隧道工程盾构施工端头加固技术

*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、Φ、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γt：土比重*将加三固体三看作三是作三用竖三井挡三土墙三支撑三的圆三板来三进行三结构三计算三，确三定加三固体三宽度t。水平三土压三力考三虑为三静态三土压三力或三主动三压力三，水三压以三调查三结果三为主三，砂三土中三进行三水土三分算三，透三水性三差的三粘土三进行三水土三合算三。*σma三x=±三β*三w*三r2/t2≤σt/k1β=三3/三8*（3+三μ）τma三x=3三*w三*r三/4三/t三≤τc/三k2其中三：r—三—工作三井端三墙开三洞的三半径三，r=三D/三2；t—三—加固三土体三的长三度；σt—加固三土体三的极三限抗三拉强三度，三一般三可取三其极三限抗三压强三度的10三%，即σt=qu/1三0；k1、k2——安全三系数三，一三般取K=三1.三5；w—三—作用三于洞三门中三心处三的侧三向水三土压三力；μ—三—加固三后土三体的三泊桑三比；τc——加固三后土三体的三极限三抗剪三强度.*加固三土体三在地三面荷三载p和上三部土三体作三用下三可能三沿某三滑动三面向三洞内三整体三滑动三，假三定滑三动面三是以三端墙三开洞三外顶三点O为圆三心，三开洞三直径D为半三径的三圆弧三面.假定三拆除三临时三挡土三墙时三形成三圆弧三滑动三面来三检验三加固三体整三体稳三定性。*滑动三力矩M=三M1+M2+M3其中三：M1——地面三荷载P引起三的下三滑力三矩M1=P三*D2/2；M2——上覆三土体三自重三引起三的下三滑力三矩，M2三=Q上*D/三2；M3——滑移三圆环三线内三土体三的下三滑力三矩，M3三=γt*D3/3，γt为加三固后三土体三的重三度，三一般三可取γt=2三0k三N/三m3；抵抗三下滑三力矩三为M=M1+M2+M3M1——滑移三圆弧三线AB段的三抗滑三力矩三，M1=Cu*H三*D；M2——滑移三圆弧三线BC段的三抗滑三力矩M2=Cu*D2*(三π/三2-三φ)M3——滑移三圆弧三线CD段的三抗滑三力矩三；M3=Cut*D2*θ，θ=三si三n-1(t三/D三)其中三，Cu——加固三前土三体的三粘结三力；H—三—上覆三土体三的高三度；Cut——加固三后土三体的三粘结三力，*加固三范围三：主要三根据三加固三方法三和地三层情三况、三始发三或到三达端三头决三定。采用三一般三搅拌三桩等三加固三方法三的情三况下三，始三发加三固厚三度t一般三不小三于6m，到三达加三固长三度一三般不三小于3m。但三在特三殊地三层始三发时三，考三虑到三抗渗三等因三素，三加固三宽度三须增三加，三如在三粉细三砂层三中始三发增三加为10三m，到三达增三加为9m。加三固深三度一三般是三洞门三上部3m和下三部2m范围三，砂三层中三底部三深度三还应三增加三，防三止出三现管三涌。**采用三旋喷三或搅三拌桩三的最三小加三固厚三度*设计三强度三及安三全系三数：设计三强度三根据三土质三情况三和胶三凝材三料不三同、三施工三方法三不同三进行三分类三。一三般旋三喷桩三加固三土体三强度三可以三在1M三Pa以上三甚至三大于10三MP三a，而三搅拌三桩加三固土三体强三度大三于0.三5M三Pa。安三全系三数根三据改三良目三的、三改良三效果三的期三望值三、施三工环三境等三进行三综合三判断三，一三般安三全系三数选三取为1.三5。*3、冻三结施三工冻结三施工三是将三自然三状态三下不三均匀三的地三基通三过冻三结变三成具三有均三匀力三学性三质的三材料三。分三为盐三水冷三冻方三式（三间接三冻结三）和三液氮三冷冻三方式三（直三接冻三结）三。盐水三方式三使用三冷冻三机将三盐水三冷却三到三－20～－40三℃，用三循环三泵将三冷却三的盐三水输三送到三冻结三管，三冷却三周围三的地三基，三因地三基内三的热三量、三盐水三温度三上升三，便三再次三用冷三冻机三冷却三。通三过冷三冻装三置使三冷却三的盐三水在三冷却三管内三循环三，使三地基三冻结三固化三。*盾构三工程三的冻三结规三模大三，一三般广三泛采三用的三是盐三水方三式。液氮三冷冻三方式三需要三油罐三车从三工厂三运到三施工三现场三，再三通过三在冻三结管三中气三化而三使冷三冻管三周围三地层三的土三壤冻三结，三气化三后的三氮气三放入三大气三，液三氮会三在大三气中三释放三损耗三，只三限于三冻土三量为15三0m三3，以三下的三小规三模工三程。*计算三方法三：垂直三荷载三按静三态土三压和三水压三考虑三，冻三土将三端头三水土三全部三牢固三地粘三结在三一起三，始三发端三头可三以当三做周三边被三竖井三墙固三定的三圆板三来解三析计三算，三到达三端头三可以三作为三被竖三井固三定、三被盾三构机三支撑三的梁三或者三水平三圆筒三来计三算。*设计三强度三和安三全系三数：冻土三强度三取决三于土三质（三颗粒三、含三水量三）、三温度三及盐三分浓三度（三液氮三）。三在地三下水三中含三盐量三较高三的海三岸线三和填三筑地三设计三中，三应预三先调三查盐三分浓三度，三然后三以相三应的三强度三用于三设计三中，三作为三设计三标准三。砂三质冻三土的三抗压三强度三一般三为6M三Pa，粘三土的三抗压三强度三为1～4M三Pa。根三据上三海地三区的三软土三冻结三经验三，冻三土单三轴抗三压强三度－6度时2.三3M三Pa，－10度时3.三9M三Pa。一般三安全三系数三按Fs≥2。*冻土三断面三：若f>三D/三5，则三认为三满足三周围三固定三条件三，但三在实三际设三计中三，考三虑到三竖井三墙背三面地三基扰三动，三临时三墙施三工时三对竖三井墙三体有三加热三影响三等，三所以三对冻三土厚三度T，取f>三T/三2，冻三结附三着长三度取f’三>2三.5三m。*冻结三管直三径及三埋设三间距三：冻三结管三直径三根据三钻孔三直径三和施三工特三性采三用，三多为3寸或4寸管三，埋三设间三距根三据施三工特三性和三经济三性一三般定三位60三cm～10三0c三m。始发三多采三用从三地面三垂直三冻结三的方三式，三到达三多采三用从三竖井三水平三冻结三的方三式。*四、三端头三加固三的施三工方三法及三其适三用性端头三加固三可以三单独三采用三一种三工法三或多三种工三法相三结合三的加三固手三段，三主要三取决三于地三质情三况、三地下三水、三覆盖三层厚三度、三盾构三机直三径、三盾构三机型三、施三工环三境等三因素三。同三时考三虑安三全性三、施三工方三便性三、经三济性三、进三度等三。*软土三地层三最常三用的三端头三加固三方法三之一三。通三过搅三拌桩三使端三头土三体凝三聚力三和内三摩擦三角改三变，三主要三适用三于淤三泥、三粘土三层和三砂层三，但三在砂三层加三固效三果差三，须三与旋三喷桩三等工三法配三合使三用。该方三法受三国产三设备三性能三限制三，一三般在14三m深度三以下三加固三效果三即很三差。三它的三优点三是工三程造三价低三。易出三问题三：加三固不三连续三，加三固体三强度三偏低三，吊三钻头1、搅三拌桩三施工三工法*南京三地铁三玄武三门站三端头三加固三实例地质三情况三：上三半断三面淤三泥质三粉质三粘土三，下三半断三面粘三土。始发三加固三厚度t=三6m，到三达加三固厚三度3m，为三了防三止角三部发三生涌三水等三事故三，在三两端三头施三工了三两根三挖孔三桩，三回填三砂浆三。*2、旋三喷桩三施工三工法对于三砂层三改良三效果三好，三也适三用于三淤泥三、粉三土、三粘土三层，三但砂三砾地三基和三粘着三力大三的粘三土有三时不三能形三成满三意的三改良三桩，三施工三深度三在40三m以下三时，三效果三较差三。由三于其三造价三偏高三，施三工单三位往三往不三愿采三用，三但在三围护三结构三与加三固体三的间三隙加三固以三及角三部加三固经三常被三采用三。有三三种主三要工三法选三择：三单、三双、三三重三管。*许府三巷站三南端三头到三达加三固**三山三街站三南端三头进三站加三固原加三固：三旋喷三桩6m，土三体加三固强三度在1.三2M三pa以上三，三水平三探孔三无水地质三条件三：全三断面三粉细三砂层三，上三部有三粉土三，粘三粒含三量极三少，三且水三流动三性很三高。进站三事故三的发三生、三处理*张府三园站三南端三头1.三51**夏窖三北端三头加三固:泥水三盾构*夏窖三北旋三喷桩三补充三加固三剖面粗砂*3、注浆适用三于多三种地三层，三尤其三是深三度较三深的三砂质三地层三、砂三砾层三，地三层较三好的三地段三或与三搅拌三桩等三工法三相结三合，三对于三水量三不大三的地三段进三行加三固止三水。三可进三行单三液和三双液三注浆三，同三时可三进行三跟踪三注浆三；浆三液种三类较三多，三经济三性和三可施三工性三好，三材料三和施三工方三法多三种多三样，三需根三据地三下水三、地三质、三施工三环境三等来三确定三，同三时要三考虑三因灌三浆而三引起三地基三隆起三等的三处理三对策三。如二三号线三市二三宫进三站等三。*仑大三区间三始发三注浆三加固三设计**加固三长度三：7.三9+三2东京三地铁12号线三某工三程始三发竖三井注三浆*4、SM三W(三so三il三m三ix三in三g三wa三ll三)水泥三类悬三浊液三在原三地层三中与三土体三搅拌三混合三形成三墙体三的技三术。三作挡三土墙三使用三时，三一般三使用H型钢三芯材三。桩三机为三三轴三或五三轴搅三拌桩三机。*适用三于砂三层、三淤泥三、粘三土层三，加三固宽三度小三，造三价较三低，三是此三类地三层最三安全三可靠三的加三固方三法之三一。三该方三法成三桩效三果好三，止三水性三好，三对周三围地三层影三响小三。该工三法的三优点三：加三固质三量高三，桩三体连三续、三强度三高（三粘土三中0.三5～1M三Pa，砂三和卵三石中0.三5～3M三Pa），三适用三于各三类软三土地三层，三但造三价偏三高，三目前三主要三采用三国外三进口三的三三轴搅三拌桩三机。三对于三上软三下硬三地层三不适三应。南京三地铁三盾构三一标三中华三门、三所街三站始三发，三盾构三二标三新街三口站三到达三等。*5、连三续墙三、钻三孔桩始发三井的三挡土三墙作三为双三层结三构的三方法三，对三于土三层相三对较三硬，三但渗三水量三偏大三的地三层适三用。三需要三注意三的是三：（1）连三续墙三、钻三孔桩三上部三的充三填；（2）夹三层的三处理三。如小三新区三间盾三构始三发加三固、三仑大三区间三盾构三始发三加固*小新三区间三盾构三始发三加固隧道三基本三穿越5z三-2残积三土层三，局三部6z。顶三部为三杂填三土和三淤泥*6、挖三孔桩适用三于淤三泥、三粘土三、强三风化三地层三。如三一号三线公三元前三北，三三号三线珠三客、三大汉三、沥三大。三圆形三或方三形桩珠江三新城三站盾三构始三发*珠江三新城三站**7、冻三结法适用三于各三类淤三泥层三、砂三层、三砂砾三层，三该施三工法三的冻三土强三度和三止水三性高三，通三过测三量地三下温三度，三便可三确认三冻土三形成三状态三；加三强施三工管三理，三便可三得到三高可三靠性三的施三工法三。而三且，三冻土三墙还三能确三保长三期处三于稳三定状三态。对于三动水三层，三质量三不宜三保证三：对三于含三水量三低的三地层三不适三用。*冻土三会产三生的三冻胀三和融三沉效三应，三对地三面沉三隆控三制和三周边三建筑三物影三响较三大。三冻胀三和融三沉因三地基三条件三、冻三结时三间、三冻结三规模三、解三冻速三度、三荷载三条件三等而三异，三一般三在砂三和砂三砾层三上小三，在三粘土三、粉三砂、三亚粘三土层三大。三当可三预测三到地三基冻三胀、三解冻三沉降三对周三围结三构物三有不三利影三响时三，必三须根三据其三容许三变位三量和三冻胀三与解三冻沉三降的三防护三工程三的必三要性三，研三究是三否需三要采三取冻三结施三工法三。。*上海三江西三中路三盾构三到达三冻结三法加三固地质三情况三：杂三填土三、粉三质粘三土、三砂质三粉土三、淤三泥质三粘土三。地三下水三位－1.三0m，地三层含三水量35～50％，三孔隙三比大三（0.三9～1.三4），三强度三低（60～10三0k三Pa）。盾构三为泥三水盾三构，三直径11三m，覆三土厚三度4.三5～5m，江三西路三下有三煤气三管、三自来三水管三、下三水管三和众三多电三缆。冻结三方法三：垂三直冷三冻，三冻结三管间三距1.三5m，盐三水最三低温三度－24，冻三土温三度－10，抗三压强三度－3.三95三MP三a。*上海三江西三中路三盾构三到达三冻结三法加三固*加固三断面三：加三固长三度37三m，宽三度轴三线两三侧8.三5m。冻三土扩三展速三度2～3c三m/日，三冻结30三d交圈三。*冻结三拱棚三顶部三最大三拉应三力33三5k三Pa。*8、降三水降低三地下三水位三施工三法，三在有三些土三质条三件下三，往三往会三产生三地基三沉降三和水三井地三下水三位下三降等三现象三，必三须事三先周三密研三究地三下水三位下三降对三周围三地基三等的三影响三。因三此，三一般三在地三层较三好，三周边三环境三适应三，对三建、三构筑三物影三响范三围小三时采三用。三且主三要应三用于三始发三时，三盾构三到达三时要三考虑三降水三对隧三道的三影响三，须三与其三他加三固措三施相三结合三。主要三采用三井点三降水三方法三。*9、SE三W工法（Sh三ie三ld三E三ar三th三r三et三ai三ni三ng三W三al三l三sy三st三em）.将FF三U制成三的挡三土墙三装到三竖井三盾构三机通三过的三部分三，是三划时三代的三密封三直接三掘进三施工三法。三盾三构机三可直三接切三削挡三土墙三，能三够缩三小地三基改三良范三围，三缩短三工期三，对三于软三土三地层三、不三具备三加固三场地三的地三层相三当有三用，三但造三价相三当高三。*五、三端头三加固三效果三检测加固三体的三检测三方法三多种三多样三，如三标准三贯入三试验三、静三力触三探、三旋转三触探三、弹三性波三检测三、电三探、三化学三分析三等等三，但三端头三加固三的主三要检三测手三段如三下：三。（1）竖三向抽三芯检三测：三目测三判断三加固三体强三度可三否满三足设三计要三求，三是否三连续三（抽三芯率三）；三试验三判断三加固三体强三度、三抗渗三性能三。在三砂层三中，三特别三注意三加固三体连三续性三是否三良好三，抽三芯率三要达三到90％以三上。三抽芯三位置三一般三选取三在桩三间咬三合部三位。三（桩三体垂三直度三的控三制）三抽芯三数量三按规三