盾構(gòu)隧道端頭加固技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展綜述

張英智， 阮 雷， 張玉偉

(1. 中建絲路建設(shè)投資有限公司， 陜西西安 710075； 2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055 3.西安建筑科技大學(xué)陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710055)

近年來隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，具有環(huán)保、施工速度快、安全等特點(diǎn)的盾構(gòu)法施工，迅速成為城市隧道建設(shè)的重要施工方法。盡管盾構(gòu)法施工有諸多優(yōu)點(diǎn)，但盾構(gòu)始發(fā)及接收過程中需要洞門破除作業(yè)，端頭土體易發(fā)生失穩(wěn)，從而引發(fā)地表沉降甚至土體坍塌。因此，端頭土體加固直接關(guān)系到盾構(gòu)是否能夠安全順利始發(fā)和接收。但端頭土體的加固的好壞常常受地質(zhì)條件、加固范圍、加固方法及加固效果的評價等諸多因素影響。

本文結(jié)合近年來國內(nèi)盾構(gòu)端頭土體加固方面的研究及技術(shù)應(yīng)用，介紹了端頭加固范圍的理論研究發(fā)展，加固范圍的取值研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢。同時介紹了當(dāng)前端頭加固方法并分析了未來發(fā)展，以期為盾構(gòu)隧道端頭加固技術(shù)研究及應(yīng)用提供參考及借鑒。

1 端頭加固范圍理論研究

1.1 縱向加固范圍

盾構(gòu)端頭縱向加固范圍理論方面的研究，日本學(xué)者開始較早。20世紀(jì)90年代日本JET GROUT協(xié)會[1]以彈性薄板理論為基礎(chǔ)，提出將盾構(gòu)隧道端頭土體的梯形水土合力簡化為均布荷載，從而推導(dǎo)出縱向加固范圍公式；并結(jié)合黏性地層的力學(xué)特征，提出了幾種基于黏土地層的盾構(gòu)端頭土體滑動模型，為驗(yàn)算縱向加固范圍的穩(wěn)定性提供了依據(jù)[2-3]。張慶賀等[3]學(xué)者在上海軟土地層盾構(gòu)地鐵施工中引入了日本的端頭滑移失穩(wěn)模型及強(qiáng)度理論模型，應(yīng)用效果較好。在此基礎(chǔ)上，吳韜[4]結(jié)合數(shù)值計算與彈性力學(xué)薄板理論計算結(jié)果，對比后認(rèn)為薄板公式計算出的加固土體厚度偏于安全。丁萬濤等[5]針對淺埋隧道端頭土體，依據(jù)薄板理論研究了不同安全系數(shù)條件下的縱向加固范圍，當(dāng)驗(yàn)算安全系數(shù)K0≥1.0時，加固土體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足強(qiáng)度理論和滑移失穩(wěn)理論計算要求。韋良文[6]認(rèn)為端頭滑移失穩(wěn)理論計算中，對滑移穩(wěn)定安全系數(shù)起主導(dǎo)因素的參數(shù)為加固土體的粘聚力C，因此需保證加固土體質(zhì)量。吳韜等[7]結(jié)合工程實(shí)例，通過板塊強(qiáng)度理論、黏性土滑移失穩(wěn)理論等理論的驗(yàn)算，得出了抗滑移失穩(wěn)是出洞加固中安全控制重點(diǎn)的結(jié)論。

盡管基于單一粘性地層及小直徑盾構(gòu)的簡化模型一定程度上能夠滿足縱向加固范圍的計算需要，但隨著盾構(gòu)隧道尺寸的大型化及地層條件的復(fù)雜化，簡化模型計算誤差逐漸增大。對此，我國專家學(xué)者在簡化模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了理論優(yōu)化研究。羅富榮、江玉生、都振宇等[8-10]通過改進(jìn)已有的端頭加固理論模型，將梯形荷載等效為均布荷載和三角反對稱荷載的疊加，并提出了基于砂土的穩(wěn)定性驗(yàn)算模型：當(dāng)隧道直徑小于10 m時，均布荷載計算模型和均布荷載加反三角對稱荷載模型計算結(jié)果相差不大。江華等[11]基于改進(jìn)的荷載等效模型，分別對砂卵石、粉土、黏土、砂土等地層進(jìn)行端頭加固計算，確定了10 m直徑可作為大小盾構(gòu)的分界線。雷金山等[12]將端頭土體簡化為四邊簡支的矩形薄板，進(jìn)一步將作用荷載等效為三角形反對稱荷載和均布荷載。程盼盼等[13]認(rèn)為傳統(tǒng)及改進(jìn)的縱向加固長度計算理論與模型忽略了土體內(nèi)摩擦力抵抗土體下滑的作用，因此提出了依據(jù)簡化Bishop法搜索最危險滑動面，以此來確定加固長度的新模型，但該方法并不適用于滲透系數(shù)較大、地下水豐富的地層。曹成勇等[14]基于極限平衡理論，建立了盾構(gòu)端頭加固土體的二維穩(wěn)定性分析理論模型，并認(rèn)為土體的內(nèi)摩擦角、粘聚力等參數(shù)對縱向加固范圍有顯著影響。

1.2 橫向加固范圍

橫向加固范圍研究主要以土體擾動極限平衡理論為基礎(chǔ)展開的。該理論認(rèn)為橫向加固范圍要大于塑性圈才能保證土體穩(wěn)定[15]。有研究表明，根據(jù)極限擾動平衡理論得到的橫向加固范圍通常小于工程經(jīng)驗(yàn)值，因此橫向加固尺寸若能滿足防水、土體不失穩(wěn)坍塌等要求，土體即可有足夠的安全系數(shù)以抵抗外界擾動[13]。宋克志等[15]采用極限平衡分析方法，提出了一種適用于淺埋盾構(gòu)隧道端頭土體的直線和螺旋線組合滑動面模式，并工程實(shí)例中得到驗(yàn)證。丁萬濤等[5]提出擾動極限平衡理論不適用于計算深徑比(H/D)小于2的淺埋隧道橫向加固范圍，而依據(jù)Terzaghi圍巖壓力理論確定橫向加固范圍更為合理。工程中也存在按照經(jīng)驗(yàn)確定加固厚度的方法[16-18]。

可以看到，目前理論研究都是基于傳統(tǒng)理論對不同地層及工況條件下的理論模型進(jìn)行優(yōu)化。隨著盾構(gòu)施工工況的復(fù)雜化(如地下水作用等)，單純的理論分析法已無法滿足施工需求。因此當(dāng)前研究的方向主要以理論分析為基礎(chǔ)，通過仿真模擬及工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法對不同工況條件下縱向、橫向合理范圍進(jìn)行界定。

2 端頭加固取值范圍研究

2.1 縱向加固范圍

由于盾構(gòu)隧道的施工環(huán)境(諸如隧道埋深、刀盤直徑、盾構(gòu)機(jī)長度、地層條件等因素)存在不同，因此實(shí)際施工中端頭縱向加固范圍往往存在較大差異，諸多學(xué)者通過工程類比、數(shù)值模擬、解析法等方法對結(jié)果進(jìn)行分類總結(jié)，對不同施工條件下盾構(gòu)端頭縱向加固范圍進(jìn)行研究。

江玉生等[19]提出盾構(gòu)始發(fā)端頭加固范圍的驗(yàn)算結(jié)果應(yīng)根據(jù)地層、盾構(gòu)機(jī)長度、土體強(qiáng)度及整體綜合確定。若地層自穩(wěn)性較差且地下水影響較大時，盾構(gòu)接受端縱向加固長度應(yīng)為盾構(gòu)主機(jī)長度+(2～3)環(huán)管片長度，始發(fā)端應(yīng)取主機(jī)長度加(1.5～2) m和強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果中的大值。王天明等[20]以端頭加固基本理論為依據(jù)，提出縱向加固長度確定原則，若端頭加固僅考慮土體穩(wěn)定性，縱向加固長度需滿足土體穩(wěn)定性要求；若需同時考慮土體穩(wěn)定性與止水性，縱向加固長度應(yīng)為盾構(gòu)機(jī)長度+(1～2)倍管片環(huán)寬度。辛振省等[21]通過數(shù)值模擬結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，找出了加固范圍和加固效果的定性關(guān)系曲線，并提出存在同時保證安全性與經(jīng)濟(jì)合理性的最優(yōu)加固范圍值點(diǎn)。張建新等[22]通過理論計算與數(shù)值模擬結(jié)合對比，得出天津軟土地區(qū)端頭加固合理范圍為8.2～11.5 m；而胡新朋等[17]認(rèn)為軟土地層條件下盾構(gòu)始發(fā)及接收端合理加固范圍可統(tǒng)一為3.5 m；雷金山等[12]認(rèn)為砂卵石地層條件下，盾構(gòu)端頭土體縱向加固范圍可取1～1.5倍洞徑；侯永峰等[23]對砂土層加固范圍數(shù)值模擬得出縱向深度8 m的結(jié)論。李大勇等[24]結(jié)合多年施工經(jīng)驗(yàn)及理論分析得出一般地層始發(fā)加固長度6 m，到達(dá)加固長度不小于3 m的結(jié)論。但粉細(xì)砂地層條件下始發(fā)段加固長度應(yīng)增加至10 m，到達(dá)端應(yīng)為9 m。程盼盼等[13]認(rèn)為對北京地區(qū)粉質(zhì)黏土層，土體加固長度大于2 m即可滿足穩(wěn)定性要求。曹成勇等[14]認(rèn)為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層加固長度至少為7.43 m。孫振川、唐志強(qiáng)等[18,25]認(rèn)為富水軟土地層中，縱向加固長度應(yīng)該為盾構(gòu)主機(jī)長度+(1.0～1.5 m)，而當(dāng)始發(fā)端頭在地下水位下的，縱向加固長度應(yīng)該為盾構(gòu)主機(jī)長度+(1.5～2.0 m)。吳韜、韋良文[4,6]認(rèn)為，當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)相對較小時(如黏土)，到達(dá)端加固長度可取3.5 m；當(dāng)滲透系數(shù)較大時(如砂層)，且隧道處于地下水以下時，縱向加固長度則為盾構(gòu)主機(jī)長度+(1.0～1.5 m)。張成[26]根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)砂性土縱向加固長度一般為盾構(gòu)長度+(1～1.5 m)，廣州、深圳、上海、西安地鐵一般取7.5～8.5 m。吳波等[27]發(fā)現(xiàn)始發(fā)加固范圍大小一般為縱向8 m，橫向3m。Xiaojun Zhou等[28]認(rèn)為富水砂層縱向加固長度為12 m效果最好。Zeng Hui等[29]認(rèn)為盾構(gòu)端頭為不含水地層時，縱向加固長度為3 m即可同時滿足強(qiáng)度及變形要求。不同地層條件下縱向加固范圍建議值如表1所示。

表1 不同地層條件下縱向加固范圍建議值

根據(jù)國內(nèi)盾構(gòu)端頭土體加固經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究，盾構(gòu)端頭縱向加固范圍的取值方式主要有2種：

(1)不考慮盾構(gòu)機(jī)長度、隧道洞徑等因素，僅依據(jù)地層情況的不同，端頭土體加固長度一律取為定值或明確的數(shù)值范圍。

(2)考慮盾構(gòu)始發(fā)洞門處地下水作用時，從加固端地層穩(wěn)定性及止水性考慮，可取盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度+長度范圍(根據(jù)地層情況取值)。

綜上所述，盾構(gòu)端頭縱向加固范圍仍以工程經(jīng)驗(yàn)為主，理論分析計算為輔。隨著未來施工環(huán)境的逐步復(fù)雜化，富水環(huán)境及地下水位線下的盾構(gòu)端頭縱向范圍將是下一步的研究方向。

2.2 橫向加固范圍

盾構(gòu)端頭土體橫向加固主要是以止水和維持圍巖穩(wěn)定為目的。張慶賀[3,30]通過計算并結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)例，總結(jié)出盾構(gòu)端頭土體橫向加固最小尺寸范圍(表2、 圖1)，其他學(xué)者[13,20-21,24,31-32]相關(guān)研究也基本依據(jù)該表成果，故其他學(xué)者結(jié)論不再贅述。數(shù)值模擬研究是橫向加固范圍研究的新方向，但經(jīng)驗(yàn)類比法也能夠滿足當(dāng)前施工需求，故數(shù)值模擬法少有人使用。

表2 橫向最小加固尺寸范圍 單位：m

圖1 橫向加固范圍示意

3 端頭加固方法研究

3.1 地層加固常用工法

目前盾構(gòu)端頭常用的地層加固方法有注漿法、SMW法、旋噴樁或攪拌樁法、凍結(jié)法、降水法等[20]，除此之外還有各類組合加固法。

3.1.1 降水法

降水法適用于地下水位比較高、透水性比較強(qiáng)的地層[20]，具有井點(diǎn)布置靈活、施工速度快且造價低等特點(diǎn)。但降水法在某些土質(zhì)條件下，會造成地基沉降甚至失穩(wěn)坍塌，同時還受到降水深度、周邊環(huán)境等因素影響，因此常在地層較好，周邊環(huán)境適宜時采用[33]。同時由于其不能提高土體強(qiáng)度，因此僅能作為輔助措施。

3.1.2 注漿加固法

注漿加固法適應(yīng)于埋深較大、地表加固困難的砂質(zhì)地層、砂礫層，以及地層存在斷層區(qū)域[34]。當(dāng)?shù)貙訔l件較好時，也可對水量不大的地段進(jìn)行止水加固[24]；由于注漿材料及施工方法靈活多變，該方法經(jīng)濟(jì)性及可施工性好。但注漿法加固后土體強(qiáng)度差別大、均勻性差[35]，單獨(dú)使用時可靠性不高，且不適用于泥水平衡盾構(gòu)[34]。

3.1.3 旋噴樁/攪拌樁法

旋噴樁法適用于淤泥、粉土、黏土、砂性地層等大部分地層，具有地層加固范圍可控、止水性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。同時其設(shè)備輕便，施工所需場地小，施工方法簡單[24,35-36]。但其后期強(qiáng)度高，易造成盾構(gòu)掘削困難，且工程造價較高。與旋噴樁相比，攪拌樁法存在加固不連續(xù)、加固體強(qiáng)度偏低，砂層加固效果差等缺點(diǎn)，需與旋噴樁等工法配合使用。

當(dāng)盾構(gòu)穿越地層存在含水流砂層、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，或隧道上方存在填石層、地下管線、地下水流速大等難以成孔的地層時，不宜使用旋噴樁及攪拌樁[34]。

3.1.4 SMW法(Soil Mixing Wall)

SMW工法適用于無流動地下水的飽和松散砂土、軟黏土、淤泥、粉土等地層[35]。該方法加固土體質(zhì)量好、對土體擾動小、成樁效果好且樁體連續(xù)、止水性好，在場地比較狹小和地下管線復(fù)雜的情況下,該方法具有一定的優(yōu)勢及應(yīng)用前景[37]。但該方法工程造價高，不適用于上軟下硬地層[34]端頭加固施工。

3.1.5 凍結(jié)法

凍結(jié)法適用于各類淤泥層及含水量一定的松散砂層、砂礫層、巖土層，尤其適合受地下水影響大、土體強(qiáng)度低，且具流變性的上海等軟土地區(qū)[38]，當(dāng)遇到地下動水、水頭不太高的承壓水時，可以優(yōu)先考慮凍結(jié)法。采用凍結(jié)法形成的凍結(jié)土體止水效果好且強(qiáng)度高，同時還具備加固土體強(qiáng)度均勻性好、加固范圍可控等特點(diǎn)[39]。但該方法不適用地下水流速大(大于10 m/d[34])或含水量過低(小于2.5%[24])的地層，在這些底層中凍結(jié)壁形成困難。同時凍結(jié)過程會產(chǎn)生凍脹和融沉效應(yīng)，對地表及周邊建(構(gòu))筑物影響較大[24]。此外施工工期長、造價也是限制其應(yīng)用的缺點(diǎn)。

3.2 地層組合加固工法

隨著施工環(huán)境的逐漸復(fù)雜化，考慮到苛刻的地層、場地條件，及逐漸增加的隧道埋深及盾構(gòu)直徑，單一的端頭加固方法已無法滿足盾施工進(jìn)度、施工便捷性及安全性等方面要求。王文燦[40]以天津地鐵富水粉質(zhì)黏土地層條件為例，驗(yàn)證了采用凍結(jié)法+水平注漿加固組合方案的合理性。古小輝等[41]考慮到高埋深富水砂層中采用傳統(tǒng)水泥樁存在較大風(fēng)險，提出了凍結(jié)水泥土樁的加固法，并通過數(shù)值模擬進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著凍結(jié)溫度的降低加固土體的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。胡俊[42]、潘榮凱等[43]針對南京地區(qū)的富水砂性地層實(shí)際工程，驗(yàn)證了三軸攪拌樁+垂直凍結(jié)的加固方式的可行性。劉建鵬等[44]在接收端存在敏感建筑物無法采取地面加固的情況下，采用管棚注漿+水平凍結(jié)加固方式，最終地表建筑物最大沉降量為2.6 mm，加固效果良好。韓林等[45]采用三重管高壓旋噴樁，并結(jié)合素地連墻止水帷幕+降水井加固的組合方法，并輔以垂直凍結(jié)加固技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)濟(jì)南地區(qū)富水砂卵石地層的盾構(gòu)水下接收。楊濤[46]針對南寧地鐵富水圓礫地層易發(fā)生流砂、涌水事故情況，提出采用混凝土連續(xù)墻+袖筏管注漿+井點(diǎn)降水的端頭加固方案，實(shí)施效果良好。姚印彬[47]為解決淺附土強(qiáng)透水砂卵石地層條件下大直徑泥水盾構(gòu)接收難題，采用塑性混凝土連續(xù)墻+RJP超高壓旋噴樁+端頭垂直凍結(jié)的加固方案，保證了盾構(gòu)出洞的安全。翟志國等[48]為解決富水粉質(zhì)地層條件下大直徑盾構(gòu)快速接收問題，采用U字形地下連續(xù)墻、超深三軸攪拌樁及RJP超高壓旋噴加固地層相結(jié)合的方式，輔以降水井，提高了接收井端頭加固區(qū)的整體穩(wěn)定性和止水效果，為盾構(gòu)快速接收創(chuàng)造了條件。端頭土體組合加固措施如表3所示。

可以看到，根據(jù)盾構(gòu)端頭地層特點(diǎn)，充分發(fā)揮不同加固工法的特點(diǎn)優(yōu)勢，選取合適的加固方法，對保障盾構(gòu)順利始發(fā)、接收十分重要。與此同時，為進(jìn)一步保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全，加固方案常常與輔助鋼護(hù)筒技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮組合優(yōu)勢。富水地層中密閉鋼套筒+凍結(jié)法[49-50]、密閉鋼套筒+地下連續(xù)墻[51-53]等組合方式，能很大程度避免盾構(gòu)接收過程中發(fā)生涌水涌砂及地表沉降等風(fēng)險。徐錦斌等[54]針對復(fù)雜施工環(huán)境下盾構(gòu)接收高風(fēng)險問題，對接收端土體采用高壓旋噴樁+玻璃纖維筋灌注樁+垂直凍結(jié)法，并輔以鋼套筒成功實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)接收。

表3 不同地層條件下組合加固措施

從當(dāng)前端頭加固工法的發(fā)展趨勢可以看到，為了滿足施工進(jìn)度、安全及實(shí)施便捷性要求，同時從施工經(jīng)濟(jì)性上考慮，盾構(gòu)端頭加固施工方法已從傳統(tǒng)單一的端頭加固工法向多元化新型組合工法轉(zhuǎn)變，這也是未來研究的方向。

4 盾構(gòu)加固效果評價

盾構(gòu)端頭加固應(yīng)保證盾構(gòu)始發(fā)或接收過程中地層穩(wěn)定、防止地下水噴涌及掌子面失穩(wěn)坍塌[55]，故端頭加固土體應(yīng)同時滿足：①強(qiáng)度要求；②端頭土體洞門破除擾動條件下的地層穩(wěn)定性要求；③滲透性要求，特別在富水甚至承壓水地層中不發(fā)生涌水涌砂的要求。

對此，相關(guān)學(xué)者常常以加固土體的滲透系數(shù)及抗壓強(qiáng)度作為土體加固效果的評價參數(shù)。滲透系數(shù)評價指標(biāo)方面：江玉生等[19]認(rèn)為端頭加固土體滲透系數(shù)小于10-7cm/s；胡新朋等[17]提出軟土地層中加固體9孔滲水總量應(yīng)小于0.03 m3/d；而周明軍[56]則認(rèn)為加固后土體滲透系數(shù)應(yīng)小于10-8cm/s。目前西安、成都等地地鐵對端頭加固后地層滲透系數(shù)通常也以小于10-8cm/s為標(biāo)準(zhǔn)。加固體抗壓強(qiáng)度指標(biāo)研究方面也存在差異，但均不小于0.8 MPa[17,19,57]?？梢钥吹剑?dāng)前對加固土體效果評價標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，后續(xù)可進(jìn)行進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

隨著盾構(gòu)法施工的不斷推廣，工程技術(shù)人員對端頭土體加固的認(rèn)識與研究不斷深入。本文結(jié)論：

(1)目前對于盾構(gòu)端頭縱向加固范圍的確定主要還是依靠工程經(jīng)驗(yàn)以及簡化模型，對于簡單地層較為適用，但是隨著施工環(huán)境的復(fù)雜化，富水環(huán)境及地下水位線下始發(fā)接收的盾構(gòu)端頭縱向范圍將是下一步的研究方向。

(2)為滿足復(fù)雜地質(zhì)工況的需要，盾構(gòu)端頭加固施工方法已從傳統(tǒng)單一的端頭加固工法向多元化新型組合工法轉(zhuǎn)變，多元化的工法組合能充分發(fā)揮各個工法的優(yōu)勢，但是目前對組合工法的理論研究尚且不足，將是未來研究的方向。

(3)當(dāng)前土體加固效果的評價標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一，仍以施工經(jīng)驗(yàn)為主，未來可進(jìn)行進(jìn)一步研究。