西安地鐵盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭加固方案研究

徐明 韓日美

摘? 要：盾構(gòu)法隧道施工中，端頭土體加固是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與接收技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，也是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與接收事故多發(fā)地帶，端頭土體加固的成功與否直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)能否安全始發(fā)與到達(dá)。文章介紹了目前西安地鐵盾構(gòu)隧道施工中常用的端頭加固工法，并對(duì)它們各自的加固機(jī)理、特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行了闡述，為盾構(gòu)隧道端頭加固技術(shù)的選取提供借鑒。

關(guān)鍵詞：西安地鐵;盾構(gòu)隧道;端頭加固

中圖分類號(hào)：U455.43? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）09-0118-02

Abstract： In shield tunnel construction， soil reinforcement at the end is an important part of shield machine initiation and reception technology， and it is also a zone where shield machine initiation and reception accidents occur frequently. The success of end soil reinforcement is directly related to the safe origin and arrival of shield machine. This paper introduces the common end reinforcement methods in Xi'an subway shield tunnel construction， and expounds their respective reinforcement mechanism， characteristics and applicable scope， which provides a reference for the selection of shield tunnel end reinforcement technology.

Keywords： Xi'an Metro; shield tunnel; end reinforcement

前言

盾構(gòu)法隧道施工中，盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭加固是一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)，端頭加固的效果直接影響到盾構(gòu)機(jī)的安全始發(fā)與安全到達(dá)接收。在盾構(gòu)施工實(shí)踐中，因端頭加固不當(dāng)引起的事故屢有發(fā)生?？茖W(xué)合理選擇端頭土體加固方案，是保證盾構(gòu)順利施工的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)處于始發(fā)或到達(dá)階段通過洞口開挖面時(shí)，土壓平衡條件差，會(huì)對(duì)開挖面的土體穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的不利影響;同時(shí)，始發(fā)與接收端隧道覆土往往較淺，特別是始發(fā)端，盾構(gòu)機(jī)在磨合狀態(tài)下進(jìn)行試掘進(jìn)，設(shè)備故障易多發(fā)，抑或盾構(gòu)操作人員不熟練等原因，容易引發(fā)地表變形過大，甚至導(dǎo)致土體坍塌、地表冒漿或涌水等事故發(fā)生。因此根據(jù)工程地質(zhì)條件、地下水、覆土厚度、洞門密封質(zhì)量等條件，選擇合適的始發(fā)與到達(dá)接收端頭加固方式，對(duì)盾構(gòu)施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性和工期控制具有重要意義。西安地鐵自2007年以來，先后已完成了4條線126km的地鐵工程建設(shè)，正在建設(shè)3條線，盾構(gòu)端頭的加固超過100個(gè)，采用了多種方案，加固效果也各有差異。本文基于西安的地質(zhì)特點(diǎn)，梳理分析各種加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在對(duì)今后同類地層提供更加有效的加固方案和施工工藝。

1 西安地質(zhì)條件分析

西安市坐落在渭河沖積平原中段南部，北鄰渭河，南依秦嶺，東達(dá)灃河，西至? 灞。地貌單元分別為：黃土臺(tái)塬、沖湖積臺(tái)地（原稱黃土梁洼地貌）、渭河階地，地勢(shì)總格局呈東南高西北低。主要包含地層為：人工填土層、新黃土（水上）、新黃土（水下）、飽和軟黃土、古土壤、粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂、中粗砂層及局部砂卵石地層等;地鐵沿線地質(zhì)復(fù)雜，區(qū)域地面沉降、地裂縫、濕陷性黃土、飽和軟黃土、砂卵石地層等分布廣泛，是西安地鐵建設(shè)過程中常遇到的不良地質(zhì)。端頭加固范圍內(nèi)絕大多數(shù)地層為Q3黃土、Q2黃土和砂層、砂卵石層。

Q3黃土自穩(wěn)性差，水位以上通常具有濕陷性，土體強(qiáng)度一般。Q2黃土一般處于水下，自穩(wěn)性相對(duì)較好。地下水位在城市東南的黃土塬區(qū)或河流高階地，一般埋深在20m-50m，在城市中部黃土梁洼區(qū)一般埋深在10-20m（飽和軟黃土區(qū)域除外），城市西北部階地區(qū)埋深5-15m。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，西安以興慶公園為中心，分布有一層飽和軟黃土，這層土工程性質(zhì)差，類似于軟土，是工程風(fēng)險(xiǎn)最大的地層。

2 常用盾構(gòu)端頭加固方案簡(jiǎn)介

受工程地質(zhì)條件、地下水、覆土厚度、盾構(gòu)機(jī)機(jī)型和直徑、作業(yè)環(huán)境等條件決定，同時(shí)考慮施工的安全性、方便性、經(jīng)濟(jì)性和工期等因素，目前我國(guó)常用盾構(gòu)端頭加固的方法主要有：注漿法、深層攪拌樁法、高壓旋噴樁法、SMW工法、鉆孔灌注樁法、冷凍法以及井點(diǎn)降水法等。這幾種端頭加固工法適用地層及工期造價(jià)等指標(biāo)對(duì)比如表1。

上面的方法中，西安地鐵除冷凍法未采用外，其他方法在不同的地質(zhì)條件和環(huán)境條件下，均開展過相關(guān)工作，其中高壓旋噴樁加固法和素混凝土灌注樁+井點(diǎn)降水法在西安地鐵采用更多。

3 西安地鐵盾構(gòu)端頭加固工法使用及效果評(píng)價(jià)

目前西安地鐵已建成或者在建線路盾構(gòu)端頭加固工法主要包含：高壓旋噴樁法、注漿法、素混凝土灌注樁+井點(diǎn)降水法。各方案具體情況如表2。

3.1 高壓旋噴樁

該工法具有地層適應(yīng)性廣、加固效果良好，施工較為便捷等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于西安地鐵一、二、三號(hào)線及五號(hào)線絕大部分的盾構(gòu)端頭加固中，加固范圍一般為隧道結(jié)構(gòu)左右、上下各3m，加固深度20m左右，該加固方案在大多部分盾構(gòu)區(qū)間施工中取得成功。但對(duì)于砂層較厚、地下水流速較快、加固深度超過25m時(shí)，成樁效果較差，需采取輔助施工措施來確保盾構(gòu)始發(fā)與接收安全。

3.2 注漿法

該工法應(yīng)用于西安地鐵二、三號(hào)、四號(hào)線部分盾構(gòu)區(qū)間接收端加固中，主要應(yīng)用于富水砂層、飽和軟黃土地層或者盾構(gòu)區(qū)間接收端鄰近地裂破碎段、地面周邊建（構(gòu)）物復(fù)雜等，其工藝主要為袖閥管或WSS全斷面水平洞內(nèi)注漿。如三號(hào)線青龍寺站～延興門站區(qū)間地裂縫處理段盾構(gòu)到達(dá)及始發(fā)端頭加固采用洞內(nèi)水平WSS注漿加固，四號(hào)線五路口～火車站站盾構(gòu)區(qū)間鄰近營(yíng)業(yè)線接收時(shí)采用洞內(nèi)水平WSS全斷面注漿加固，加固止水效果較好。

3.3 素混凝土灌注樁+井點(diǎn)降水

該工法具有加固范圍小、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于西安地鐵四號(hào)線絕大部分的盾構(gòu)端頭加固中，施工時(shí)常常輔以井點(diǎn)降水，能達(dá)到盾構(gòu)始發(fā)與接收端地層加固、止水效果。但由于鉆孔樁成樁后與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之前含有一定的夾層，對(duì)于一些富水砂層或者水位較高的黃土地層，其止水效果不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，需在始發(fā)或接收時(shí)增加輔助堵水措施。

4 結(jié)論

結(jié)合西安地鐵建設(shè)情況梳理后可得出：一般情況下，盾構(gòu)端頭加固考慮到施工場(chǎng)地的便利性宜優(yōu)先考慮地表旋噴加固，端頭加固縱向范圍可按8m考慮;對(duì)富水砂層、飽和軟黃土地層盾構(gòu)始發(fā)與接收可采用地表旋噴加固+輔助降水，部分地區(qū)水位較高、隧道底部埋深大于25m的，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，必要時(shí)在始發(fā)、接收洞門處進(jìn)行水平注漿等堵水措施。無水且地層情況良好條件下，可以考慮采用單排或者雙排素混凝土樁進(jìn)行加固，在施工時(shí)需增加輔助降水措施。對(duì)地表環(huán)境復(fù)雜、周邊管線或者建（構(gòu)）筑保護(hù)要求高的可考慮采用洞內(nèi)水平全斷面注漿加固，水位位于隧道洞身范圍的一般地層考慮采用袖閥管全斷面注雙液漿，對(duì)于無水條件的可考慮袖閥管全斷面注水泥漿;對(duì)于水位較高、含有砂層的情況考慮采用WSS全斷面注漿加固。對(duì)于砂層較厚、地下水位高、隧道埋深淺、地表建構(gòu)（筑）物沉降要求高的盾構(gòu)始發(fā)、接收端頭加固，可采用冷凍法加固。

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