地鐵盾構(gòu)進(jìn)出洞封門形式及土體改良加固技術(shù)

李 軻

（中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 100060）

盾構(gòu)法作業(yè)是現(xiàn)階段國內(nèi)地鐵隧道施工中常用的一種方法，利用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)旋轉(zhuǎn)切削土體，并在推力作用下不斷向前掘進(jìn)，從而完成地鐵隧道施工任務(wù)。相比于明挖法作業(yè)，盾構(gòu)施工具有施工效率高、對(duì)地面建（構(gòu)）筑物影響小等一系列優(yōu)勢(shì)。但是在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞口時(shí)，容易造成洞口巖石開裂、土體崩塌。因此在盾構(gòu)機(jī)作業(yè)過程中，需要在地鐵車站的端頭采取必要的封門措施；如果洞頭地質(zhì)條件較差，還需要使用土體改良加固技術(shù)，避免洞口出現(xiàn)坍塌等工程事故?；诖?，選擇合適的地鐵盾構(gòu)進(jìn)出洞封門形式以及做好洞口土體改良加固處理成為盾構(gòu)法地鐵施工管理中的要點(diǎn)。

1 地鐵盾構(gòu)進(jìn)出洞封門形式

1.1 鋼板樁封門

在盾構(gòu)法施工中，如果選擇沉井施工法建設(shè)工作井，可以用鋼板樁來封閉地鐵車站的洞口。具體操作方法分為兩種：一種是將準(zhǔn)備好的封門鋼板樁，直接嵌入到沉井內(nèi)的洞圈中，并使用水泥漿砌筑的方式予以加固。該方法適用于盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞速度較快的情況，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要快速、方便的完成封門，然后共同下沉到施工位置；另一種則是先將沉井預(yù)留的洞口進(jìn)行封閉，等到下沉到施工位置后，從靠近沉井外側(cè)井壁的一側(cè)打入封門鋼板樁，完成封門，見圖1。

圖1 鋼板樁封門示意圖

1.2 型鋼水泥土攪拌樁封門

結(jié)合地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，如果工程施工區(qū)域存在地下水豐富并且?guī)r層裂隙發(fā)育等特點(diǎn)，則需要使用SMW（型鋼+水泥攪拌樁）工法封門。緊貼著工作井的外側(cè)井壁，從地面開始垂直向下鉆孔，保證鉆孔深度超出掘進(jìn)設(shè)備基座的標(biāo)高。鉆孔過程中，使用專門的多軸攪拌機(jī)切削土體，使土體變得松軟、多孔，同時(shí)注入水泥漿。在鉆頭的旋轉(zhuǎn)作用下，使得水泥漿和土體充分混合。在水泥土混合物尚未完全硬結(jié)時(shí)，將一根H 型鋼插入到鉆孔內(nèi)。等到水泥土混合物硬結(jié)以后，形成的SMW 工法樁不僅具有較大的強(qiáng)度，起到了支撐、加固洞口的效果，而且還具有較強(qiáng)的防水抗?jié)B能力[1]。SMW 工法樁即可適用于盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí)的封門處理，也可用于出洞時(shí)的封門處理，是一種常用的車站隧道洞口及周邊土體加固技術(shù)。

1.3 地下連續(xù)墻封門

在地鐵隧道工程中，如果選擇地下連續(xù)墻法建設(shè)工作井，那么盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞時(shí)可以選擇地下連續(xù)墻封門。具體施工方法如下：根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙，提前開挖導(dǎo)墻槽，進(jìn)行槽底、槽壁的整平處理后，向?qū)Σ蹆?nèi)澆筑混凝土。根據(jù)地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)寬度，確定內(nèi)導(dǎo)墻與外導(dǎo)墻之間的間隔距離。在地下連續(xù)墻施工時(shí)，按照逐段挖槽、分段注漿的方法進(jìn)行作業(yè)，直到開挖到設(shè)計(jì)深度。將鋼筋籠放入槽內(nèi)，固定后開始澆筑混凝土，并替換原來的泥漿，等到混凝土凝固后即可得到鋼筋混凝土地下連續(xù)墻。成型后地下連續(xù)墻有較大的剛度，可以保證盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)出洞時(shí)不會(huì)對(duì)洞口造成破壞；同時(shí)由于地下連續(xù)墻是一個(gè)覆蓋范圍較廣的整體，也能確保洞口周圍土體的穩(wěn)定性。地下連續(xù)墻與內(nèi)襯相結(jié)合，還能發(fā)揮理想的阻水效果，也是地鐵隧道盾構(gòu)進(jìn)出洞封門中常用的一種形式，見圖2。

圖2 地下連續(xù)墻封門示意圖

2 地鐵盾構(gòu)進(jìn)出洞土體改良加固技術(shù)

2.1 注漿加固技術(shù)

在洞口土體松軟、巖層裂隙發(fā)育的情況下，選擇注漿加固技術(shù)能夠顯著提升洞口巖土結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，對(duì)預(yù)防局部塌陷有顯著效果。注漿加固處理的技術(shù)要點(diǎn)如下：首先是整平作業(yè)面，并按照設(shè)計(jì)方案測(cè)量放線，標(biāo)記出各個(gè)注漿孔的位置。其次利用鉆機(jī)垂直于作業(yè)面向下鉆孔，至設(shè)計(jì)深度?，F(xiàn)場(chǎng)制備水泥漿，將水泥漿倒入注漿泵中，設(shè)置好注漿壓力等參數(shù)。注漿管的一端連接注漿泵，另一端插入鉆孔內(nèi)。啟動(dòng)設(shè)備后，加壓到設(shè)定好的壓力，然后打開注漿管口向鉆孔內(nèi)壓入漿液。在壓力作用下，水泥漿會(huì)滲透到土壤顆粒間或巖石裂隙中，起到了填充空隙、封堵裂縫的效果。等到水泥漿液凝固后，洞頭土體的強(qiáng)度、剛度、抗?jié)B性均可以得到不同程度的加強(qiáng)。注漿加固法的示意圖，見圖3。

圖3 注漿加固法示意圖

2.2 深層攪拌樁加固技術(shù)

該技術(shù)主要適用于軟土地基的土壤改良加固，經(jīng)過技術(shù)處理后還能發(fā)揮防水、防流沙的效果，對(duì)提高洞口土體穩(wěn)定性有顯著效果。在隧道洞口使用深層攪拌樁改良加固土體時(shí)，選擇水泥和添加劑（通常為固化劑、減水劑），將兩者按照一定比例混合后加入清水充分?jǐn)嚢瑁玫剿酀{。然后利用專門的設(shè)備一邊切削土體一邊注入泥漿，讓原位土和水泥漿能夠充分混合，凝結(jié)固化后得到樁體或墻體[3]。深層攪拌樁加固的流程見圖4。

圖4 深層攪拌樁加固示意圖

結(jié)合上圖可知，在深層攪拌樁施工中依次經(jīng)過預(yù)攪、攪拌、復(fù)攪等工序，通過反復(fù)多次的攪拌，保證了水泥漿與原位土之間可以充分的混合，這樣形成的攪拌樁整體性更好，凝固后可以獲得更強(qiáng)的承載力和穩(wěn)定性。

2.3 凍結(jié)加固技術(shù)

該技術(shù)適用于含水量較高、流變性較強(qiáng)的淤砂層、礫石層等地質(zhì)條件下。在作業(yè)面上測(cè)量放線，按照設(shè)計(jì)方案確定凍結(jié)管的位置。首先從地面開始鉆孔，保證孔徑大于凍結(jié)管直徑2～3 mm。然后自上而下插入凍結(jié)管，確保凍結(jié)管的下端伸入到冰凍拱棚中。在凍結(jié)管的作用下，冰凍拱棚內(nèi)的土體因?yàn)闇囟瘸掷m(xù)降低，土壤中的水分開始結(jié)冰，形成了凍結(jié)加固土體，強(qiáng)度和剛度均有明顯提升。這樣在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞口時(shí)，就不容易出現(xiàn)凍土土體變形或坍塌的情況。凍結(jié)加固施工示意圖見圖5。

圖5 凍結(jié)加固法示意圖

在應(yīng)用凍結(jié)加固技術(shù)時(shí)，由于土體中水分結(jié)冰析出導(dǎo)體土體發(fā)生不同程度的膨脹，可能會(huì)引起地表變形。因此在工程實(shí)踐中，可以配合使用熱水循環(huán)、強(qiáng)制消凍等措施，在滿足洞口土體改良加固效果的前提下，盡量避免土體變形問題的發(fā)生[4]。

2.4 降水加固技術(shù)

該技術(shù)同樣適用于土質(zhì)松軟且含水量較高的地質(zhì)條件。相比于凍結(jié)加固技術(shù)，該方法的操作更加簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低，在巖土結(jié)構(gòu)較為完好的洞口土體改良加固中有著廣泛的應(yīng)用。降水加固施工的主要步驟為：探明施工區(qū)域的地質(zhì)情況后，從地面鉆井，保證降水井的深度低于地下水3～5 m。在重力作用下，地下水逐漸匯集到降水井內(nèi)。降水以后，原本松軟的土體在重力擠壓作用下變得密實(shí)，從而達(dá)到加固效果。根據(jù)地下水含量的不同，可以靈活設(shè)計(jì)降水井的位置和布設(shè)密度，保證取得理想的降水加固效果[5]。在工程實(shí)踐中，使用降水加固技術(shù)可能會(huì)引起地表的沉降，因此對(duì)于降水加固方案應(yīng)當(dāng)開展充分論證后方可使用。

2.5 置換土層加固技術(shù)

如果盾構(gòu)進(jìn)出洞口的土體以淤泥質(zhì)等不良土體為主，采用上述的加固處理技術(shù)不僅很難取得理想的改良加固效果，而且還會(huì)導(dǎo)致施工成本的上漲。這種情況下可以選擇置換土層加固技術(shù)，直接將盾構(gòu)進(jìn)出洞口周圍的不良土體全部挖出，然后重新填入穩(wěn)定性良好的礫石、素土，并使用工具或設(shè)備夯實(shí)，得到新的穩(wěn)定的土體。根據(jù)置換材料的不同，又可將該技術(shù)分為土層置換、砂石置換、復(fù)合土置換等類型[6]。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，需要根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果確定不良地質(zhì)的范圍，然后在邊緣處打入分隔樁或修建隔墻，將不良地段與其他地段隔離開來，這樣在隔墻內(nèi)部就形成了回填區(qū)域。然后使用挖掘機(jī)將不良土體挖出，并按照分層回填、層層壓實(shí)的方法，將新的粘土、礫石或復(fù)合土回填。

3 盾構(gòu)進(jìn)出洞封門與土體加固技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

某市地鐵3 號(hào)線II 期工程共有一站兩區(qū)間，車站整體呈南北向布置，全長(zhǎng)967.4 m。結(jié)合地質(zhì)勘查資料，自上往下土體類型主要為人工雜填土（厚度1.9 m）、粉質(zhì)粘土（厚度2.6 m）、黃褐色細(xì)中砂（厚度3.3 m）、雜色密實(shí)卵石（厚度2.6 m）。另外測(cè)得該工程地下水可分為2 層，第一層水位埋深7.2～14.1 m，水位標(biāo)高23.6～26.8 m；第二層水位埋深7.1～23.3 m，水位標(biāo)高12.5～14.0 m，為潛水。根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果，技術(shù)人員綜合對(duì)比各類洞口封門形式和土體改良加固技術(shù)，最終選擇SMW 工法封門，該方法的機(jī)械化程度較高，由型鋼與混合土體相結(jié)合形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠大幅度加強(qiáng)洞門穩(wěn)定性，為盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)出洞提供了良好條件。洞口土體改良加固采用了注漿加固技術(shù)，在始發(fā)端加固厚度為6.6 m，在接收端加固厚度為8.3 m，加固長(zhǎng)度統(tǒng)一設(shè)定為15 m。完成加固處理后測(cè)量洞口兩側(cè)圍巖的抗壓強(qiáng)度，達(dá)到了1.1 MPa，滲透系數(shù)＜1×10-8cm/s，很好地滿足了施工要求。

4 結(jié)論

地鐵隧道的盾構(gòu)法施工中，洞口封門與周邊土體加固是施工管理的重點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和水文地質(zhì)特點(diǎn)，選擇鋼板樁或SMW 工法樁等封門方法，可以保證盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)出洞口時(shí)不會(huì)出現(xiàn)洞口變形等問題。除此之外，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞口也容易對(duì)周邊土體造成擾動(dòng)，特別是遇到富水的軟土地質(zhì)或者巖層裂隙發(fā)育的地質(zhì)，還有可能發(fā)生坍塌事故。采用注漿加固法或凍結(jié)加固法，能夠有效提升土體穩(wěn)定性，從而切實(shí)保障地鐵隧道施工的順利和安全進(jìn)行。