。（4）盾构类型，泥水or土压*三、几种主要端头加固方法的原理及计算1、注浆加固：将浆液注入地层改善地基强度和止水性。该方法对强度的改良有限，主要是增强凝聚力，注浆材料的种类多种多样，按浆液固结状态分类主要有填充注浆、渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆等。*（1）渗透注浆：浆液在压力作用下，渗入土的孔隙和岩石裂隙中，将孔隙中自由水和空气排挤出去，但不改变土体结构和原状。浆液凝固后将土颗粒粘结在一起，使土层的抗压强度和抗渗性提高，只适用于中砂以

7、上的砂性土和有裂隙的岩石。固结状态是球形。（2）劈裂注浆：浆液在较高压力作用下，劈入土层（通常土颗粒粒径小于0.01mm），浆液的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络。固结形态呈扁平球体和板状固结。 *（3）压密注浆：用一定的压力注入粘稠的不易流动的浆液取代并挤压周围土体，凝固形状多为柱体或球体占据一定的空间，同时压密土体。对于注浆加固，由于不能形成高强度土体，作为惯用的计算方法，是以改良后地基的抗剪阻力阻挡拆除临时墙时有可能进入竖井的土块的计算模型来研究的。 *盾构始发注浆加固计算模型*2、旋喷桩、搅拌桩施工由于采用旋喷桩、搅拌桩可以获得均质、高强度的加固体，因此，可以通过土质和结构力学计算，确定加

8、固土体厚度。C：加固体凝聚力R：到塑性范围外的距离H：隧道中心深度t：土比重*将加固体看作是作用竖井挡土墙支撑的圆板来进行结构计算，确定加固体宽度t。 水平土压力考虑为静态土压力或主动压力，水压以调查结果为主，砂土中进行水土分算，透水性差的粘土进行水土合算。*max=*w*r2/t2t/k1=3/8*（3+）max=3*w*r/4/tc/ k2其中：r工作井端墙开洞的半径，r=D/2； t加固土体的长度； t加固土体的极限抗拉强度，一般可取其极限抗压强度的10%，即t =qu/10； k1 、k2安全系数，一般取K=1.5； w作用于洞门中心处的侧向水土压力； 加固后土体的泊桑比； c加固后土

9、体的极限抗剪强度.*加固土体在地面荷载p和上部土体作用下可能沿某滑动面向洞内整体滑动，假定滑动面是以端墙开洞外顶点O为圆心，开洞直径D为半径的圆弧面.假定拆除临时挡土墙时形成圆弧滑动面来检验加固体整体稳定性。*滑动力矩M=M1+M2+M3其中：M1地面荷载P引起的下滑力矩M1=P*D2/2； M2上覆土体自重引起的下滑力矩，M2=Q上*D/2；M3滑移圆环线内土体的下滑力矩，M3=t*D3/3，t为加固后土体的重度，一般可取t=20kN/m3；抵抗下滑力矩为M=M1+M2+M3M1滑移圆弧线AB段的抗滑力矩，M1=Cu*H*D；M2滑移圆弧线BC段的抗滑力矩M2=Cu*D2*(/2-)M3滑移

10、圆弧线CD段的抗滑力矩；M3=Cut*D2*， =sin-1(t/D)其中，Cu加固前土体的粘结力； H上覆土体的高度； Cut加固后土体的粘结力，*加固范围：主要根据加固方法和地层情况、始发或到达端头决定。采用一般搅拌桩等加固方法的情况下，始发加固厚度t一般不小于6m，到达加固长度一般不小于3m。但在特殊地层始发时，考虑到抗渗等因素，加固宽度须增加，如在粉细砂层中始发增加为10m，到达增加为9m。加固深度一般是洞门上部3m和下部2m范围，砂层中底部深度还应增加，防止出现管涌。 *采用旋喷或搅拌桩的最小加固厚度*设计强度及安全系数： 设计强度根据土质情况和胶凝材料不同、施工方法不同进行分类。一

11、般旋喷桩加固土体强度可以在1MPa以上甚至大于10MPa，而搅拌桩加固土体强度大于0.5MPa。安全系数根据改良目的、改良效果的期望值、施工环境等进行综合判断，一般安全系数选取为1.5。*3、冻结施工冻结施工是将自然状态下不均匀的地基通过冻结变成具有均匀力学性质的材料。分为盐水冷冻方式（间接冻结）和液氮冷冻方式（直接冻结）。盐水方式使用冷冻机将盐水冷却到 2040，用循环泵将冷却的盐水输送到冻结管，冷却周围的地基，因地基内的热量、盐水温度上升，便再次用冷冻机冷却。通过冷冻装置使冷却的盐水在冷却管内循环，使地基冻结固化。*盾构工程的冻结规模大，一般广泛采用的是盐水方式。液氮冷冻方式需要油罐车从工

12、厂运到施工现场，再通过在冻结管中气化而使冷冻管周围地层的土壤冻结，气化后的氮气放入大气，液氮会在大气中释放损耗，只限于冻土量为150m3，以下的小规模工程。 * 计算方法： 垂直荷载按静态土压和水压考虑，冻土将端头水土全部牢固地粘结在一起，始发端头可以当做周边被竖井墙固定的圆板来解析计算，到达端头可以作为被竖井固定、被盾构机支撑的梁或者水平圆筒来计算。*设计强度和安全系数： 冻土强度取决于土质（颗粒、含水量）、温度及盐分浓度（液氮）。在地下水中含盐量较高的海岸线和填筑地设计中，应预先调查盐分浓度，然后以相应的强度用于设计中，作为设计标准。砂质冻土的抗压强度一般为6MPa，粘土的抗压强度为14M

13、Pa。根据上海地区的软土冻结经验，冻土单轴抗压强度6度时2.3MPa，10度时3.9MPa。 一般安全系数按Fs2。*冻土断面：若fD/5，则认为满足周围固定条件，但在实际设计中，考虑到竖井墙背面地基扰动，临时墙施工时对竖井墙体有加热影响等，所以对冻土厚度T，取fT/2，冻结附着长度取f2.5m。*冻结管直径及埋设间距：冻结管直径根据钻孔直径和施工特性采用，多为3寸或4寸管，埋设间距根据施工特性和经济性一般定位60cm100cm。始发多采用从地面垂直冻结的方式，到达多采用从竖井水平冻结的方式。*四、端头加固的施工方法及其适用性端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，主要取决于地

14、质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。同时考虑安全性、施工方便性、经济性、进度等。*软土地层最常用的端头加固方法之一。通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加固效果差，须与旋喷桩等工法配合使用。该方法受国产设备性能限制，一般在14m深度以下加固效果即很差。它的优点是工程造价低。易出问题：加固不连续，加固体强度偏低，吊钻头1、搅拌桩施工工法*南京地铁玄武门站端头加固实例地质情况：上半断面淤泥质粉质粘土，下半断面粘土。 始发加固厚度t=6m，到达加固厚度3m，为了防止角部发生涌水等事故，在两端头施工了两根挖孔桩，回填砂浆。 *2

15、、旋喷桩施工工法 对于砂层改良效果好，也适用于淤泥、粉土、粘土层，但砂砾地基和粘着力大的粘土有时不能形成满意的改良桩，施工深度在40m以下时，效果较差。由于其造价偏高，施工单位往往不愿采用，但在围护结构与加固体的间隙加固以及角部加固经常被采用。有三种主要工法选择：单、双、三重管。*许府巷站南端头到达加固 * *三山街站南端头进站加固 原加固：旋喷桩6m，土体加固强度在1.2Mpa以上 ，水平探孔无水 地质条件：全断面粉细砂层，上部有粉土，粘粒含量极少，且水流动性很高。 进站事故的发生、处理*张府园站南端头1.51*夏窖北端头加固:泥水盾构*夏窖北旋喷桩补充加固剖面粗砂*3、注浆适用于多种地层，

16、尤其是深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆；浆液种类较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等来确定，同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策。如二号线市二宫进站等。*仑大区间始发注浆加固设计*加固长度：7.9+2东京地铁12号线某工程始发竖井注浆*4、SMW(soil mixing wall) 水泥类悬浊液在原地层中与土体搅拌混合形成墙体的技术。作挡土墙使用时，一般使用H型钢芯材。桩机为三轴或五轴搅拌桩机。 *适用于砂层、淤泥、粘土层，加固宽度小，造价

17、较低，是此类地层最安全可靠的加固方法之一。该方法成桩效果好，止水性好，对周围地层影响小。该工法的优点：加固质量高，桩体连续、强度高（粘土中0.51MPa，砂和卵石中0.53MPa），适用于各类软土地层，但造价偏高，目前主要采用国外进口的三轴搅拌桩机。对于上软下硬地层不适应。 南京地铁盾构一标中华门、所街站始发，盾构二标新街口站到达等。 *5、连续墙、钻孔桩始发井的挡土墙作为双层结构的方法，对于土层相对较硬，但渗水量偏大的地层适用。需要注意的是：（1）连续墙、钻孔桩上部的充填；（2）夹层的处理。如小新区间盾构始发加固、仑大区间盾构始发加固*小新区间盾构始发加固隧道基本穿越5z-2残积土层，局部6

18、z。顶部为杂填土和淤泥*6、挖孔桩适用于淤泥、粘土、强风化地层。如一号线公元前北，三号线珠客、大汉、沥大。圆形或方形桩珠江新城站盾构始发 *珠江新城站 *7、冻结法适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，该施工法的冻土强度和止水性高，通过测量地下温度，便可确认冻土形成状态；加强施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，冻土墙还能确保长期处于稳定状态。对于动水层，质量不宜保证：对于含水量低的地层不适用。*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。冻胀和融沉因地基条件、冻结时间、冻结规模、解冻速度、荷载条件等而异，一般在砂和砂砾层上小，在粘土、粉砂、亚粘土层大。当可预测到地基冻胀、解

19、冻沉降对周围结构物有不利影响时，必须根据其容许变位量和冻胀与解冻沉降的防护工程的必要性，研究是否需要采取冻结施工法。*上海江西中路盾构到达冻结法加固地质情况：杂填土、粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粘土。地下水位1.0m，地层含水量3550，孔隙比大（0.91.4），强度低（60100kPa）。盾构为泥水盾构，直径11m，覆土厚度4.55m，江西路下有煤气管、自来水管、下水管和众多电缆。冻结方法：垂直冷冻，冻结管间距1.5m，盐水最低温度24，冻土温度10，抗压强度3.95MPa。*上海江西中路盾构到达冻结法加固*加固断面：加固长度37m，宽度轴线两侧8.5m。冻土扩展速度23cm/日，冻结30d交

20、圈。*冻结拱棚顶部最大拉应力335kPa。*8、降水降低地下水位施工法，在有些土质条件下，往往会产生地基沉降和水井地下水位下降等现象，必须事先周密研究地下水位下降对周围地基等的影响。因此，一般在地层较好，周边环境适应，对建、构筑物影响范围小时采用。且主要应用于始发时，盾构到达时要考虑降水对隧道的影响，须与其他加固措施相结合。主要采用井点降水方法。 *9、 SEW工法（Shield Earth retaining Wall system）. 将FFU制成的挡土墙装到竖井盾构机通过的部分，是划时代的密封直接掘进施工法。 盾构机可直接切削挡土墙，能够缩小地基改良范围，缩短工期，对于软土 地层、不具备加固场地的地层相当有用，但造价相当高。*五、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，但端头加固的主要检测手段如下：。