临江处盾构始发的端头加固案例研究

临江处盾构始发的端头加固案例研究

Summary：盾构机在临近江、河区域始发，端头位置常存在较深厚的淤泥质土和富水砂层，为降低盾构始发涌水、涌砂风险，端头加固是较为有效的地层处理措施；以广州地铁12号线某长区间中间风井小里程端在临近珠江处的端头加固为案例研究，分析端头加固方案适用性并通过监测数据反馈盾构始发效果。Keys：岩土工程、盾构始发、端头加固、富水砂层：U455.43城市轨道交通在城市区域协调发展中占据地位重要。伴随着地铁建设快速发展，地铁建设的限制条件逐渐复杂化、多样化。城市地铁建设常采用盾构机进行隧道结构施工，其中盾构始发的风险较大，盾构机出车站洞门会因刀盘切削破坏围护结构，当围护结构外土水侧压较大时，常容易发生涌水和涌砂的险情。特别在始发端头洞门处的土层为富水砂层时，盾构机始发的风险提升[1]。盾构机在各类地面限制因素下常需在临近江、河涌附近进行始发，始发端头位置的地质条件均较差，主要是富水砂层、淤泥质土层等软土层。盾构始发出洞门前需对端头进行加固并对加固体进行抽水检查，端头加固成为保障盾构始发安全的重要一环。因此研究盾构机在临江、河涌等富水地层区域始发的端头加固将为在类似地质条件下的盾构始发提供工程参考。以广州市地铁12号线某区间临近珠江边的始发端为案例，分析在富水和高水压区域的端头加固的技术要点以及始发效果。1工程概况1.1区间概况广州地铁12号线某长区间，区间全长约2km，设置3座联络通道，1座中间风井，中间风井和3#联络通道合建，隧道洞径为6.4m，内径为5.8m。区间中间风井小里程端临近于珠江，按照工筹规划，由中间风井向区间两端车站进行始发，其中中间风井小里程端始发后，盾构下穿珠江。在珠江岸边的中间风井小里程端进行盾构始发，盾构机由中间风井小里程端始发后下穿珠江至对岸的车站大里程端接收。盾构机在本区间的选型是泥水-土压双模盾构机，区间在始发端采用泥水盾构模式。1.2地质概况中间风井小里程端临近珠江，端头位置处的地质条件自地面而下的分布情况：<1-1>杂填土、<2-3>中粗砂、<2a-1>淤泥质土、<2-3>中粗砂、<9c-2>微风化石灰岩，隧道洞身范围地层：<2a-1>淤泥质土、<2-3>中粗砂、<9c-2>微风化石灰岩。隧道左线埋深约19.1m，隧道右线隧道埋深约19.2m。隧道洞身上部有较厚的淤泥质土层，隧道洞身范围内含有连片的砂层，与江水贯通的可能性较大，在盾构始发过程中发生突水、涌砂风险较高。1.3周边环境概况中间风井临近珠江，中间风井小里程端的围护结构边距离珠江约41m，周边为空地，无其他建构筑物以及重要管线，地面环境条件较为简单。2端头加固方案2.1加固方案选择综合考虑中间风井小里程端的地质水文条件，对端头加固方案进行综合确定。由于端头处左线隧道上方<2a-1>淤泥质土层厚7.9m，右线隧道上方<2a-1>淤泥质土层厚9.2m，为避免盾构掘进出洞过程中上方流塑状淤泥质土层产生较大沉降，最终导致地面沉降或塌陷，通常采用外包素墙+内部搅拌桩进行施工。对淤泥层常采用搅拌桩拌合水泥浆对整体土层进行固化和加强，增强淤泥层的稳定性和强度。由于中间风井小里程端较为靠近珠江，为避免端头加固进入珠江的堤岸保护范围，对端头外地层采用外包素墙的加固方案较难实施。钢套筒作为盾构始发常采用的措施，其作用是将盾构机包裹在密闭的钢套筒内，将盾构机与车站内部密闭起来，保持盾构机掌子面的土水压力与洞门外侧的土水压力一致，避免盾构在进出洞门过程中涌水和涌砂的险情发生。因此对于中间风井小里程端采用钢套筒始发是较为满足当前外部限制条件。图2

端头加固平面图图3

端头加固横断面图中间风井小里程端临近珠江，洞门口砂层与珠江联通，在高水压施工环境下，为避免洞门破除过程中钢套筒与连续墙接缝位置渗水，在洞门外设置一座“一字型”素混凝土墙，素混凝土墙厚800mm，宽度11.8m，素混凝土墙将整个洞门覆盖，素墙底不低于隧道结构底1m，素混凝土墙边距离隧道结构边不低于2m，见图2与图3。素混凝土墙边与中间风井围护结构接缝处采用WSS注浆加固止水，防止高压水从素混凝土墙与围护结构连续墙之间缝隙渗入。综上，考虑外部限制因素和端头水文地质条件，选择对中间风井小里程端采用外部“一字型”素墙+钢套筒始发的措施最为合理有效。2.2加固方案实施2.2.1钢套筒施工钢套筒全长10.5m，套筒内径6.72m，能完整包裹盾构机。套筒有三个钢环拼接而成，而每个钢环由上下两个半圆拼接而成，套筒材料采用Q235A级钢制作。筒体的端头和上下两半圆所有接触面均被提前焊接圆法兰，采用8.8级高强度螺栓完成法兰间的连接。筒体外部的钢托架应固定在筒体底部，并通过焊接连成一个整体。钢套筒具体施工顺序：洞门检查，焊接过渡环，钢套筒下半圆安装，放置钢轨并填，盾构机安装以及钢套筒上半圆。盾构机始发过程中，洞门土水压力是关键施工参数。在本工程中，由于隧道为超浅埋隧道，洞门侧土水压力为285kPa。在洞门破除过程中，根据盾构掘进情况及时调整盾构掘进参数。2.2.2素墙施工素墙采用分期成槽的施工方式，I期分别施作两侧地连墙幅长分别4m与6m，II期施作中间连续墙2.4m。采用套铣施工的施工工艺，在I期槽段两侧形成锯齿状，后浇的二期槽段可形成良好的结合面，素墙成型质量整体性、密封性较好，有效避免接缝产生细微间隙进而导致渗水。3盾构始发分析盾构掘进过程中，由于盾构机刀盘比隧道结构直径大，隧道结构与周边土层存在空隙，同时盾构机对地层扰动，均会引起地面造成一定沉降[2]。图4

沉降监测点沉降速率图5

沉降监测点累计沉降值在距洞门外水平距离5m处设置的三个地面沉降监测点，对盾构始发过程中的沉降进行监测。盾构机在初始始发阶段，由于盾构机对开挖面的土体开始挤压，在临近洞门区域土体会有一定隆起和抬升。在始发第1天晚上对监测点进行测量，地表有一定隆起量，洞门外侧的监测点在当天的地面隆起量最大值为0.82mm。在盾构逐步下穿监测点的位置时，地面沉降速率逐渐增大，在盾构掘进第2天至第3天时，监测点3在盾构掘进第3天达到最大沉降速率-1.79mm/d。盾构掘进第4天至第6天，盾构机完全通过监测点，由于盾构掘进过程中未及时进行同步注浆，导致在监测点处的地面产生较大沉降，最大沉降速率在盾构掘进第5天达到-1.66mm/d。在后续同步注浆完成后，流体态的浆液对土体间隙有一定填充作用，地表沉降逐渐趋于稳定。最终地表沉降累计值稳定在9.86mm，未超过15mm的预警值。4总结盾构在临江段始发端头处常含有较深厚的淤泥质土层和一定厚度砂层，地层连片的砂层可能会与临近江河的地表水贯通，高水压的地质条件给盾构在临江位置的始发带来巨大风险。根据对本工程案例分析研究，采用钢套筒始发结合洞门“一字型”素混凝土墙封堵洞口的设计，较好降低了在盾构切削围护结构过程涌水、涌砂的风险；在盾构机始发过程中，及时完成同步注浆，填部刀盘与土层之间空隙，减少洞门上方土层沉降，保障始发安全。Referenc