天津地鐵盾構始發和接收端頭加固方法及適用性研究

□文/童剛強

天津地鐵盾構始發和接收端頭加固方法及適用性研究

□文/童剛強

盾構始發和接收是盾構施工的兩個關鍵環節，合理選擇端頭加固的范圍和方法是保障盾構始發和接收施工安全首先要考慮的問題。針對天津地區軟土地層的特點，介紹了端頭加固的目的、軟土地層中端頭加固的基本要求，結合已經實施的工程實例進行了對比分析。

盾構；始發；接收端頭；加固；地鐵

盾構始發和接收前必須進行端頭土體加固，防止盾構始發和接收過程中出現土體坍塌、失穩、涌水、涌砂等事故。以往天津地鐵盾構始發和接收施工過程中，洞門漏水時常發生，這主要與天津地區地下水位高、地層透水性好有關。因此天津地鐵盾構始發和接收過程中除了考慮加固體的強度和穩定性外，加固體的止水效果應作為重中之重。

1 端頭加固的原理

1.1 端頭加固目的

盾構始發和接收施工前，需要破除原有圍護結構。為保證在破除洞門過程中，掌子面保持穩定并避免出現滲透水的情況，必須對原圍護結構背后的土體進行加固，土體的加固厚度、強度、滲透系數應滿足計算要求。

盾構始發和接收施工過程中，盾構掘進對周邊地層會產生一定的擾動，同時在盾構接收時，盾構機土倉壓力較小，不足以維持開挖面壓力平衡，為防止地表產生較大沉降或坍塌，對端頭四周一定范圍的地層也要進行加固。

1.2 強度驗算

將加固土體視為厚度為t的周邊自由支承的彈性圓板。在外側水土壓力作用下，板中心處的最大彎曲應力，按彈性力學原理求得并寫出強度驗算公式

式中：r為洞門半徑；t為加固土體的厚度；σt為加固土體的極限抗拉強度；K為安全系數；W作用于洞門中心處的側向水土壓力；μ為加固后土體的泊松比。

周邊自由支承的圓板，其支座處的最大剪力亦可按彈性力學原理求得并寫出其抗剪強度的驗算公式

式中：τc為加固后土體的極限抗剪強度。

1.3 整體穩定性驗算

洞外加固土體在上部土體和地面堆載P等作用下，可能沿某滑動面向洞內整體滑動，假設滑動面是以頂點O為圓心，洞徑D為半徑的圓弧面，見圖1。

圖1 粘土的整體穩定性驗算

對于粘土地層，假設抗滑力矩完全由土體粘聚力提供，則由土體的平衡條件可知KM=Md，則

式中：M為滑動力矩；Md為抗滑力矩；△c為改良后土體增加的粘聚力；K為抗滑安全系數；θ為加固土體與滑移面的夾角。

1.4 端頭加固范圍

1）盾構端頭上部加固范圍一般≮3 m，除了起止水和保持穩定性的作用外，還有控制地表沉降的作用。

2）盾構端頭下部及兩側加固范圍一般也在3 m左右，主要起止水作用。在軟土富水地層中，加固體與原有圍護結構之間加固不密實，極易造成盾構在始發或接收過程中出現涌水事故。

3）當在軟土富水地層中進行盾構施工時，若端頭加固的長度小于盾構機長度，水土容易沿盾殼與土體間的間隙流入盾構井。因此，在軟土富水地層中，加固體厚度，為盾構機長度，為盾構管片寬度。天津地鐵盾構始發和接收端頭加固體長度一般取11 m。

2 端頭加固的方法

2.1 攪拌加固

攪拌加固是土體改良加固常用的措施之一，在盾構端頭加固中經常被采用。該方法施工方便、速度快、造價低，主要適用于粘土、粉土，在砂性地層中加固效果較差。為保證止水效果，要求加固體與原有圍護結構密貼，而攪拌樁不能實現，因此攪拌加固需要其他加固方式配合使用，如旋噴加固、注漿加固等。

2.2 旋噴加固

旋噴加固在盾構端頭加固中應用也比較多，使用在粘土、粉土地層，對密實砂層加固效果較差，一般施工深度不宜超過25 m。該方法施工方便、速度快、造價較攪拌加固較高，能較好地與原有圍護結構密貼。

2.3 凍結加固

凍結法加固使用于各種地層，適用范圍廣，可以選擇地面垂直凍結加固，也可以進行洞內水平加固，加固效果好。凍結法相比攪拌、旋噴加固，其專業性較高，對施工技術質量等方面的要求也更高，一旦沒有達到預期的凍結效果，將帶來極大的工程風險。凍結還存在凍脹和融沉問題，為了減小對周邊地層的影響，需提前對土體進行注漿改良，后期根據監測情況進行融沉注漿。由于可以在洞內進行水平打孔凍結，凍結法也較多地應用于場地受限的端頭加固。

2.4 注漿加固

注漿加固適用于粘土層、粉土層、砂層等多種地層。注漿加固后加固體均質性較差，單靠注漿加固一種手段很難達到預期的效果，注漿加固一般作為一種補充手段配合攪拌加固、旋噴加固以及凍結加固等加固方式使用。

3 天津地鐵盾構端頭加固工程實例

在天津地鐵工程實際應用中，一般選用以上加固方式中的兩種或者多種組合，單靠一種加固方式很難達到加固效果。表1列舉了已完成的天津地鐵盾構端頭加固的工程實例。

表1 天津地鐵盾構端頭加固工程實例

續表1 mm

4 結論

1）天津地鐵盾構始發和接收端頭加固范圍除滿足強度和整體穩定性的要求外，還要充分考慮地下水的影響。綜合各方面的因素，目前天津地鐵盾構始發和接收端頭加固長度11 m是安全合理的。

2）對于地下2層車站，加固深度都在20 m以內，攪拌樁和旋噴樁的成樁質量較好，一般采用攪拌樁+旋噴樁加固，對于不具備場地條件的可以采用洞內水平凍結+注漿加固。

3）對于地下3層車站，加固深度都在25 m以上，攪拌樁和旋噴樁的成樁質量難以保證，一般采用凍結法+注漿加固，當地層以粘性土為主且周邊無重要建（構）筑物時，也可以考慮采用攪拌樁+旋噴樁加固。

U455.43

C

1008-3197（2015）06-48-02

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.016

2015-08-07

童剛強/男，1985年出生，工程師，碩士，天津市地下鐵道集團有限公司，從事地鐵工程技術管理工作。