盾構始發地基加固土數值分析及安全保證措施

李建平

(騰達建設集團股份有限公司，浙江 臺州 318050)

1 工程概況

杭州地鐵一號線下沙西站～下沙中心站區間從下沙西站開始，沿九沙大道抵達下沙中心站。本段區間隧道穿越地段為待開發區，主要為農田和民居，場地開闊，區間隧道長度在1 071 m左右，隧道頂埋深9.3 m ～17.3 m，盾構始發處隧道覆土為9.3 m。盾構主要穿越的土層為:③2砂質粉土、③3粉砂夾砂質粉土、③4砂質粉土、③5粘質粉土。盾構底座坐落在③4砂質粉土、③5粘質粉土。盾構始發段位于③2砂質粉土、③3粉砂夾砂質粉土中。本次盾構始發加固范圍，厚度和寬度為隧道預留洞口外側上下左右各3.0 m，均為12.2 m。始發處加固區的長度為出洞口向外9 m，接收處加固區長度為洞口向外6 m。

2 數值模擬及加固效果分析

利用ANSYS軟件分析加固土體在洞門破除及盾構機經過后的應力分布，以便較能直觀的反映出應力大小、受力薄弱環節和盾構穿越后加固土體強度能否達到自立，根據此決定盾構始發采取的加固形式以及樣洞開孔位置和盾構同步注漿最佳開始時間。

對整個加固土進行分析對象，考慮到盾構接收處加固長度比始發時加固長度短，為6 m，故對加固板塊厚度取6 m。采用Solid45單元模擬加固土體，加固土體按照彈性體考慮。由于不同土層在加固后的特性對本工程分析影響結果不大，故按照同一土層考慮，土的容重為19 000 N/m3。按照如圖1所示尺寸建立模型。

圖1 建模尺寸圖

模型上部受土壓力為19 000 N/m3×6.3 m=119 700 Pa，左右兩側側向土壓力呈梯形分布，為計算簡化成均部荷載，由于此處土的靜止側向系數取0.49，故左右兩側和背部土的側向應力為[19 000 ×6.3 ×0.49+19 000 ×(6.3+12.2) ×0.49]/2=115 444 Pa。地下水位為地表下1 m，故水對上部的壓力 =10 000×5.3=53 000 Pa，水產生的側向壓力為 10 000 × (5.3+12.2/2)=114 000 Pa。模型下端施加豎直方向的約束，正面在洞門圈外部面施加前后方向的約束。模型材料取水泥土計算，彈性模量為5.1e9 Pa，泊松比為0.2，密度為2 100 kg/m3。模型如圖2 所示，可以模擬出洞門板塊割除后的受力情況。圖3為破除洞門后加固土體的等效應力圖，可以看出最大應力在洞門圈下部，為0.33 MPa左右。故在打樣洞的時候，在周圍和下部必須進行探孔。

圖2 有限元分析模型

圖3 洞門破除后等效應力圖

然后利用單元殺死命令把盾構機穿越后的土體單元殺死，模擬盾構機經過加固土體后的應力情況。圖4顯示盾構完全進入加固土后最大值在洞門圈的兩側，約為0.51 MPa。如果加固土體強度大于0.51 MPa時，可以判斷盾構機通過后，加固土也不會坍塌，故同步注漿可以在盾尾即將通過加固土體時開始也是可行的。

圖4 盾尾穿越后等效應力圖

端頭土體的穩定是盾構機始發和到達的一個關鍵，端頭塌方在盾構施工事故中最為常見，端頭土體加固的成功與失敗直接影響到盾構機能否安全始發、到達。盾構洞門打開后必須防止洞口掌子面坍塌以及掘進過程中的水土流失，以確保盾構始發和到達施工區的安全。因此，必須重視端頭土體加固方案的研究和加固質量的控制，合理選擇盾構加固的施工方法[1]，端頭加固方法主要有:注漿加固、深層攪拌樁、素混凝土墻旋噴樁等化學加固方法，還有井點降水、凍結等物理加固方法[2]。本工程中根據始發和到達端頭工程地質、水文地質、地面建筑物及管線狀況和端頭結構以及數值分析結果等綜合分析與評價決定采用旋噴樁加攪拌樁結合的加固方法，與地下連續墻相連的土體采用1排旋噴樁，其余部位采用攪拌樁加固。加固范圍主要采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁，攪拌樁與地下連續墻相連的土體采用φ800 mm雙重管旋噴樁進行填補加固。

本工程加固區域的工程地質情況為:③2粘質粉土、③3粘質粉土夾淤泥質粉質粘土，采用深層水泥攪拌樁加固進行進出洞口地層加固，圍護墻(地下連續墻)與攪拌樁之間約0.5 m的夾層采用了雙重管旋噴樁加固。水泥攪拌機選用ZDK－850型三軸攪拌機。每根攪拌樁樁長為12.2 m，攪拌下沉噴漿用時17 min左右，平均速度為12 mm/min，攪拌提升噴漿用時8 min左右，平均速度為25 mm/min。水泥漿水灰比為1.5，水泥摻入比在20%左右。一根樁的水泥用量在4.2 t～6.5 t之間。攪拌樁施工完畢，在攪拌樁與連續墻1 m左右的夾層采用旋噴樁加固，樁徑為800 mm，搭接200 mm，噴漿壓力控制在25 MPa～30 MPa之間，空氣壓力控制在0.7 MPa，旋噴提升速度為15 cm/min。成樁深度為12.2 m，水泥用量在2.7 t～3.5 t之間。加固完畢，3個月后對其進行取樣分析，試塊強度在3 MPa～4 MPa之間，最大值為5.8 MPa，遠遠大于數值計算結果0.51 MPa，也遠遠大于設計要求的1 MPa～1.2 MPa。始發施工端頭土體加固的目的是提高土體的自立性、防水性和一定的強度，但是加固的強度不能太高，否則會給大刀盤切削帶來困難，引起機器的故障并影響工程的進度。根據本工程始發后盾構在加固區中的推進較困難這一情況判斷，攪拌樁的水泥摻量可能偏大，在以后類似的工程中考慮減少水泥摻量。

3 樣孔探測及加固土體后期處理技術分析

在洞門鑿除前，要從洞門圈內向加固土體中打探孔，探明地基土的加固效果。如果沒有異常情況方可進行洞門混凝土的鑿除。本工程在洞門鑿除前，先在洞門圈內上下各開一個樣洞，上部樣洞沒有異常情況，下部樣洞有泥沙涌出(與數值計算下部應力大于上部應力的結果也相符)，發現這一情況立即對流沙樣洞進行封堵。由此判斷可能加固區存在滲水通道，決定采用在地面上分層注漿的措施進行處理。

在槽壁外旋噴樁加固區域，每隔1.5 m共6個點進行分層注漿，注漿深度為地面下17 m。由于注漿位置經過旋噴樁加固，盡管可能存在滲水通道，但是大部分土體已經過旋噴樁處理，漿液無法注入到土體，導致漿液從鉆孔和芯管之間的間隙溢出，甚至把芯管頂出，分層注漿措施效果不理想。

最后采用降水與端頭地層加固的“雙保險”施工方法[3]。如圖5所示，剛開始布置了6口降水井(1號～6號)，管井設計深度為24 m，采用PVC管，井管直徑為300 mm，潛水泵流量為3 m3/h。抽水一段時間后，井內液位穩定在地面下8 m左右時，再難以下降，后又增加兩口鋼管井(7號、8號)。同時7口井進行真空抽水，另外一口作為觀測井，在盾構始發前，井內液位穩定在地下16 m，此后，觀測井也作為抽水井進行真空抽水。

圖5 降水井平面布置圖

水位降到洞圈以下后，完全破除洞門前又呈“米”形開了9個探孔，最下部探孔仍有較混濁的水滲出，但較先前情況大大改善。整體情況較理想，下部存在一滲水通道，由于進行降水[4]，并沒有出現滲漏，可見降水在本工程中起到了很大的作用。

從這些處理措施上看，地面分層注漿效果不是很理想。原因是土體已經進行過加固，本次注漿的漿液不能完全滲入到加固土體內，僅部分旋噴樁不連續處可以注入。水平注漿效果也不甚理想，當壓力提高時，容易造成洞門板塊開裂。故出洞地基加固是控制的重點，對攪拌樁及旋噴樁施工的一些參數、水泥用量必須進行強有力的監控，后兩種加固方法只能作為補救措施。由于在砂性土中出洞，地層含水量大，洞門破除后可能在水泥土樁的搭接處形成滲水通道，故條件允許的前提下，進行降水是非常有效的出洞安全控制措施。

4 結語

1)通過有限元分析軟件ANSYS計算加固土體的應力結果看，如果加固土體強度大于0.5 MPa時，可以判斷盾構機通過后，加固土也不會坍塌，故同步注漿可以在盾尾即將通過加固土體時開始也是可行的。

2)出洞地基加固施工質量控制至關重要，尤其是加固土體的均勻性，避免部分地方強度過高，而部分區域存在漏加固，出現滲水通道。

3)在條件允許的前提下，盾構進出洞進行降水是非常有效的進、出洞安全控制措施。

4)如果盾構機的同步注漿管是外置式，注漿管處與橡膠止水簾布的密封是薄弱環節，故在四個注漿管的位置用插板代替鉸鏈板，盾構機殼體進入到洞門圈時，及時調整插板位置，盾構機盾尾進入后再一次調整插板，時刻控制此位置的間隙量。筆者了解到部分工程，盾構出洞時出現前方土體漏泄多發生在此部位，故筆者建議條件允許的情況下，盾構機采用內包式注漿管為宜。

[1] 王圣濤，石雷孫，成 山.深孔注漿技術在盾構始發端頭土體加固施工中的應用[J].廣東科技，2009(208):205－206.

[2] 潘 茜，王麗麗.盾構區間端頭加固的設計探討[J].山西建筑，2009，35(1):345，353.

[3] 王吉華.土壓平衡盾構始發掘進施工技術[J].山西建筑，2009，35(9):335－336.

[4] 胡耀輝，劉純凈，史輝映，等.盾構在砂質粉土層中進出洞的施工技術[J].市政技術，2008，26(3):223－226.