復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)區(qū)間端頭井加固技術(shù)分析

王瑩，蔣燕偉，孫圣斌

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中鐵四局集團(tuán)城軌分公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

隨著地上空間利用率逐漸飽和，充分利用地下空間，建立多功能的地下交通線成為破局之法，國(guó)內(nèi)地下軌道的發(fā)展有著突飛猛進(jìn)之勢(shì)。然而，地鐵施工中的盾構(gòu)端頭土體加固是影響盾構(gòu)施工的難點(diǎn)，尤其在復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)于盾構(gòu)區(qū)間端頭井加固直接影響到隧道貫通。因此，為了保證盾構(gòu)施工中始發(fā)與接收端頭的穩(wěn)定性，需要結(jié)合具體地質(zhì)情況制定合理的加固方案，通常采用的有旋噴樁加固、攪拌樁加固、注漿法加固、SMW工法樁加固、凍結(jié)以及組合加固法等等。

論文結(jié)合蘇州地鐵6號(hào)線始發(fā)接收端端頭加固工程實(shí)例，基于理論計(jì)算、ABAQUS軟件對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)鉆芯及監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)三軸攪拌樁加固與旋噴樁組合工法進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)工程應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)在復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)端頭井加固設(shè)計(jì)提供借鑒和參考，取得了良好的效果。本項(xiàng)目盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)的成功實(shí)施，對(duì)國(guó)內(nèi)外相同地質(zhì)條件下的同種地鐵盾構(gòu)施工，有重要的借鑒意義。

1 工程概況

新區(qū)火車站站到城際路站現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)進(jìn)出洞涉及地層主要有④2粉砂層，④2粉砂為微承壓水含水層，富含地下水，且透水性較強(qiáng)，始發(fā)期間易出現(xiàn)洞門涌水涌砂，地面沉降塌陷風(fēng)險(xiǎn)，始發(fā)端頭加固及地質(zhì)剖面如圖1。蘇州新區(qū)火車站站城際路站盾構(gòu)區(qū)間左線長(zhǎng)865.88m，右線長(zhǎng)860m，區(qū)間共長(zhǎng)1725.88m。區(qū)間線路出蘇州新區(qū)火車站站后左、右線平面為緩和曲線以450m半徑平面曲線向東北向轉(zhuǎn)彎沿城際路路下敷設(shè)，依次下穿新興橋，中環(huán)北線高架橋，鄰近中環(huán)北線高架橋時(shí)左、右線以450m半徑平面曲線向東南轉(zhuǎn)彎，然后以直線沿城際路推進(jìn)至城際路站。區(qū)間隧道縱斷面采用“V"型節(jié)能坡布置，盾構(gòu)區(qū)間周邊新興橋及其河流，距離盾構(gòu)井圍護(hù)邊僅1.4m，小里程端緊鄰河道，沿線下穿中環(huán)北線高架橋及其橋樁，站內(nèi)道路地下管線密集，有污水、雨水、燃?xì)?、通信、給水管線等。

圖1 始發(fā)端頭加固及地質(zhì)剖面

圖2 新區(qū)火車站到城際路站端頭井加固剖面圖

2 工程難點(diǎn)分析及技術(shù)

2.1 始發(fā)洞門涌水涌砂，地面沉降塌陷及應(yīng)對(duì)技術(shù)

盾構(gòu)進(jìn)出洞涉及地層主要有④2粉砂層，④2粉砂為微承壓水含水層，富含地下水，且透水性較強(qiáng)，始發(fā)期間易出現(xiàn)洞門涌水涌砂，地面沉降塌陷風(fēng)險(xiǎn)。采取相應(yīng)技術(shù)措施。

①全過(guò)程控制端頭井土體改良加固質(zhì)量，確保三軸攪拌樁完整性及強(qiáng)度；②加強(qiáng)降水運(yùn)行管理，專人負(fù)責(zé)，確保盾構(gòu)始發(fā)前，水位降低至洞門中心以下1m，盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中，配置200kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)，確保降水運(yùn)行不中斷。③洞門鑿除前需對(duì)洞門地連墻進(jìn)行水平探孔，并用球閥封堵，確保洞門滲漏水情況，如發(fā)現(xiàn)洞門漏泥漏水情況，及時(shí)注入雙液漿封堵確保洞門穩(wěn)定性。④在鑿洞門過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)掌子表面有滲水，要先驗(yàn)證滲水分析，確定是否有必要噴混凝土封堵，再用水泥-水玻璃雙漿液封堵。在進(jìn)行洞門鑿除后，掌子面出現(xiàn)涌水、涌砂時(shí)，首先是利用沙袋來(lái)阻止水和沙子侵入再將涌水、涌砂部位封堵，然后在涌砂部位四周打孔，同時(shí)噴射素混凝土，最后再向地層中注雙液漿，用以增加土層的穩(wěn)定性與粘聚性。⑤當(dāng)掌子面一旦出現(xiàn)涌砂、涌水后，立即加強(qiáng)對(duì)隧道上方與兩側(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)反饋信息，加強(qiáng)對(duì)地表設(shè)施的疏導(dǎo)與保護(hù)，防止危險(xiǎn)的進(jìn)一步擴(kuò)張，并在具備洞門注漿封堵條件后，及時(shí)封堵洞門。

2.2 反力架支撐系統(tǒng)失穩(wěn)分析

由于盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的瞬時(shí)推力或扭矩過(guò)大，反力架支撐系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致整個(gè)始發(fā)工作失敗。采取的應(yīng)對(duì)技術(shù)措施：

①反力架焊接加固，焊縫應(yīng)平滑飽滿，不允許出現(xiàn)裂紋、燒穿、條狀?yuàn)A渣、漏焊、飛濺等一系列焊縫缺陷問(wèn)題；

②對(duì)反力架進(jìn)行超聲檢測(cè)，檢測(cè)合格方可拼裝負(fù)環(huán)；

③在初始階段加強(qiáng)對(duì)支持系統(tǒng)的監(jiān)控。

2.3 洞門封堵

盾構(gòu)接收瞬間，大量的土體和水從刀盤四周涌出。采取應(yīng)對(duì)技術(shù)措施：

①為保證加固后土體的強(qiáng)度和均勻性，應(yīng)提高施工質(zhì)量；②制定接收方案，編制應(yīng)急預(yù)案，落實(shí)應(yīng)急物資；③洞門密封圈采用橡膠簾布和折頁(yè)壓板時(shí)安裝要準(zhǔn)確，并在外側(cè)設(shè)置洞門翻板拉緊裝置，在盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中要注意觀察，防止盾構(gòu)刀盤的周邊刀割傷橡膠密封圈，可在密封圈涂抹黃油以增加潤(rùn)滑性，洞門的扇形鋼板也要及時(shí)加以調(diào)整，以改善密封圈的受力狀況；④在出洞前進(jìn)行封環(huán)作業(yè)，進(jìn)行二次注漿；⑤待盾體全部推出洞門后，及時(shí)進(jìn)行洞門封堵。

3 土體加固

盾構(gòu)隧道挖掘，破壞了原狀土的力學(xué)狀態(tài)，對(duì)圍巖造成了影響，在洞壁造成應(yīng)力集中，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力大于原狀土抗剪強(qiáng)度時(shí)，端頭土體穩(wěn)定性受到影響，形成塑性松動(dòng)圈，因此需要進(jìn)行盾構(gòu)井端頭土體加固。盾構(gòu)井端頭加固方式主要包括洞門密封型式與地層加固方式。

在對(duì)既有端頭加固工法進(jìn)行大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合考慮工期、質(zhì)量及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特點(diǎn)，擬定了三軸攪拌樁加固與旋噴樁組合工法對(duì)蘇州新區(qū)火車站站～城際路站小里程端端頭進(jìn)行加固。盾構(gòu)區(qū)間擬采用中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度約9m，從切口環(huán)至盾尾長(zhǎng)度約8.25m，設(shè)計(jì)加固區(qū)長(zhǎng)12m，可以保障盾構(gòu)始發(fā)接收安全。區(qū)間端頭加固采用Φ850mm@600mm三軸攪拌樁+Φ600mm三重管旋噴樁，平面加固長(zhǎng)度15m（圍護(hù)結(jié)構(gòu)至止水帷幕中心）。止水帷幕采用的是Φ850@600的三軸攪拌樁，套打施工。

地基平面加固長(zhǎng)度為12m，加固寬度為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)每側(cè)3m，豎向加固范圍為實(shí)樁長(zhǎng)12.6m，加固區(qū)與車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間應(yīng)采用1排三重管旋噴樁填充空隙。施工前對(duì)該加固區(qū)域標(biāo)高進(jìn)行復(fù)測(cè)，確定加固區(qū)域及空樁樁長(zhǎng)。在加固區(qū)外側(cè)施工一圈攪拌樁止水帷幕，在止水帷幕范圍內(nèi)，新區(qū)火車站到城際路站端頭井布置4口降水井及2口觀測(cè)井。

4 反力架支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

隧道管片設(shè)計(jì)外徑為6600mm，內(nèi)徑為5900mm，管片厚度350mm。反力架外作用荷載，即盾構(gòu)機(jī)始發(fā)的總推力乘以動(dòng)荷載效應(yīng)系數(shù)，加所有不利因素產(chǎn)生的荷載總和，以3000噸水平推力為設(shè)計(jì)值。反力架采用厚25mm鋼板焊接制作，采用直徑630mm壁厚20mm鋼管做后支撐。反力架布置形式如圖4。

圖3 反力架布置形式

圖4 反力架布置實(shí)圖

4.1 反力架截面基本參數(shù)

4.1.1 豎梁、橫梁截面特性

反力架豎梁、橫梁采用厚25mm鋼板焊接制作，材料為Q345鋼板，[σ]=345MPa。

4.1.2 斜撐截面特性

斜撐采用直徑630mm壁厚20mm鋼管，材料為 Q345 鋼，[σ]=345MPa。

4.1.3 上、下各5道水平支撐特性

上、下各設(shè)5道水平支撐，材料HW25型鋼，長(zhǎng)度1600mm。材料為Q345 鋼，[σ]=345MPa。

4.2 建模

采用MIDAS CIVILL軟件建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析。結(jié)構(gòu)模型如圖5。

4.3 荷載與約束

盾構(gòu)始發(fā)水平推力設(shè)計(jì)值為3000t，反力架8個(gè)受力點(diǎn)。水平支撐、斜撐及豎梁下端固定約束。反力架結(jié)構(gòu)約束及受力如圖5。

圖5 反力架模型、荷載與約束

F＝3000t/8=375t=3750kN。

4.4 受力分析結(jié)果

反力架受力變形最大值為10.8mm，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。反力架受力位移等值線圖如圖6。

圖6 位移等值圖

反力架受力應(yīng)力最大壓應(yīng)力為309.07MPa，最大壓拉力為277.50MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。反力架受力應(yīng)力圖如圖7。

圖7 應(yīng)力圖

5 結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的地鐵施工過(guò)程中，端頭土體加固是一項(xiàng)重要的技術(shù)工作，通過(guò)改良端頭土體，提高端頭土體強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，堵塞顆粒的間隙和地層的水，防止反力架支撐系統(tǒng)失穩(wěn)，防止始發(fā)洞門涌水涌砂，地面沉降塌陷現(xiàn)象發(fā)生，以確保盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和到達(dá)的安全，從而確保施工質(zhì)量。