富水地層盾構端頭加固方式與工藝研究

周曉華，何 冬，楊 平*

(1.江蘇省南京重大路橋建設指揮部，南京 210033；2.南京林業大學 土木工程學院，南京 210037)

盾構端頭加固是盾構始發、接收技術的一個重要環節，端頭加固的成功與否，直接關系盾構的安全[1]。盾構的始發與接收是盾構施工中風險最大的環節，其主要風險是在盾構始發與接收過程中要進行洞門鑿除，在洞門鑿除階段極易發生坍塌、涌砂涌水等事故，主要原因在于加固體自身強度不夠，難以滿足抗滑移剪切的要求；加固體不連續，局部出現滲漏；加固體節點處理不理想，特別是圍護樁與加固體之間的間隙處理、不同工法的界面處理等[2]。

處于軟弱富水土層中的洞門，由于地層土體具有含水量豐富、富水性良好、滲透性好等特點，為確保盾構始發與接收的安全，選擇合適的端頭加固方式尤為重要[3]。本文依托南京寧和城際軌道交通NH-TA05標新梗街站端頭加固工程實踐，針對軟弱富水土層實際地質條件，提出合理的盾構端頭加固方式及工藝。

1 工程概況

南京寧和城際軌道交通土建施工NH-TA05標天河路站～新梗街站盾構井區間隧道工程起于江東南路(規劃)和雙閘接(規劃)交叉口的天河路站，線路出天河路站后，向南下穿雙龍路、恒河路、塘、雙閘村民房、中心路、中心河后到達淮河路(規劃)與新梗街(規劃)交叉口的新梗街站。區間最小曲率半徑R=350 m，左右線間距13.5～18.5 m。區間設計起點里程YCK11+677.6，終點里程YCK12+445.300，區間全長1537.40 m。

新梗街站洞門底部埋深約15.82 m，所處地層主要為粉細砂層，其地質分布圖如圖1所示。端頭地下水屬孔隙承壓水，穩定水位埋深3.26 m，標高+2.67，具微承壓性，年變幅一般在1.0～1.5 m左右，地下水對混凝土結構腐蝕性為微腐蝕性，隔水底板為下浮巖層，厚度約為30～50 m。車站端頭加固范圍內無相關管線及敏感性構筑物，工程環境較好。

圖1 盾構接收端頭地質分布圖

2 盾構端頭加固技術方案

2.1 端頭加固方案選擇

端頭加固施工方法很多，采取的施工方式主要取決于工程地質條件。工法選擇不當，會使加固效果達不到設計要求，不僅導致外部水土流失、坍塌等風險，還會造成工程造價成倍增加[4]。

下面主要針對軟土地層、砂性土層、巖石層三類巖土討論各自適用的加固方式。

(1)軟土地層。軟土具有高含水量和高孔隙性、滲透性弱、抗剪強度低、壓縮性高、顯著的觸變性和蠕變性、且層與層之間的物理力學性質相差較大等特點。在軟土地層中，目前盾構隧道端頭常用的加固方式有SMW工法樁+高壓旋噴樁，水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁，高壓旋噴樁等。當受周圍環境限制不能進行上述加固方法時，可采用人工凍結法進行地基加固[2]。但要注意控制土體的凍脹與融沉以及盾構在通過凍結區時不能停留以防刀盤被凍住這兩個問題[5-6]。

(2)砂性土層。砂性土層所具有的特點有滲透系數大、抗剪強度高、粘聚力小、容易排水固結等[7]。在盾構始發與接收工程中，由于該類土層具有滲透系數大，易被地下水沖蝕的特點，地基處理難度很大，尤其在高水壓砂性土層中，若地基加固處理效果不好，在水頭壓力的作用下，特別容易發生涌水、涌砂等工程事故。在砂性土層中盾構隧道端頭加固可采用的加固方式有深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工水平凍結，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工垂直凍結，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+深井降水，高壓旋噴樁+深井降水等[7]。但要注意的是深層降水井在使用前應進行試抽水試驗，以確保其能夠達到預期的降水效果；且地基加固需在深層降水井成井前完成，第一可避免高壓水泥漿液破壞降水井，第二可減少高壓水泥漿被流動水帶走[8]。

(3)巖石地層。目前在盾構始發與接收施工中經常遇到的巖石主要有砂巖、礫巖、泥巖、閃長巖和花崗巖等。巖石的成因不同決定了其強度、裂隙發育程度也各不相同。巖石類型的不同，對盾構始發與接收的施工影響也不相同，在盾構始發與接收施工中巖石裂隙的發育程度以及裂隙水的大小對施工影響尤其重大。在盾構始發與接收施工過程中遇到全斷面巖石地層時，可不進行地基加固，但當巖石裂隙較發育或者裂隙水的較大時，可采用分層注漿的方法封堵裂隙[9]。

2.2 端頭化學加固方案設計

盾構到達加固厚度為10 m，在盾構斷面位置加固范圍為隧道地板上、下3 m，隧道頂板3 m以上至地面區域為弱加固區。端頭水泥土加固采用三軸攪拌樁(樁徑為φ850 mm)加固，按300 mm搭接，強加固區樁長12.2 m，水泥摻量20%，上部弱加固區水泥摻量7%，采用p42.5級普通硅酸鹽水泥。

攪拌樁與地下連續墻之間的縫隙(300 mm)采用三重管旋噴樁(樁徑為φ800 mm)進行補加故，旋噴樁搭接為300 mm，除封口樁加固至地面，其他均由隧道地板下3 m加固至隧道頂板上，水泥采用p42.5級普通硅酸鹽。高壓旋噴樁隔空跳打(施工間隔不小于4 m)。三軸攪拌樁+三重管旋噴樁加固土體后，在端頭加固區設置應急降水井，井深22 m，井管深入隧道底下5 m。端頭加固平面與剖面如圖2所示。

圖2 新梗街站盾構接收端頭加固平面圖與剖面圖

按設計要求，土體加固后，弱加固區強度不低于原狀土的強度，強加固區土體加固強度指標：無側限抗壓強度≥0.8MPa，滲透系數≤1.0*10-7 cm/s。同時確保加固土體的均勻性、密封性和自立性。

2.3 凍結加固方案設計

由于本工程端頭處于軟弱富水土層中，考慮到攪拌加旋噴樁加固體與洞門槽壁的間隙封水，在破開預留鋼筋混凝土洞門時，防止涌砂涌水發生。保證盾構能夠安全接收，故采用地面垂直局部凍結法進行輔助地基加固。選用凍結法加固土體具有凍結壁均勻性好，與洞門槽壁結合嚴密，強度高，封水性好，安全可靠的優點[10]，適用于本工程地質條件的土體加固。

新梗街站單個洞門端頭凍結加固區域寬10.5 m，非凍結段0～6.8 m，凍結段11.8 m。布設27根凍結管，呈梅花形布置，凍結管間距850 mm，凍結管排間距800 mm，內側凍結管據槽壁400 mm；為準確掌握凍結溫度場變化情況，洞門布置3個測溫孔監測凍結壁厚度、凍結壁平均溫度、凍結壁與地下連續墻交界面溫度和凍結情況。凍結孔與測溫孔布置如圖3所示。按設計要求，積極凍結周期為30 d，凍結孔單孔流量不小于5 m3/h；積極凍結7 d鹽水溫度降至-18℃以下，凍結15 d鹽水溫度降至-24℃以下，開挖前鹽水溫度降至-28℃以下，去、回鹽水溫差不大于2℃；凍結壁與地下連續墻交界面處溫度不高于-5℃，凍結壁平均溫度低于-10℃[11]。

圖3 新梗街站盾構接收端頭凍結管與測溫管布置圖

3 盾構端頭加固施工

3.1 三軸攪拌樁施工工藝及參數配置

三軸攪拌樁樁身采用兩噴兩攪工藝，水泥與原狀土需均勻攪拌，下沉和提升過程中均為注漿攪拌[12]，同時嚴格控制下沉和提升速度，下沉速度為0.5～1.0 m/min，提升速度為0.5 m/min，設計攪拌樁為單排擠壓式連接。

為保證施工質量，必須加強施工中主要參數控制，并要求現場做到掛牌施工。施工前必須先做2～3根試樁，根據實際情況確定合理參數。擬定的三軸攪拌樁主要參數見表1。

表1 三軸攪拌樁主要技術參數

3.2 三重管旋噴樁施工工藝及參數配置

三重管高壓旋碰樁施工技術是用三層噴射管使高壓水和空氣同時橫向噴射，沖蝕切割地基土體，再借空氣和水的上升力把以破除的余土漿托舉到地表排除；與此同時，另一個噴嘴將水泥漿以較低壓力噴射注入到被切割、攪拌的土體中，使水泥土與土混合固結成樁，達到加固的目的。三重管高壓旋噴樁主要技術要求指標見表2。

表2 三重管高壓旋噴樁主要技術參數

3.2 凍結法施工工藝及參數配置

凍結法施工主要分為凍結站安裝和凍結管鉆孔施工兩部分，兩者一般同時進行。鉆孔結束后即可轉入凍結器管路連接階段，后再對土體進行凍結加固運轉。單個端頭凍結施工主要技術參數見表3。

表3 凍結施工主要技術參數

4 盾構端頭加固效果

三軸攪拌樁加固30 d后取芯檢驗，所得的芯樣連續完整，最小強度為1.46MPa，滿足設計強度的最小0.8 MPa要求；凍結加固33 d后，經驗算得最小凍結壁厚度為1.67 m，凍結壁平均溫度為-10.6℃，均滿足設計要求；在端頭洞門加固區內布設9個米字型探孔，孔深85 cm，布設探孔過程未見流水流砂且界面溫度均低于-5℃。經實踐證明，采用水泥土三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部凍結+應急降水井的端頭加固方式能充分滿足軟弱富水土層端頭接收的要求，安全性得到保證。

5 結束語

針對南京寧和城際軌道交通土建施工NH-TA05標新梗街站軟弱富水土層的地質條件，采用三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部凍結+應急降水井的方法進行端頭加固，通過現場實測結果分析得出以下結論。

(1)軟土地區，盾構隧道端頭常用的加固方式有水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁，SMW工法樁+高壓旋噴樁，高壓旋噴樁等。

(2)砂層中進行盾構隧道端頭加固，可采用的加固方式有深層攪拌樁+高壓旋噴樁+深井降水，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工水平凍結，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工垂直凍結，高壓旋噴樁+深井降水等。

(3)新梗街站端頭加固實踐中，認為在軟弱富水土層中采用水泥土三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部凍結+應急降水井的端頭加固方式是行之有效且安全可靠的。

(4)確定采用何種加固方式后，應針對地層特點選擇可靠的施工設備，確定合理的施工參數，確保施工安全。

【參 考 文 獻】

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