地鐵盾構(gòu)鋼套筒接收與旋噴樁端頭加固應(yīng)用對比研究

李 震

（中鐵十八局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，天津 300222）

地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工時(shí)，始發(fā)與接收過程中可能會(huì)出現(xiàn)涌水、涌砂、地面沉陷及周圍建筑物沉降變形超限等事故，是盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)的重大風(fēng)險(xiǎn)源。對于盾構(gòu)始發(fā)和接收的安全保證措施，傳統(tǒng)工藝一般主要采用旋噴樁和凍結(jié)法端頭加固處理工法［1］。凍結(jié)法端頭加固由于施工控制工藝要求較高且造價(jià)較大，相比于旋噴樁加固工法較少采用。旋噴樁加固工法對洞口端頭地質(zhì)的要求為淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉質(zhì)黏土、粉土、沙土、黃土及人工填土中的素填土及碎石土，但對粒徑過大，含有過多的砂礫石、堅(jiān)硬粘性土以及含有大量纖維質(zhì)的腐殖質(zhì)土和地下水流速度過大或有大量涌水、加固深度較深、地下管線復(fù)雜、存在構(gòu)筑物的情況下，旋噴樁端頭加固難以施做或加固效果相對較差，加固質(zhì)量難以保證，仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)［2］。在這樣的背景下，深圳地鐵7號線八卦嶺站—紅嶺北站區(qū)間盾構(gòu)法隧道施工始發(fā)端地質(zhì)滿足旋噴樁加固的條件，埋深較淺，施工完成后質(zhì)量檢測加固效果較好，而對比始發(fā)端的接收端，管線復(fù)雜，構(gòu)筑物占面積較大，加固深度超過21m，對于用旋噴樁加固方式施做難度大且部分加固，質(zhì)量難以保證［3］。在方案必選和專家論證的基礎(chǔ)上，始發(fā)端左右線采用了旋噴樁端頭加固工法，接收端左右線采用了鋼套筒接收工法。通過本工程實(shí)施的盾構(gòu)鋼套筒接收技術(shù)和旋噴樁端頭加固技術(shù)的施工方式對比，鋼套筒接收技術(shù)對于工期、投資、規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)有著十分重要的意義。

1 現(xiàn)狀描述

1.1 工程概況

深圳地鐵7號線八卦嶺站—紅嶺北站，從八卦嶺站東端出發(fā)，沿八卦三路從西往東敷設(shè)，東接紅嶺北站西端。八卦嶺站—紅嶺北站區(qū)間設(shè)計(jì)起止里程為右線DK25+050.426—DK25+856.4，右線長805.974m；左線DK25+050.426—DK25+856.4，短鏈0.005（斷前DK25+599.995，斷后DK25+600），左線長805.969m。暗挖區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工，八卦嶺站始發(fā)，紅嶺北站接收。

1.2 水文地質(zhì)情況

八卦嶺站始發(fā)端左右線洞底為⑦1礫質(zhì)黏性土層；洞身為⑦1礫質(zhì)黏性土層；洞頂為⑦1礫質(zhì)黏性土層；上部為素填土。

紅嶺北站到達(dá)端左右線洞底為⑩3中風(fēng)化混合巖層和⑩2強(qiáng)風(fēng)化混合巖層；洞身為⑩2強(qiáng)風(fēng)化混合巖層和⑩1全風(fēng)化混合巖層；洞頂⑩1全風(fēng)化混合巖層和⑤3卵石；上部為粗砂和素填土。

地下水主要為孔隙水和裂隙水?？紫端饕x存在沖洪積圓礫層中，其次賦存在沖洪積黏性土層、殘積礫質(zhì)黏性土和粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合巖中，基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化混合巖中。施工期間穩(wěn)定地下水位埋深3.00～4.80m。

1.3 問題背景

設(shè)計(jì)始發(fā)接收端均采用Ф600mm旋噴樁加固，平面加固范圍為7.5m×12m，加固實(shí)樁長度始發(fā)段7m，加固深度18m，接收端加固實(shí)樁長度11m，加固深度21m。

始發(fā)端加固深度較淺，且地質(zhì)為礫質(zhì)黏性土，滿足加固的所有條件，施工按照原設(shè)計(jì)要求采用旋噴樁加固。

接收端按照原設(shè)計(jì)要求采用旋噴加固方式存在以下影響因素：

（1）加固區(qū)域位于現(xiàn)有道路上，需要占道才能進(jìn)行端頭加固。

（2）加固區(qū)域地下管線眾多。左右線加固施工需破除橫穿左右線的長7.5m、寬4.3m、厚0.6m的管線橋面板，下部鋪設(shè)的DN1000和DN400給水管、DN200燃?xì)夤?、通信及電力管線均需改遷。

（3）右線頂部有一個(gè)在使用的8.6m×4m的雨水箱涵，占用大部分加固位置，加固質(zhì)量難以控制。

鑒于以上因素對加固區(qū)的影響，為保證工期，在確保安全、質(zhì)量的前提下，經(jīng)深入勘察、調(diào)研，邀請專家論證，征得建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位的同意，決定在接收端采用鋼套筒接收工法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋噴加固接收工法。

2 施工方案的對比

2.1 旋噴樁加固施工

2.1.1 旋噴樁加固施工原理

旋噴漿液時(shí)，高壓噴射流邊旋轉(zhuǎn)邊緩慢上升，對注漿孔周圍的土體進(jìn)行切削破壞。周圍土體被破壞后，一部分細(xì)小土顆粒被噴射漿液置換，并隨著液流被攜帶到地表。其余的土顆粒則與漿液攪拌混合，在旋噴動(dòng)壓、離心力和重力的共同作且下，土顆粒在橫斷面按質(zhì)量大小重新有規(guī)律地排列。小顆粒大多在中間部位，大顆粒多數(shù)向外側(cè)或邊緣部位移動(dòng)，形成漿液主體，經(jīng)過攪拌混合、壓縮和滲透等作用過程，并隔一定時(shí)間后，漿液主體便凝固成強(qiáng)度較高、滲透系數(shù)較小的水泥土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固結(jié)體，即旋噴樁［4］。

2.1.2 旋噴樁加固施工工藝

鉆機(jī)就位：平整場地，施工放樣，鉆機(jī)水平校正，使鉆桿軸線垂直對準(zhǔn)孔位中心，鉆孔位置與設(shè)計(jì)位置的偏差不得大于50mm。

鉆孔：旋噴鉆桿鉆入地層，并到達(dá)設(shè)計(jì)的深度。如果遇到堅(jiān)硬巖石和地表硬化，難以鉆入，需要用地質(zhì)鉆或取芯機(jī)進(jìn)行引孔。

旋噴注漿：旋噴鉆桿鉆孔到達(dá)預(yù)定深度后，按配合比攪拌漿液。自下而上進(jìn)行旋噴作業(yè)，邊旋轉(zhuǎn)邊提升旋噴管，跟蹤檢查漿液初凝時(shí)間、注漿流量、風(fēng)量、壓力和旋轉(zhuǎn)提升速度等參數(shù)，并作好記錄。鉆桿噴嘴提升到設(shè)計(jì)實(shí)樁的標(biāo)高后，旋噴作業(yè)結(jié)束（施工主要技術(shù)參數(shù)見表1）。

表1 旋噴樁施工主要技術(shù)參數(shù)表

沖洗機(jī)具：旋噴注漿施工完畢后，應(yīng)將鉆桿等機(jī)具設(shè)備沖洗干凈，管內(nèi)、機(jī)內(nèi)不得殘存水泥漿。沖洗時(shí)，將注漿泵的吸管移到水箱內(nèi)，在上噴射，靠高速水流將泥漿泵、注漿管內(nèi)的漿液全部排除。

移動(dòng)機(jī)具：將鉆機(jī)等設(shè)備移到新的孔位上，為下一個(gè)孔的旋噴注漿作準(zhǔn)備。具體過程如圖1。

圖1 旋噴樁施工工藝流程框圖

2.1.3 旋噴樁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢查措施

質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 旋噴樁施工允許偏差和質(zhì)量檢查表

2.2 盾構(gòu)鋼套筒接收施工

2.2.1 盾構(gòu)鋼套筒接收施工原理

盾構(gòu)鋼套筒接收原理就是模擬地下的水土壓力狀況及覆土條件下在隧道口密封連接一個(gè)略大于盾構(gòu)機(jī)盾體長度的、具有一定剛度和強(qiáng)度的密閉壓力容器。該密閉容器在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)出洞門、盾尾脫出洞門鋼環(huán)時(shí)，能夠保證一定的剛度，并承受在注漿填充封閉前施工開挖面和盾尾之間的構(gòu)筑間隙失水或涌泥沙產(chǎn)生的壓力和沖擊力［5］。

2.2.2 盾構(gòu)鋼套筒接收施工流程

鋼套筒制作：其制作經(jīng)專業(yè)廠家根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的施工圖紙負(fù)責(zé)施做。工廠定制施做完成，驗(yàn)收合格后，運(yùn)送到施工現(xiàn)場，準(zhǔn)備安裝使用。

鋼套筒的安裝：（1）安裝預(yù)埋件。主體底板施工時(shí)，放樣預(yù)埋件位置，以鋼套筒尺寸為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，鋼套筒中心到基座底部高程為3410mm（根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和盾構(gòu)機(jī)外徑確定），與之所對應(yīng)的高度上，在其平面位置將鋼板預(yù)埋進(jìn)去；（2）安裝鋼套筒?？傮w安裝順序以對應(yīng)編號件為主，鋼套筒安裝成功的關(guān)鍵在于過渡連接環(huán)與洞門鋼環(huán)氣密性的好壞，主要措施是將過渡連接環(huán)與洞門鋼環(huán)滿焊，做無損探傷檢測，各構(gòu)件之間的密封處理采用構(gòu)件之間加橡膠墊和涂抹油脂的方式，安裝完成后再通過氣密性監(jiān)測檢查判斷是否合格。

洞門破除：破除洞門的機(jī)會(huì)要合適，在距貫通面還有15～20m時(shí)破除施工，采用膨脹劑膨脹，結(jié)合人工打孔從上至下、從中心至兩側(cè)，分塊、分層依次破除洞門外層圍護(hù)結(jié)構(gòu)。如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)配筋為玻璃纖維筋，可以考慮不破除，直接由盾構(gòu)刀盤切削。破除過程中配備專職安全員進(jìn)行監(jiān)督，杜絕安全事故的發(fā)生。

端蓋安裝及密封檢測：洞門破除完成后及時(shí)清理碎渣及雜物，并對安裝的端蓋打壓試驗(yàn)。主要檢測鋼套筒圓度、鋼套筒密封性、鋼套筒焊縫。

反力架及橫撐安裝：反力架給鋼套筒提供反力，安裝的反力架不能接觸端蓋。

鋼套筒填料：為防止盾構(gòu)機(jī)叩頭，需要在鋼套筒底部45°圓弧范圍內(nèi)回填厚度約20cm的碎石或者低強(qiáng)度砂漿。當(dāng)鋼套筒密封驗(yàn)收完畢，向鋼套筒內(nèi)填料（粗砂），以中粗砂為主，或填質(zhì)量較好、塊頭較小的盾構(gòu)掘進(jìn)碎石渣土。

盾構(gòu)接收及吊出：掘進(jìn)過程中對出土與推進(jìn)速度的相互關(guān)系必須控制好，一方面要避免切削混凝土將其堵塞，另一方面要確保套筒中填砂不能被大量攜帶出，協(xié)調(diào)好鋼套的外圍距離，保證推進(jìn)合理，使得盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行姿態(tài)可控，確保其在規(guī)定范圍內(nèi)。當(dāng)機(jī)器進(jìn)入到套筒中，及時(shí)進(jìn)行盾尾注漿，確保盾尾和洞口之間的構(gòu)筑間隙被封堵。注漿數(shù)量以壓力控制為主，當(dāng)倉壓不正常上升時(shí)，停止注漿。停止一段時(shí)間后，再進(jìn)行注漿，注漿過程嚴(yán)格監(jiān)控鋼套筒內(nèi)的壓力。當(dāng)循環(huán)注漿結(jié)束，漿液達(dá)到一定的強(qiáng)度后，將減壓口打開，觀察是否有水和泥漿涌出，慢慢地將鋼套筒內(nèi)壓力降低，嚴(yán)密觀察液位是否上升。正常可以泄壓至常壓，把土倉的觀察孔打開，再次對液位觀察。如無異常，可以把土倉門打開，將鋼套筒填料孔打開，觀察注漿情況，保證可以將鋼套筒上半部拆開，將盾構(gòu)機(jī)有序吊出。鋼套筒的拆解流程及步驟與安裝工序相反，起吊設(shè)備及要求與安裝一致。本工程鋼套筒接收施工總流程見圖2。

圖2 鋼套筒接收施工總流程圖

3 施工質(zhì)量對比

八卦嶺站—紅嶺北站區(qū)間左右線始發(fā)端地表狀況較好，無構(gòu)筑物，且隧道埋深較淺，采用了旋噴樁加固技術(shù)，加固效果良好，取芯檢測強(qiáng)度和滲水系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，滿足始發(fā)要求。施工過程中，左右線均安全順利始發(fā)。

八卦嶺站—紅嶺北站區(qū)間左右線接收端如果施做加固，由于洞頂存在的構(gòu)筑物和管線占用位置較多和加固深度的原因，旋噴加固的質(zhì)量出現(xiàn)固結(jié)體強(qiáng)度不均勻、縮頸；鉆孔困難，偏斜、冒漿等施工問題，會(huì)嚴(yán)重影響旋噴施工的進(jìn)度與質(zhì)量，且旋噴樁加固的特點(diǎn)是整體性，如果個(gè)別樁位質(zhì)量控制不好，不能形成有效搭接，會(huì)大大降低止水的整體效果。而針對該工程埋深、地質(zhì)、地表管線構(gòu)筑物的實(shí)際情況，接收端采用了鋼套筒接收方式，鋼套筒接收方式現(xiàn)場接收情況表明施工效果更佳，確保了在接收時(shí)隔斷了地下水的涌入，未發(fā)生涌水、涌砂及地面沉陷事故，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 工期及費(fèi)用對比

八卦嶺站—紅嶺北站區(qū)間始發(fā)端，左右線旋噴實(shí)樁合計(jì)6290m，實(shí)際施工工期65d。接收端旋噴實(shí)樁合計(jì)8320m，預(yù)計(jì)要90d。采用安裝和拆除鋼套筒，合計(jì)使用15d，大大減少了地面道路交通導(dǎo)改的時(shí)間。接收端用鋼套筒接收工法代替旋噴樁施工工法，考慮鋼套筒的租賃費(fèi)用和循環(huán)使用次數(shù)，比旋噴樁2個(gè)端頭旋噴樁加固節(jié)省造價(jià)超過130萬元。

5 結(jié)束語

隨著地鐵建設(shè)技術(shù)不斷發(fā)展，結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)地鐵盾構(gòu)施工始發(fā)和接收的輔助新技術(shù)，不斷推陳出新，針對繁紛復(fù)雜不可避免的地下構(gòu)筑物、管線條件和多變的工程地質(zhì)條件，在地鐵盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)和接收的施工環(huán)節(jié)，應(yīng)用鋼套筒接收，可以與原有端頭加固工法應(yīng)用對比分析、優(yōu)選的基礎(chǔ)上，選用始發(fā)和接收端的加固方式。推廣鋼套筒始發(fā)和接收工法，可以有效減少盾構(gòu)始發(fā)和接收的風(fēng)險(xiǎn)，增加工期的可控性，減少其它加固技術(shù)對地面交通的干擾，同時(shí)也大大節(jié)約了造價(jià)。