武漢地區(qū)地鐵盾構(gòu)端頭井土體加固方法探討

彭曉秋，唐傳政

(1.武漢市建設(shè)工程設(shè)計審查辦公室，湖北武漢 430015； 2.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北武漢 430010)

武漢地區(qū)地鐵盾構(gòu)端頭井土體加固方法探討

彭曉秋1?，唐傳政2

(1.武漢市建設(shè)工程設(shè)計審查辦公室，湖北武漢 430015； 2.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北武漢 430010)

結(jié)合武漢軌道交通二號線一期工程，通過介紹車站盾構(gòu)區(qū)間的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點，對武漢地鐵盾構(gòu)進出洞土層加固方案進行了分析探討，同時也提出了應(yīng)注意的問題。

地下工程；盾構(gòu)；土體加固

1 前 言

隧道盾構(gòu)從工作立井推入隧道前，需要鑿除隧道洞門結(jié)構(gòu)外側(cè)鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，但是由于隧道盾構(gòu)出洞承受工作井附近土層產(chǎn)生的巨大地壓和水壓，會導(dǎo)致涌水或涌砂。因此首先必須對混凝土地下連續(xù)墻外側(cè)含水地層進行加固處理。

由于盾構(gòu)始發(fā)前需破除盾構(gòu)機截面范圍內(nèi)的支護結(jié)構(gòu)，施工時間較長，臨空面大，這對土體的穩(wěn)定極為不利，因此必須對盾構(gòu)始發(fā)前的洞門端頭土層進行加固，以控制洞門周圍土體變形。為了確保盾構(gòu)出洞施工的安全和更好地保護附近的地下管線和建(構(gòu))筑物，盾構(gòu)出洞前需對出洞區(qū)域洞口土體進行加固。盾構(gòu)法隧道施工中，端頭土體加固是盾構(gòu)機始發(fā)、到達(dá)技術(shù)的一個重要組成部分，也是盾構(gòu)機始發(fā)、到達(dá)事故多發(fā)地帶，即端頭土體加固的成功與否直接關(guān)系到盾構(gòu)機能否安全始發(fā)、到達(dá)。因此，合理選擇端頭加固施工工法和必要的加固監(jiān)測，是保證盾構(gòu)法隧道順利施工的非常重要的環(huán)節(jié)。本文以武漢地鐵二號線為例，對武漢地鐵車站盾構(gòu)始發(fā)或接收端頭井的土體加固方法進行討論。

2 武漢地鐵二號線工程概況

武漢市軌道交通二號線一期工程是武漢市軌道交通網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中最重要的交通干線，是武漢市第一條穿越長江的地鐵線，縱橫長江兩岸，穿越鬧市區(qū)、居住新區(qū)、城市廣場和對外交通樞紐，是聯(lián)系城市南北的重要客運交通走廊。全程地下軌道，線路全長27.98 km。沿線設(shè)21座車站，其中江北10座，江南11座。最大站間距(越江區(qū)間)3 322 m，最小站間距(循江區(qū)間)918 m，平均站間距 1 363 m，21座車站中換乘站8座，分別在漢口火車站、青年路站、循禮門站、江漢路站、積玉橋站、洪山廣場站、中南路站和街道口站與其他線路換乘。一期工程線路走向近于南北轉(zhuǎn)東西走向，連接武漢市最繁華的地帶。21座車站分別為金銀潭－常青花園－金色雅園－漢口火車站－范湖－王家墩東站－青年路－中山公園－循禮門－江漢路－積玉橋－螃蟹甲－小龜山－洪山廣場－中南路－寶通寺－街道口站－廣埠屯－虎泉站－名都站－光谷廣場。其中，采用盾構(gòu)開挖的區(qū)間為常青花園－金色雅園－漢口火車站－范湖－王家墩－青年路－中山公園－循禮門－江漢路－積玉橋－螃蟹甲和洪山廣場－中南路－寶通寺等。

3 武漢地鐵二號線工程盾構(gòu)井地段工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點

武漢市區(qū)總的地勢是東高西低，南高北低，以丘陵與平原相間的波狀起伏地形為主，長江兩岸第四系地層較厚。武漢市地鐵二號線一期工程盾構(gòu)始發(fā)或接收端頭井地段可劃分為三個地貌單元區(qū):Ⅰ長江一級階地區(qū)、Ⅱ長江二級階地區(qū)和Ⅳ長江三級階地區(qū)。地下水按賦存條件，分為上層滯水、潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。

3.1 長江一級階地區(qū)

該地貌單元呈現(xiàn)典型的二元結(jié)構(gòu)，上部由填土層及第四系全新統(tǒng)沖洪積成因的粘性土組成；中部為稍密－中密的粉細(xì)砂、中密－密實的中粗砂夾礫石，粉細(xì)砂層中分布粘性土透鏡體；下部基巖為白堊系－下第三系礫巖、砂巖及志留系粉砂巖、泥巖組成。在本地鐵線路上分布較長，為漢口區(qū)漢口火車站、范湖、王家墩、青年路、航空路、江漢路站、中山公園、循禮門、武昌區(qū)積玉橋站。

3.2 長江二級階地區(qū)

該地貌單元上部為薄層填土和厚度變化較大的全新統(tǒng)沖積成因的軟塑－可塑狀態(tài)的一般粘性土；中部為第四系上更新統(tǒng)硬塑狀老粘性土及密實狀粘質(zhì)砂土及含礫細(xì)砂；下部為白堊系－下第三系東湖群的砂巖和礫巖。分布于地鐵線路的金色雅園站及常青花園站的范圍。

3.3 長江三級階地區(qū)

該地貌單元上部為人工填土，其下為第四系沖、洪積成因的上更新統(tǒng)老粘性土層及粘性土混碎石層；下部基巖主要為志留系墳頭組砂巖、泥巖。分布于螃蟹甲站－小龜山站及中南路站一帶。在小龜山站和中南路站一帶偶見三疊系大冶組灰?guī)r及泥盆系五通組輝綠色石英砂巖。

3.4 地下水特點

沿線場地地下水按賦存條件，分為上層滯水、潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。地鐵車站基底埋深一般為16 m～23 m，該深度在一級、二級階地多為粉土、粉細(xì)砂，埋藏豐富的孔隙承壓水對地鐵車站深基坑施工影響最大。

(1)全新統(tǒng)孔隙承壓水

主要分布在長江兩岸一級階地，與長江、漢江的水力聯(lián)系密切，季節(jié)性變化規(guī)律比較明顯，具有互補關(guān)系，賦水地層為粉土、粉細(xì)砂、中粗砂和圓礫、卵石地層，隔水頂板為上部的一般粉質(zhì)粘土、粘土，底板為基巖，含水層厚度一般為 15 m～45 m，承壓水頭高度15 m～20 m。

(2)上更新統(tǒng)孔隙承壓水

主要分布在長江二級階地區(qū)，賦水地層為黃色、灰綠色粉細(xì)砂、中粗砂和雜色的圓礫、卵石地層，隔水頂板為老粘性土，底板為基巖，含水層厚度一般為 17 m～30 m，承壓水層底面埋深45 m左右。

總之，地鐵工程盾構(gòu)始發(fā)或接收端頭井的土體加固要針對不同的地貌單元、地層條件和水文地質(zhì)條件，并結(jié)合周邊環(huán)境情況，提出適宜的土體加固方法。

4 地鐵盾構(gòu)井土體加固方法綜述

盾構(gòu)端頭井加固方案的選擇，應(yīng)在滿足安全可靠的前提下，充分考慮施工場地、施工速度和施工成本，綜合比較得出的。加固方案安全可靠的依據(jù)是洞門破除后能有效地抵擋洞門處的水土壓力，能有效地封堵洞門圍護結(jié)構(gòu)側(cè)的滲水和易破除加固體。

常見的土體加固方法有高壓旋噴樁、深層水泥攪拌樁、雙液注漿、水平冷結(jié)和垂直冷結(jié)、SMW 工法、井點降水或幾種工法結(jié)合等措施進行端頭加固處理。選擇洞口加固技術(shù)措施時，可單獨使用一種或多種方法，但是無論采用什么方法都必須滿足出洞時施工的安全、進度、經(jīng)濟三項要求。同時，應(yīng)該充分考慮地層的構(gòu)成、各地層的特性、地下水等，確保加固質(zhì)量。這些加固方法的選擇目的是在不良地層中起到提高土體的自穩(wěn)性、承載力、隔水的作用，進行土層的改良，提高盾構(gòu)在始發(fā)與到達(dá)端頭井的安全性。

4.1 高壓旋噴樁

采用高壓旋噴樁鉆機鉆到設(shè)計標(biāo)高后，用高壓旋噴機把安有水平噴嘴的注漿管下到孔底，利用高壓設(shè)備使噴嘴以一定的壓力把漿液噴射出去，沖擊切割土體，并與土體攪拌混合，隨著注漿管的旋轉(zhuǎn)和提升而形成圓柱體樁體，漿與土體經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，固結(jié)成樁，從而達(dá)到支護、止水的作用。此方法適用于地層中含軟弱夾層；高壓旋噴樁施工時，由于有部分土體被置換，有利于周邊土體加固，使周圍土體得到加固，強度提高；經(jīng)過旋噴注漿，使周圍土體由松散到固結(jié)，有利于土層穩(wěn)定。

該方法在武漢地鐵二號線盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭井的土體加固中被廣泛采用。實踐證明，該加固方法比較適合武漢地鐵二號線盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭井的土體加固。

4.2 深層水泥攪拌樁

深層水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑的樁體，通過配有專用鉆頭的深層攪拌機械在地基深部就地將軟土和固化劑強制拌和，使一定范圍的軟土硬結(jié)而提高整體地基的復(fù)合強度。

對于位于長江一級階地區(qū)上的盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭井的加固可以采取此方法，且比較經(jīng)濟。但是，由于機械能力的限制，其施工質(zhì)量隨著加固深度的增加，其成樁質(zhì)量不好控制，且往往難以保證，因此，對于武漢地區(qū)盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭井的加固方法一般不被推薦單一使用，可以與高壓旋噴樁加固配合使用，即，上部采用深層水泥攪拌樁，下部采用高壓旋噴樁加固。

當(dāng)采用上述兩種方法時，一般均輔以深井降水，以達(dá)到理想的加固效果。

4.3 雙液化學(xué)注漿

雙液注漿是利用液壓、氣壓把配制的兩種漿液，同時經(jīng)過混合器迅速混合成一種速凝性漿液通過注漿管快速注入加固部分，該混合漿液具有粘度大、凝結(jié)快、不易冒漿、竄漿，對原狀土擾動小等特點，漿液注入土層中快速形成漿脈網(wǎng)絡(luò)起土體骨架作用，使土體受到約束，達(dá)到加固的目的。適用于各種復(fù)雜地層，特別是涌水量較大的地層；注漿的凝膠時間可準(zhǔn)確控制在幾秒至幾十分鐘范圍內(nèi)；注漿壓力、速度均能很好地控制，不易堵塞注漿管路，混合后漿液凝固迅速，不易流失，對環(huán)境污染程度小，材料浪費少；結(jié)石體抗壓強度、結(jié)石率、滲透系數(shù)均能很好地達(dá)到設(shè)計要求。

該方法在一般滲水堵漏工程中使用較多，但是，在武漢地區(qū)地鐵二號線的盾構(gòu)井加固中還沒有工程實踐的例子。

4.4 SMW工法

SMW工法是一種勁性復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)，通過特殊的多軸深層攪拌機在現(xiàn)場按設(shè)計深度將土體切散，同時從鉆頭前端將水泥漿強化劑注入土體，使之在攪拌過程中與地基土反復(fù)混合攪拌。在各施工平面之間，采取重疊搭接，在水泥土混合體未硬之前插入受拉材料(常為H型鋼)，作為應(yīng)力加強材料，直至水泥結(jié)硬、形成勁性復(fù)合圍護墻體。這種結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了水泥土混合體和受拉材料的力學(xué)特性，同時具有經(jīng)濟、工期短、高止水性、對周圍環(huán)境影響小等特點。

一般地，可以在始發(fā)井外采取深層攪拌樁結(jié)合注漿進行加固，或采取SMW樁結(jié)合旋噴加固。注漿和旋噴加固的主要作用是使攪拌樁或SMW樁與井壁外側(cè)形成的加固盲區(qū)得以補充，使得加固區(qū)形成一個整體，避免開洞門時漏漿。

該方法在武漢地區(qū)地鐵盾構(gòu)井加固中還沒有工程實踐的例子。

4.5 凍結(jié)法

凍結(jié)法加固地層是利用人工制冷的方法，將低溫冷媒送入地層，把要開挖體周圍的地層凍結(jié)成封閉的連續(xù)凍土墻，以抵抗土壓力，并隔絕地下水與開挖體之間的聯(lián)系；然后在這封閉的連續(xù)凍土墻的保護下，進行開挖和做永久支護的一種地層特殊加固方法。凍結(jié)法作為一種特殊施工技術(shù)，防水和加固地層能力強，又不污染水質(zhì)，特別適用于在松散含水表土地層的土木工程施工。凍土結(jié)構(gòu)物形狀設(shè)計靈活，并可以與其他方法聯(lián)合使用。

一般地，對于盾構(gòu)區(qū)間主要穿越淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、夾粉土及粉砂地層，地下水位高，且在基坑內(nèi)出現(xiàn)過大量涌水、涌砂現(xiàn)象，施工條件異常復(fù)雜，且在深層攪拌、高壓旋噴、化學(xué)注漿等加固方法處理后效果仍不理想的情況下，可以采用人工凍結(jié)法加固處理。

總之，盾構(gòu)井土體加固應(yīng)根據(jù)洞門的結(jié)構(gòu)和拆除方法、尺寸和埋深，并考慮地形地貌、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地下管線及周邊建筑物環(huán)境的影響因素，選用合理、安全的加固方法。選擇加固措施的基本條件為加固后的地層要具備盾構(gòu)機始發(fā)通過端頭這段時間，保證隧道上層覆土有各向自穩(wěn)能力及鑿除洞門的圍護結(jié)構(gòu)(主要鑿除鋼筋砼結(jié)構(gòu)，留鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu))厚度一半后，土體在一定的時間(至少一個月時間)段內(nèi)必須保持自穩(wěn)能力，并不能有大量水土流失。

實踐證明，高壓旋噴樁的加固方法比較適合武漢地鐵二號線盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭井的土體加固。

5 盾構(gòu)井土體加固應(yīng)注意的問題

由于盾構(gòu)始發(fā)洞門處于不穩(wěn)定性土層中，雖然已經(jīng)進行了端頭加固，但受制于地質(zhì)條件和加固方式的影響，加固土體難以達(dá)到理想效果，且土層擾動或遇水后，強度降低，容易崩塌，故人工鑿除洞門時存在一定的塌方風(fēng)險。因此，在加固過程中應(yīng)注意以下問題，確保土體加固質(zhì)量，保證盾構(gòu)進出始發(fā)洞門的安全。

5.1 加固長度的選擇

始發(fā)井端頭沿隧道軸線方向地基加固的長度要綜合考慮破除洞門后的土體穩(wěn)定能力和洞門密封防水效果，加固長度最好大于盾構(gòu)主機長度，且宜為盾構(gòu)主機長度的1.5倍。

5.2 加固土體與地連墻間隙封閉

由于加固土體與地連墻之間存在間隙，一般可采用注漿、高壓旋噴等方法封閉該間隙，土體加固專項方案中應(yīng)有相應(yīng)的措施。

5.3 加固土體的強度

加固土體的強度是否滿足設(shè)計要求是衡量加固效果的首要指標(biāo)，可通過對進出洞加固范圍內(nèi)不同深度土體采用鉆芯取樣檢測的方式加以驗證。為保證盾構(gòu)始發(fā)掘進段土體的穩(wěn)定性，需對加固區(qū)域土體進行無側(cè)限抗壓強度、滲透系數(shù)等指標(biāo)進行檢測。

5.4 加固土體的均勻性

檢驗加固土體的均勻性目前尚無相應(yīng)的工具、手段，可通過打探孔方式進行觀察?？梢栽诙纯诟畛龂o結(jié)構(gòu)背土面鋼筋及鑿除砼后，合理布置探孔(選擇有代表性部位、數(shù)量一般不少于5個)，現(xiàn)場觀察探孔有無滲漏或流砂等異常情況，作為判斷土體加固效果的輔助手段。

5.5 應(yīng)注意的其他問題

(1)加固方案的評審。在初始掘進前，工作豎井端頭土體加固要按設(shè)計圖組織實施，并編制土體加固專項施工方案。專項施工方案應(yīng)對加固工藝、加固材料、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、加固過程控制提出明確要求，施工過程要嚴(yán)格把關(guān)，如實記錄過程。

(2)施工參數(shù)的選擇。為保證基底加固的施工質(zhì)量，工程加固前，現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計要求進行工藝性試樁，確定施工工藝參數(shù)，并在施工中嚴(yán)格加以控制。同時，在施工過程中，應(yīng)注意施工質(zhì)量，尤其是樁體的垂直度和搭接度的控制。

(3)原材料質(zhì)量的控制。為確保水泥漿中水泥的質(zhì)量，每批進場的水泥必須經(jīng)監(jiān)理見證取樣后，嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)進行檢驗，檢驗合格后方可使用。

(4)注意施工順序。工作豎井端頭土體加固應(yīng)在工作豎井開挖之前進行，防止土體加固時破壞工作豎井的結(jié)構(gòu)。

6 工程實例

積玉橋站是作為江漢路站～積玉橋站區(qū)間段盾構(gòu)始發(fā)井。該站位于武昌區(qū)積玉橋，處于一級階地近江邊地帶。距離長江干堤僅 100 m左右，處于防汛控制范圍之內(nèi)，基坑開挖深度達(dá)15.9 m，主要支護結(jié)構(gòu)采用0.8 m厚底部嵌巖地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐為支護主體，坑內(nèi)水泥土加固、外圍密貼素砼連續(xù)墻隔水帷幕、盾構(gòu)進出口高噴加固等措施，地下水處理采取嵌巖帷幕和坑內(nèi)降水。為確保基坑及周邊建筑物的安全，改善地下連續(xù)墻的受力，保證盾構(gòu)進洞的安全，需對盾構(gòu)井處的土體進行加固。采用高壓旋噴樁加固地層，從地面施作。端頭井加固深度為基底以下4 m，旋噴樁采用三重管法施工，樁徑 φ800 mm，樁間搭接200 mm，水泥漿液的水灰比為0.8左右，加固后土體抗壓強度不低于1.2 MPa。

目前，該武昌段盾構(gòu)始發(fā)井已于今年5月完成加固施工，且盾構(gòu)機成功始發(fā)，現(xiàn)正往江漢路站方向進行盾構(gòu)施工。實踐證明，高壓旋噴樁是比較適合武漢地鐵二號線盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)與到達(dá)端頭井土體加固的方法。

7 結(jié) 語

(1)無論采用什么方法加固盾構(gòu)端頭井土層，都必須滿足盾構(gòu)出洞時施工的安全、進度、經(jīng)濟三項要求。同時，應(yīng)該充分考慮地層的構(gòu)成、各地層的特性、地下水等，確保加固質(zhì)量。

(2)根據(jù)武漢工程經(jīng)驗，盾構(gòu)端頭井加固土層常用的方法有高壓旋噴樁，上部地層加固可以采用水泥土攪拌樁；并輔以深井降水。

(3)地基加固的長度要綜合考慮破除洞門后的土體穩(wěn)定能力和洞門密封防水效果，加固長度最好大于盾構(gòu)主機長度，且宜為盾構(gòu)主機長度的1.5倍。

[1]唐傳政，張凱萍.武漢軌道交通二號線一期地下工程的環(huán)境巖土工程問題.巖土工程界，2008(2)，30～33

[2]唐傳政，彭曉秋.武漢軌道交通二號線一期車站基坑支護方案探討.巖土工程學(xué)報，2008，30卷增刊(總192期)，597～602

[3]朱洪威.客大盾構(gòu)區(qū)間端頭井加固技術(shù)比選.隧道機械與施工技術(shù)，2007(8)，50～51、55

Discussion on Soil Reinforcements for Shield End Well in Wuhan Metro

Peng XiaoQiu1，Tang ChuanZheng2
(1.Wuhan bureau of Civil Engineering Design Examination，Wuhan 430015，China；2.Wuhan Municipal Engineering Quality Supervision Station，Wuhan 430010，China)

In this paper，on the 2nd Wuhan Rail Transit Line 1 project，by introducing the range of engineering geology Shield stations and hydrogeological characteristics of soil out of Tunnel Wuhan Shield reinforcement was also analyzed，but also raised the question should be paid attention.

Underground works；Shield；soil reinforcement

1672－8262(2010)05－163－04

TU457

B

2010—05—10

彭曉秋(1979—)，女，工程師，長期從事勘察設(shè)計質(zhì)量管理工作。