花崗巖殘積土地層中盾構(gòu)端頭加固方式研究

黃德欽

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司 廣東廣州 510000）

盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機在地面以下進行暗挖隧道的一種施工方法，其施工對環(huán)境影響小，不受地形、地貌、江河水域等條件限制，以及施工安全、快速等諸多優(yōu)點。盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)施工是盾構(gòu)法施工技術(shù)中的重要內(nèi)容。盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)接收時首先需要拆除端頭井擋墻結(jié)構(gòu)，該作業(yè)施工時間較長，臨空面較大，這對維護洞口土體穩(wěn)定極為不利，因此需要在盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)接收前對隧道洞口土層進行加固，切實有效地控制洞口周圍土體變形，從而保證盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)的安全。

眾多工程實踐均表明，盡管盾構(gòu)法的施工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但盾構(gòu)掘進施工還不可避免地會對土體產(chǎn)生擾動，從而引起不同程度土層的移動和變形。當(dāng)這種變形和沉降超過一定的限度時，就有可能危及周圍建筑物及其基礎(chǔ)和地下管線的安全，引發(fā)一系列環(huán)境巖土問題。2007年，南京地鐵某區(qū)間隧道，在盾構(gòu)進洞即將到站時，刀盤下部突然出現(xiàn)漏水和漏沙，并且迅速發(fā)展、擴大，瞬時涌水涌砂量約為260m3/h，10min后盾尾急劇沉降，隧道內(nèi)局部管片角部及螺栓部位產(chǎn)生裂縫，僅不到1h，到達(dá)段地表產(chǎn)生陷坑，隨之繼續(xù)沉陷。

而對花崗巖殘積土層，常常由于其存在遇水易軟化、崩解特點，在盾構(gòu)端頭加固設(shè)計中是否需對其進行加固，預(yù)估盾構(gòu)施工安全性及可能造成的影響和程度，從而采取相應(yīng)的措施，以確保施工的安全，成為區(qū)間設(shè)計中極為重要的設(shè)計難點。

本文依據(jù)廣州市軌道交通二十一號線工程鐘崗站至增城廣場站區(qū)間端頭加固工程實際，針對花崗巖殘積土層實際地層條件，提出合理的盾構(gòu)端頭加固方式及工藝。

1 工程概況

廣州市軌道交通二十一號線工程鐘崗站～增城廣場站區(qū)間線路沿廣汕公路向東，在增城廣場西南側(cè)，荔新公路路口處設(shè)增城廣場站，線路周邊建筑物主要為廠房、商戶及民房。區(qū)間設(shè)計起終點里程：YDK57+399.700～YDK59+473.000（ZDK57+399.700～ZDK59+473.000），右線長2073.3m（左線長2075.598m，長鏈2.298m）。本區(qū)間共設(shè)兩座聯(lián)絡(luò)通道，在YDK58+975.042～YDK59+015.049里程范圍設(shè)中間風(fēng)井，兼作盾構(gòu)始發(fā)井，風(fēng)井長40m，寬26m，鐘崗站～中間風(fēng)井長約1575.3m，中間風(fēng)井～增城廣場站長約457.9m。區(qū)間盾構(gòu)施工采用2臺盾構(gòu)機先從中間風(fēng)井西側(cè)始發(fā)，掘進至鐘崗站東端吊出，然后將象嶺～鐘崗區(qū)間2臺盾構(gòu)機轉(zhuǎn)場至中間風(fēng)井東端始發(fā)，掘進至增城廣場站西端吊出。

2 地質(zhì)條件

區(qū)間中間風(fēng)井埋深約21.7m，兩端頭盾構(gòu)始發(fā)拱頂?shù)貙泳挥诨◢弾r殘積土層（代號為＜5Z-1＞、＜5Z-2＞），花崗片麻巖風(fēng)化殘積土主要為砂質(zhì)黏性土，少量為黏性土。按殘積土層的狀態(tài)和密實度不同可分為2個亞層。

2.1 花崗片麻巖可塑狀殘積土層

本層在場地內(nèi)廣泛分布，共38個鉆孔有揭露，由花崗片麻巖風(fēng)化殘積形成，土性為砂質(zhì)黏性土，少量為黏性土，呈褐黃色、紅褐色，可塑狀，遇水易軟化、崩解，手捏有砂感。本層標(biāo)貫實測擊數(shù)8～18擊，平均擊數(shù)13.9擊。本層頂面標(biāo)高為0.09～32.85m，頂面埋深1.20～17.90m，厚度1.20～11.10m，平均厚度 4.65m，本層在圖表上代號為“＜5Z-1＞”。

2.2 花崗片麻巖硬塑狀殘積土層

本層在場地內(nèi)分布廣泛，共62個鉆孔有揭露，由花崗片麻巖風(fēng)化殘積形成，土性主要為砂質(zhì)黏性土，呈褐黃色、灰褐色、紅褐色，硬塑狀，遇水易軟化、崩解，手捏有砂感。本層標(biāo)貫實測擊數(shù)19～56擊，平均擊數(shù)24.5擊。本層頂面標(biāo)高為-5.54～33.20m，頂面埋深0.60～21.00m，厚度0.80～13.10m，平均厚度 4.50m，本層在圖表上代號為“＜5Z-2＞”。

表1 花崗片麻巖可塑狀殘積土層主要物理力學(xué)試驗指標(biāo)統(tǒng)計表

3 盾構(gòu)端頭加固方式

3.1 盾構(gòu)始發(fā)及接收風(fēng)險分析

盾構(gòu)始發(fā)與接收過程中主要風(fēng)險在于洞門鑿除，在洞門鑿除階段極易發(fā)生坍塌、涌砂涌水等事故[1]，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；在破洞期間土體不連續(xù)，容易出現(xiàn)局部滲漏；加固體節(jié)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。

3.2 新材料對盾構(gòu)始發(fā)及接收影響

傳統(tǒng)的洞門鑿除需對地連墻鋼筋進行切割[2]，施工過程中容易對地層土進行擾動導(dǎo)致坍塌，而隨著玻璃纖維筋在盾構(gòu)施工中廣泛運用，玻璃纖維筋在性能上和鋼筋基本相似，與混凝土有很好的黏結(jié)性，同時又具有很高的抗拉強度和較低的抗剪強度，可以很容易的被復(fù)合式盾構(gòu)機直接切割，而不會造成異常的刀具損壞，從而減少了圍護墻前地層加固范圍和降低地層與圍護墻間的止水要求，大大降低盾構(gòu)進出洞風(fēng)險。

3.3 輔助降水措施

盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)階段，一般會設(shè)置降水井作為輔助措施，其加固的原理主要為將土質(zhì)由松變實，將土的含水量由高變低，起到固結(jié)、穩(wěn)定、止水的效果，即達(dá)到地基加固的目的，特別對于花崗巖殘積土層，盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)過程中降水占據(jù)十分重要的位置。

3.4 盾構(gòu)端頭加固方案

傳統(tǒng)花崗巖殘積土層一般采用的加固方式為外包素墻+內(nèi)部三軸攪拌樁（或者雙管旋噴樁）+內(nèi)部降水，采用該方式能最有有效的保證盾構(gòu)進出洞階段安全，大大增強土體自身強度，但從經(jīng)濟方面來看，造價過高，本身花崗巖殘積土在不遇水軟化情況下物理性能良好，設(shè)計上過于保守。

程根據(jù)花崗巖殘積土地層特點，結(jié)合盾構(gòu)始發(fā)及接收風(fēng)險分析及加固原理，針對花崗巖殘積土層，在總結(jié)大量工程實際經(jīng)驗下，對地基采用800mm厚C20素混凝土連續(xù)墻+內(nèi)部降水措施加固，素混凝土連續(xù)墻采用“[型”，設(shè)置在洞口處，施工期間連續(xù)墻內(nèi)采取管井降水的降水方案，管井設(shè)置在盾構(gòu)隧道掘進方向，左右線隧道中央。井點井孔直徑0.7m，井管直徑0.4m，井底處于結(jié)構(gòu)底部以下2m。盾構(gòu)進洞前應(yīng)在洞門范圍內(nèi)打設(shè)數(shù)個水平探孔，觀察出水情況并分析止水效果。若水量較大，則在掌子面范圍內(nèi)進行袖閥管注漿。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)處土體加固平面圖

圖2 盾構(gòu)始發(fā)土體加固剖面圖1：100

3.5 盾構(gòu)端頭加固效果

根據(jù)目前已施工情況來看，盾構(gòu)端頭加固方案應(yīng)用效果良好，均達(dá)到設(shè)計要求，無漏砂漏水現(xiàn)象，確保了盾構(gòu)的安全順利始發(fā)與接收；另一方面，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對盾構(gòu)始發(fā)前、破洞門以及破門后掘進的情況對比分析，地面沉降均在10mm以內(nèi)，無明顯沉降及異常報警情況。

4 結(jié)語

針對廣州軌道交通二十一號線鐘崗站至增城廣場站花崗巖殘積土層的地質(zhì)條件，采用800mm厚C20素混凝土連續(xù)墻+內(nèi)部降水措施進行端頭加固，通過現(xiàn)場實測結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

（1）端頭加固實踐中，認(rèn)為在花崗巖殘積土層中采用800mm厚C20素混凝土連續(xù)墻+內(nèi)部降水措施的端頭加固方式加固方案應(yīng)用效果良好，均達(dá)到設(shè)計要求，無漏砂漏水現(xiàn)象，確保了盾構(gòu)的安全順利始發(fā)與接收，是行之有效且安全可靠的。從經(jīng)濟角度上看，大大降低了工程造價，可以在類似工程推廣應(yīng)用。

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