富水砂層中盾構端頭加固體失效原因分析及防治

劉根寧

(中鐵三局橋隧分公司，河北邯鄲 056000)

1 概述

在城市地鐵隧道施工中，盾構法由于具有安全、環(huán)保、機械化程度高、掘進速度快、對地面交通影響小等優(yōu)點，已成為在軟弱富水地層中標準斷面隧道施工主要施工方法。但盾構法并非萬能的，在盾構的始發(fā)、到達端頭，通過的地層復雜，有淤泥、淤泥質土、各類砂土和強中微風化地層，由于地層的自穩(wěn)能力有限，特別是在地下水豐富時，需對盾構端頭的一定范圍內(nèi)的地層進行加固，以確保盾構始發(fā)、到達安全。目前，國內(nèi)外盾構端頭加固的方法較多，主要以以下兩種方式為主:一是采用凍結法;二是非凍結法，后者主要利用攪拌、旋噴、注漿等工藝進行加固，使原天然土地基通過加固過程中原狀土與水泥、水玻璃等發(fā)生物理、化學作用后，形成有一定強度和止水性的加固體，以保證洞門圍護結構在鑿除后后方土體有一定的自穩(wěn)和止水能力。由于凍結法成本較高且工藝復雜，除非在一些特定條件下采用，一般情況下采用第二種施工方法較多。在非凍結法施工盾構端頭加固過程中，由于加固地層工程地質、水位地質的特殊性，加之設計考慮不周，施工工藝缺陷或不完善，施工過程把控不嚴等多方面原因，造成加固體強度不高，均勻性、止水性較差，導致盾構始發(fā)或到達時發(fā)生透水、涌水、涌砂、地面塌陷、建筑物開裂等事故，不僅造成工期延誤，同時也加大了工程成本，情況嚴重者給企業(yè)、社會造成較大損失和負面影響。作者對近年來國內(nèi)已開工和在建的多個城市地鐵盾構端頭加固失敗案例進行收集統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)采用非凍結法進行端頭加固失效大多發(fā)生在富水飽和砂層中，本文著重對富水砂層中采用非凍結法進行端頭加固的失效案例從設計和施工工藝兩個方面入手，分析加固體失效原因，提出預防措施。

2 國內(nèi)主要工程案例及原因

國內(nèi)已建和在建地鐵在富水砂層中因加固體失效引發(fā)的盾構始發(fā)或到達失敗的部分案例見表1。

表1 國內(nèi)部分盾構端頭加固體失效案例

3 加固體失效原因分析

表1中只是盾構法隧道在端頭加固過程中失敗的部分代表性案例，實際施工中，由于端頭井加固失效致使盾構始發(fā)或到達發(fā)生滲水漏水的情況也屢見不鮮。特別是在軟弱地層、富水飽和砂層中，這種情形發(fā)生的概率較高。加固體失效的原因可以從設計、施工兩個方面進行分析。

3.1 設計方面

1)加固的方法和形式選擇不當。

目前，國內(nèi)盾構法隧道端頭加固的形式除凍結法外，基本上采用攪拌、旋噴、注漿(含水平、垂直注漿)等加固方式，這幾種方法可以單獨使用，也可以結合使用。在實際設計中，結合使用的案例較多，效果較好。但在實際中，由于地質條件和施工環(huán)境復雜性，導致加固方法和范圍不甚合理。

2)加固選用的設計參數(shù)不當。

現(xiàn)實中，加固區(qū)范圍內(nèi)是單一地層的幾乎很少，地層自上而下往往是數(shù)種水文地質和工程地質差異較大的地層依次出現(xiàn)或交互出現(xiàn)，而當加固方法確定后，設計提出采取某一種或幾種方法施工時，給出參數(shù)如注漿壓力、漿液配比、提升(下沉)速度、鉆機轉速等一般都是固定的、一成不變的。這些固定的設計參數(shù)應用于不同的地層中，成樁或注漿的效果顯然是差異較大的，也不符合因地制宜和靈活性原則，需在現(xiàn)場進行適當調(diào)整。當前，盡管盾構法隧道在國內(nèi)發(fā)展很快，但盾構法引進國內(nèi)只有短短幾十年時間，盾構法隧道實踐經(jīng)驗并非十分豐富，很多是引進和借鑒國外經(jīng)驗，在盾構法隧道理論研究方面遠遠滯后于現(xiàn)場施工，缺乏指導性。在設計參數(shù)的選取方面往往采用工程類比法，這種方法本身具有局限性和不確定性因素，有待于在實際施工中檢驗和完善。

3)加固范圍不能滿足要求。

盾構始發(fā)或到達的端頭加固不只要考慮土體強度和穩(wěn)定性要求，更要考慮盾構幾何尺寸和滲透(止水)要求，這一點對于松散砂層和淤泥質含水粘土地層時顯得尤為重要。盾構的始發(fā)或到達范圍主要包括縱向加固范圍和橫向加固范圍兩種。一般情況下橫向加固范圍比較容易滿足要求，而對縱向加固范圍(即加固長度)往往考慮的不是很到位、不合理，這也是導致盾構始發(fā)和到達事故主要原因之一。

3.2 施工方面

1)施工工藝存在缺陷;

2)施工參數(shù)選取不當;

3)漿液配比、粘度、比重偏差過大和不符合要求;

4)施工設備有缺陷;

5)施工材料質量不符合要求;

6)鉆機的垂直度偏差過大，樁孔間距過大，咬合厚度過小或沒有咬合;

7)沒有經(jīng)過試樁，對施工參數(shù)沒有進行及時調(diào)整，工藝未進行改進;

8)技術交底不清，操作人員培訓不到位，責任心不強，過程把控不嚴等;

9)檢測手段不完善，檢測孔數(shù)量不足，布設不合理，角度(對水平注漿而言)、長度不符合要求，判定標準不合理;

10)圍護結構鑿除后，加固體暴露時間過長，致使土體變形過大而失穩(wěn)。

由于以上因素導致加固體質量不能滿足盾構始發(fā)或到達的要求，具體表現(xiàn)在:加固體搭接寬度或厚度不夠或沒有搭接;樁間存在加固盲區(qū);加固體上下直徑不一致，下部出現(xiàn)開叉現(xiàn)象;強度和止水性檢測不符合要求;加固體不均勻，垂直和水平芯樣不連續(xù)，水平探孔存在漏水漏砂現(xiàn)象。若存在上述現(xiàn)象，如果不采取補充加固，很難保證盾構在始發(fā)或到達過程中不發(fā)生漏水涌砂現(xiàn)象，引發(fā)險情造成始發(fā)或到達失敗。

4 預防措施

為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，分別從設計和施工兩個方面進行預防。

4.1 設計方面

1)對地層的工程地質和水位地質等勘察資料和周邊環(huán)境進行充分了解與認識，如:地層滲透系數(shù)，漿液擴散半徑等，選擇合理的加固方法。2)因地制宜，針對不同地層選用不同的施工參數(shù)。3)按照端頭加固“幾何準則”理論，選取合理的縱向加固長度。針對富水砂層地層，盾構始發(fā)和到達加固體長度不小于盾構機長度加上2，3環(huán)管片寬度。

4.2 施工方面

1)在正式加固之前，必須進行試樁，通過試樁驗證設計參數(shù)是否合理。2)針對不同的地層采取相應的施工工藝，必要時對施工工藝進行完善和改進。3)施工參數(shù)應根據(jù)不同地層進行相應調(diào)整。4)每班作業(yè)中及時對漿液各項指標進行抽檢，確保漿液符合要求。5)對施工設備進行定期檢修保養(yǎng)，不得“帶病”作業(yè)，保證鉆機的垂直度，防止樁體傾斜度過大。6)嚴格控制樁位間距，保證咬合寬度，防止漏樁、跳樁和出現(xiàn)加固盲區(qū)現(xiàn)象。7)嚴把水泥、水玻璃、膨潤土等材料進場質量，不符合標準材料不得用于工程本身。8)加強技術交底，做好人員培訓，讓每一個參與施工人員了解加固意圖、操作規(guī)程、施工參數(shù)和檢查檢驗質量標準。9)增強作業(yè)人員責任心，細節(jié)決定成敗，嚴格施工過程控制。10)檢測手段應完善，垂直取芯和水平取芯的芯樣應具有代表性，水平探孔位布置分布均勻，數(shù)量一般不少于9個，孔位、深度、發(fā)散型水平注漿的角度、長度符合要求，判定標準科學，滿足不了質量要求的必須補充加固，直到符合要求為止。11)加快盾構始發(fā)或到達井圍護結構鑿除速度，盡量減少加固體長時間暴露，減小土體變形和水土流失。

5 結語

盾構始發(fā)或到達是一項非常復雜的工作，也是盾構施工中風險最大工序之一。盾構端頭加固一是保證加固體止水性;二是保證加固體強度;三是根據(jù)不同的水文地質條件設定合理的加固體范圍，特別是加固體長度。同時在盾構始發(fā)接收前保證抽芯方法和抽芯率要達到規(guī)范規(guī)程要求，如此方能保證盾構始發(fā)接收的成功。

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