廣州盾構始發(fā)和到達端頭加固方法淺析

徐 資

端頭加固是盾構始發(fā)、盾構到達的一個重要技術環(huán)節(jié),端頭加固的成功失敗直接影響到盾構能否安全始發(fā)、到達。合理選擇端頭加固施工工藝,是保證盾構順利施工的非常重要的一個技術手段。盾構正常掘進,盾構始發(fā)與到達施工通過開挖面時,土壓平衡或泥水平衡條件差,對開挖面的穩(wěn)定性產生了不同程度的不利影響;同時始發(fā)與到達端隧道覆土淺,特別是始發(fā)端,盾構處于試掘進狀態(tài),盾構故障多,盾構操作人員不熟練等原因,容易發(fā)生地表變形過大,甚至坍塌、地表冒漿等事故。因此根據工程地質條件、地下水、盾構類型、覆土厚度、洞門密封等條件,選擇合適的始發(fā)與到達端的加固方式,具有重要的意義。

1 端頭加固的目的

端頭加固是指通過改良端頭土體,提高端頭土體強度和自穩(wěn)能力,堵塞顆粒的間隙和地層的水,防止坍塌、流沙、涌水現(xiàn)象發(fā)生,確保盾構機始發(fā)和到達的安全。因此,端頭加固不僅僅要有強度要求,還要有抗?jié)B透性要求。1)控制地表沉降,端頭不坍塌。始發(fā)、到達前往往需要鑿除洞口井壁的混凝土,割斷鋼筋,以滿足盾構順利進出洞,而洞口的井壁混凝土有時要達到 800 mm或者更厚,鑿除時間長,要避免鑿除過程中發(fā)生坍塌,更要避免因開挖面暴露時間過長而坍塌或造成地表過大的沉降。2)控制水土流失。盾構始發(fā)進入加固體,或盾構到達穿過加固體時,在含水量較高、水平滲透系數(shù)大的含砂層、卵石層等地層,盾構進出洞易造成水土流失。采用泥水盾構,泥水壓力的作用也會使加固體發(fā)生水土流失,導致無法達到泥水平衡狀態(tài),如果土體不具備一定強度,很容易坍塌。3)重型機械作用時土體的承載力。由于盾構吊裝或卸載時,重型吊機往往作用在端頭位置,為防止重型機械作用在軟弱土體上起吊時發(fā)生失穩(wěn)、坍塌,或對已成型隧道安全造成不利影響,對地表的軟弱地層進行加固。4)周邊建、構筑物安全。當端頭存在不具備改移條件的房屋、管線和道路時,必須采取保護措施,端頭加固尤顯重要。

2 端頭加固的設計

端頭加固土體的強度和穩(wěn)定性分析,目前有板塊的強度分析理論(日本計算理論公式)、靜力理論公式(強度驗算法)、粘性土滑移失穩(wěn)理論(整體穩(wěn)定驗算法)和土體擾動極限平衡理論。上述諸多理論各有利弊,均存在加固后土體粘聚力參數(shù)c值、抗拉強度值抗剪強度值τc的不確定性,計算結果難以運用到工程實際,設計中較少采用。端頭加固設計主要按照各地的工程地質條件和工程經驗給出土體加固后土體強度、滲透系數(shù)和加固范圍。1)加固范圍。一般采用水泥攪拌樁等加固方法的情況下,始發(fā)端加固長度一般不小于 6m,到達端加固長度一般不小于 3 m。但在特殊地層始發(fā)時,考慮到抗?jié)B等因素,加固長度需增加,如在粉細砂層中始發(fā)端增加為 10m,到達端增加為 9m,加固深度一般是洞門上部 3m至下部 2m的范圍。當洞身處于砂層中時,底部深度還應適當增加,防止出現(xiàn)管涌。2)加固后土體強度。設計強度根據土質情況和膠凝材料不同、施工方法不同而有所區(qū)別。一般旋噴樁加固土體強度可以在1MPa以上甚至大于10MPa,通常情況下,砂土中的旋噴樁、攪拌樁強度大于在粘土中的強度,由于淤泥中有機質的影響,在淤泥質土中旋噴樁、攪拌樁效果較差,樁體強度低。3)滲透系數(shù)。在土層中的滲透系數(shù)或者巖層中的出水量是端頭加固質量的重要指標,但是目前設計給出加固土體滲透系數(shù)沒有明確、公認的理論依據,設計值從1.0×10-5cm/s到1.0×10-8cm/s都有,實際可操作性低。

3 端頭加固方法

端頭加固方法有攪拌樁、旋噴樁、人工挖孔樁、素混凝土鉆孔樁、素混凝土地下連續(xù)墻、注漿加固、復合處理法、冷凍法、延長隧道洞身法等。

1 )攪拌樁加固。軟土地層常用的端頭加固方法,主要適用于淤泥、粘土層和砂層,在砂層加固時深度受國產設備性能限制,處理深度一般小于 15m,大于 15m深度,由于鉆頭搖擺幅度加大,垂直度較難控制,下部易“開叉”,止水效果很差。一般不單獨使用,與旋噴樁等工法配合使用時經濟效益較好。優(yōu)點是工程造價相對較低。

2 )旋噴樁加固。軟土地層最常用的端頭加固方法之一,適用于淤泥、粉土、粘土層、砂層,加固效果好,可以和其他已到齡期的地下結構密貼,但遇到礫砂地層和粘著力大的粘土時,抗?jié)B效果欠佳。由于旋噴樁造價偏高,往往不單獨采用,常與攪拌樁等其他工法配合使用。在圍護結構與加固體的“夾層”和圍護結構陽角部位經常采用旋噴樁加固。旋噴樁主要有三種工法：單重管、雙重管、三重管。小顆粒(粘粒、粉粒等)含量越高、滲透系數(shù)越小的地層宜用三重管旋噴樁。大顆粒(中粗砂、粉細砂等)含量越高、滲透系數(shù)越大的地層宜用單管旋噴樁,但深度超過 15m應慎用。在經濟上,兩排以上的旋噴樁造價就可能高于素混凝土連續(xù)墻。

3 )素混凝土人工挖孔樁、素混凝土鉆孔樁、素混凝土地下連續(xù)墻。適用于強度較高,旋噴樁難以施工的地層。施工時要注意做好連續(xù)墻、鉆孔樁、挖孔樁上部的充填;素混凝土連續(xù)墻、鉆孔樁、挖孔樁與圍護結構形成離壁式的雙層結構,加固體與圍護結構之間的“夾層”需要處理,可采用旋噴樁加固將夾層的兩端頭封閉。

4 )注漿加固。注漿加固適用于多種地層,加固質量可靠性相對較差,風險較大,通常與攪拌樁等其他工法一起使用。對自穩(wěn)能力強但裂隙水發(fā)育的地層,注漿是首選的加固方法。注漿加固漿液種類較多,經濟性和可施工性好,施工時需考慮因灌漿而引起地基隆起等的處理對策及注漿擴散半徑等問題。

5 )組合處理法。在端頭加固處理時,由于受地質條件,施工條件和工程造價等諸多因素的限制,往往不采用單一的加固方法,而是采用 2種或 2種以上加固方法組合處理。常見的組合介紹如下：a.旋噴樁 +攪拌樁方案。加固范圍四周用旋噴樁封閉,加固處理范圍內部采用攪拌樁。適用于淤泥、粉土、粘土層、砂層。相比單一的攪拌樁加固,此法止水效果好、工程安全性高,造價相對較高;相比單一的旋噴樁加固,安全性相當,但此法造價低。b.鉆孔樁(人工挖孔樁)+袖閥管注漿。加固范圍外圈用鉆孔樁(或挖孔樁),樁間旋噴樁止水,圈內注漿加固。適用于旋噴、攪拌樁不適應的強度較高的地層;比單一的注漿效果好,但造價稍高。應當注意,鉆孔樁(或挖孔樁)與圍護結構之間的夾層需要處理,可以用旋噴樁加固將夾層的兩端頭封堵或在該處進行注漿加固。

6 )冷凍法。凍結法是利用鉆孔機械對土體鉆孔布置一定數(shù)量的垂直凍結孔,利用氨壓縮調節(jié)制冷,通過鹽水媒介熱傳導原理進行凍結。鹽水在熱交換中不斷循環(huán),凍結管周圍地層的凍土圓柱體直徑不斷擴展變大,并與相鄰凍土圓柱體相交,在冷凍土體范圍內成完整的屏蔽,成為具有一定厚度和強度又能防滲的擋土墻或拱形體。凍結法適應面廣,適用于任何含一定水量的松散巖土層,在復雜水文地質如軟土、含水不穩(wěn)定土層、流沙、高水壓及高地壓地層條件下凍結技術有效、可行。冷凍法的缺點：對于動水層,質量不宜保證;對于含水量低的地層也不適用;凍土會產生的凍脹和融沉效應,對地面沉隆控制和周邊建筑物影響較大;對土體加固為臨時性質,不能長期起作用。該工法占用場地較大,費用較高。廣州地區(qū)較少采用。

7 )直接切割工法。將玻璃纖維混凝土或竹筋混凝土等制成的擋土墻裝到豎井盾構機通過的部分(圍護結構的一部分)。盾構機可直接切削擋土墻始發(fā),不再需要破除洞門圍護結構。能夠縮小地基改良范圍,有效的縮短工期,對于軟土地層和不具備加固場地的地層相當有用。缺點一：造價高;缺點二：對于泥水盾構,玻璃纖維混凝土等材料在盾構切削進洞時易形成大塊,且該物質比重小會浮于泥漿上層,不容易被攪碎,經常堵塞出泥管導致盾構機掘進困難。該工法對于泥水盾構的適用性值得商榷。

8 )延長隧道洞身法(見圖1)。延長隧道洞身法將始發(fā)隧道洞身用鋼套筒向外延伸,洞門簾板裝在鋼套筒上。要求鋼套筒加工精細,且要有相當好的穩(wěn)定措施。由于鋼套筒的剛度大,需對洞門預埋鋼環(huán)進行改造,采用“L”形鋼板代替原鋼環(huán),可以增加預埋件的剛度及密封性能。接收鋼套筒可以有效的循環(huán)使用,具有較大的提升空間和推廣應用實踐基礎。

4 端頭加固效果檢測

加固體的檢測方法多種多樣,如標準貫入試驗、靜力觸探、旋轉觸探、彈性波檢測、電探、化學分析等等,端頭加固的主要檢測手段如下：1)豎向抽芯檢測：可以目測抽芯完整率,初步判斷加固體強度能否滿足設計要求,也可通過試驗測定加固體強度、抗?jié)B性能。在砂層中,特別注意加固體連續(xù)性是否良好,抽芯完整率要達到 90%以上,抽芯位置一般選取在樁間咬合部位。樁體垂直度的控制檢測可以按規(guī)范確定抽芯數(shù)量,且每個端頭不應少于1根。2)水平抽芯檢測：在洞門平面打數(shù)個長度在加固體范圍內的水平探孔,觀察探孔的滲水情況來判斷加固體質量。3)挖孔樁檢測：在粉細砂地層,加固后效果可以采用挖孔樁代替豎向抽芯進行檢測。4)凍結法測溫檢測：根據測溫孔測溫結果計算,不同斷面的凍土帷幕溫度和厚度要達到或超過設計值。通過打探孔檢查凍土帷幕與隧道之間的界面凍結溫度是否達到-5℃以下,探孔位置應選在孔間距較大處或凍結有異常處、緩凍區(qū)附近以及實測凍土帷幕較薄的位置等。

5 端頭加固事故多發(fā)因素

1 )樁身垂直度不滿足規(guī)范要求,樁身傾斜致使加固體不連續(xù),樁間咬合達不到設計要求,止水失敗引發(fā)涌水、涌砂,地面沉陷。2)砂層中施工參數(shù)選取不合理,達不到預想的加固效果?？赏ㄟ^試樁和調整施工工藝解決。3)端頭加固體與圍護結構之間的夾層處理措施不當。4)過早破除圍護結構,使掌子面暴露時間過長,或拆除墻體方法錯誤引起掌子面坍塌。5)洞門密封措施選用不得當。6)抽芯后未回灌砂漿使之密實。7)凍結施工過程的凍結管滲漏。8)未處理好承壓水層的降水工作。

6 結語

端頭加固設計需要更完善的理論才能改變憑經驗設計的情況。目前,各類端頭加固的施工工藝較為成熟,地鐵建設中端頭加固易引發(fā)各類事故的主要原因是由于施工控制不嚴密,管理松散。因此,嚴格管理,做到精細化施工可以大大降低端頭加固的風險。

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