地鐵盾構軟土及透水層始發方案設計與研究

摘要：廣州地鐵十八號線盾構隧道于某中間風井盾構始發，根據始發場區的巖土特性可知，其存在著始發漏水、涌水、涌砂風險，針對可能出現的以上風險，采用盾構端頭加固進行保護，始發采用素混凝土墻外包、內部三軸攪拌樁、旋噴樁進行加固。按照先施工素墻，再進行內部攪拌樁施工，最后進行旋噴樁的施工順序。旋噴樁施工應于盾構井基坑開挖完成后，盾構接收前施工，以起到接縫止水的作用。對盾構結構下穿堤岸的風險進行分析，結合監測判斷應力釋放是否可靠，評估施工過程中的風險，以確保盾構的結構安全。通過對廣州地鐵十八號線盾構隧道工程實例進行分析與施工，確定方案具有較強的可行性與安全性。

關鍵詞：盾構始發;端頭加固;三軸攪拌樁;高壓旋噴樁;接縫

0" "引言

盾構地鐵在施工工程中，其風險點主要為盾構始發、接收施工風險[1]。合理的施工組織布置是確保盾構始發安全的必要手段。盾構端頭加固作為保護盾構始發[2]、接收安全掘進的工法，能有效控制水土壓力對盾構掘進的影響。

盾構隧道結構在穿越河岸大堤[3]的施工過程中，大堤的變形與盾構掘進過程中應力損失存在較密切關系，根據已有的工程可知，應力損失一般控制在5.3%左右。針對廣州地鐵十八號線盾構隧道工程，可先對盾構下穿大堤進行風險評估，并對大堤施工進行監測，從而對風險進行評判。針對其受力不均勻，需考慮縱向設計。盾構管片連接采用螺栓連接[4]，需保證其縱向連接的可靠度及安全性。通過對工程實例進行分析與施工，確定方案具有較強的可行性與安全性。

1" "工程概況

廣州地鐵十八號線HP2盾構井至HP2中間風井區間線路從HP2中間風井盾構始發出站，沿線下穿苗圃、南沙大道及沿線部分高壓電塔，在HP2盾構井吊出盾構機。該區間設計范圍為盾構段隧道，采用兩臺土壓平衡盾構機，由2#中間風井小里程始發井下井始發后，沿南沙大道向小里程掘進，最終到達2#盾構井后吊出，期間穿越蕉門水道與西瀝水道，對水道大堤存在不利影響。本工程平面位置如圖1所示。

本工程區間隧道采用單層襯砌，設計參數如下：管片內徑為7700mm，管片外徑8500mm，采用錯縫拼裝;管片厚度為400mm，環寬為1600mm;分塊數為7塊，一塊封頂塊（F），兩塊鄰接塊（L1、L2），四塊標準塊（B1、B2、B3、B4）。襯砌環縱縫之間均采用斜螺栓連接，包括19根M30縱向連接螺栓和14根M30環向連接螺栓。

2" "工程地質條件

HP2盾構井至HP2中間風井區間從上至下地層，主要為素填土、淤泥質土、粉質黏土、細砂、中風化花崗巖、風化礫巖、強風化花崗巖。HP2盾構井至HP2中間風井區間隧道洞身，主要穿越地層為淤泥質土、中粗砂、中風化花崗巖、中風化礫巖、強風化礫巖、強風化花崗巖。

HP2盾構井～HP2中間風井區間主要不良地層狀況如下：YDK17+160～YDK17+500、YDK18+300～YDK19+300段場地綜合液化等級為嚴重，其余地段場地綜合液化等級為中等。HP2區間地質狀況如圖2所示。

穩定地下水水位埋深為0.6～2m。場區內存在大量的地表水，因而導致其地下水也較為豐富。地表水能對地下水進行直接補給、排泄。地下水位總體偏高，地下透水層較多，且透水能力較強。地下水主要通過地質勘察確定，主要分布于第四系土層孔隙。

3" "始發、接收端頭加固方案

為保證盾構進出洞、破除端頭圍護結構時隧道端頭土體的自穩和防水要求，需在盾構進出洞前對洞口地基進行加固處理。HP2盾構井接收端頭及HP2中間風井始發端頭加固采用素混凝土墻外包、內部三軸攪拌樁、旋噴樁進行加固。按照先施工素墻，再進行內部攪拌樁施工，最后進行旋噴樁得施工順序。旋噴樁施工應于盾構井基坑開挖完成后，盾構接收前施工，以起到接縫止水的作用。

地下連續墻采用C20素混凝土地下連續墻，厚度為800mm，豎向自地面至隧道結構底板以下3m。連續墻應連續施工，以防塌孔，需嚴格控制注入槽內的泥漿比重，嚴禁向槽內注入清水，同時要求槽內泥漿液面必須高于地下水1m以上[5]。

三軸攪拌樁直徑為850mm，樁中心距為600mm，豎向自地面至隧道結構底板以下3m，水平方向以盾構機長度為準12m。深樁采用P.O42.5水泥，實樁部分水泥摻量值為20%，泥漿水灰比為0.6～1.0;在攪拌下沉和提升過程中，控制下沉速度不大于1m/min，提升速度不大于0.5m/min。將重復攪拌提升速度控制在0.8～1.0m/min[6]。三軸攪拌樁平面布置如圖3所示。

旋噴樁采用三管旋噴樁的形式，盾構井連續墻一側的旋噴樁應使加固體密貼，旋噴樁加固深度不得淺于攪拌樁。注漿宜采用P.O42.5水泥，水泥用量不少于450kg/m，水泥漿液的水灰比為1.0～1.5，水泥漿液壓力值宜大于20MPa[7]。施工完畢后，對旋噴樁、攪拌樁的加固體進行鉆芯取樣檢驗，加固體28D無側限抗壓強度應不小于1.0MPa，滲透系數應小于1.0×10-5cm/s，粘聚力gt;50kPa，檢測數量不小于1%且不少于5根。

盾構始發前應進行掌子面超前探孔水量測量，探孔全斷面布置，且不少于9孔，如每小時匯水總量超過20L，則在掌子面范圍內或隧道上部等有效區域進行注漿處理[8]。在始發與接收端頭中間打2口降水井，井深隧道底3m。

本次設計盾構工作井與端頭加固區位于槽壁加固外側，先進行單排旋噴樁施工，再進行三軸攪拌樁端頭加固。施工單排高壓旋噴樁主要目的，加強盾構工作井先期施工與端頭加固區的有效密貼，隔斷承壓水。本工程采用素混凝土連續墻隔斷端頭加固區與加固外的承壓水，并采取多重保護措施，充分保證了地下承壓水對盾構掘進的不利影響。

4" "盾構始發施工措施

4.1" "洞門始發風險控制

2#中間風井共有2個需破除的始發洞門（南端頭），左、右線各1個需要破除。根據盾構橫斷面，盾構洞門最大內徑為9.1m，地下連續墻厚度為1.2m，洞口鑿除過程中，需鑿除地連墻及工作井壁的鋼筋混凝土。洞門需在工作井結構達到設計強度后方能鑿除，鑿除洞門前需鑿開9個直徑20cm的小洞用作勘察孔，洞深不小于1.2m。觀測孔主要用于觀測土體的穩定情況，在土層穩定前提下，可對洞門進行鑿除，如加固土體尚未穩定，則需進行重新加固。破除洞門前需進行取芯試驗，以確定加固土是否穩定。

5" "盾構穿越蕉門水道與西瀝水道風險分析

盾構始發后下穿西瀝水道，大堤離始發工作井較近，約為40m，始發破洞門風險較大，需加強端頭加固土的施工，以保證盾構始發安全。在盾構穿越堤岸過程中，需加強對堤岸影響的控制。穿大堤處盾構埋深約為8.1～10.2m，根據已獲取的監測數據，及盾構左線下穿西瀝堤岸施工監測數據，對下穿堤岸進行分析。

本次對南岸大堤南北兩側30m范圍進行模擬，其中端頭加固區巖土參數考慮加固后參數，盾構掘進過程中產生一定的土層位移變形，評估其風險及安全性如下所示。

有限元計算需將土層簡化成均質的材料。本次有限元計算的本構模型采用M-C彈塑性模型。該模型在計算過程中能有效反應模型的破壞行為，可較好反應土體的變形狀況。該模型在巖土領域應用較廣泛，是較具有代表性的本構模型。

本次計算模型中的土體均采用三維實體單元模擬分析，掘進斷面內盾構管片結構采用shell單元。按工程的特性及影響分布規律，本次有限元計算模型范圍為100m×55m×55m，在此模型范圍內模擬土層的開挖。三維有限元計算模型共145680個單元、147680個節點，模型應力損失按5%進行計算。計算模型如圖4所示。

根據工程的設計情況可知，盾構管片采用2.0m環寬，施工過程中采用連續的盾構掘進及管片拼裝。其中始發期間，盾構每天掘進越3環，故本次模擬盾構掘進，可按6m掘進后應力釋放、模擬管片拼裝等方式進行。本次模擬采用4步模擬：第一步模擬為大堤中心外-12m，第二步模擬為-12～0m，第三步模擬為0～12m，第四步模擬為12m外的位置。盾構掘進完成后沉降位移如圖5所示。大堤的沉降變形如圖6所示。

根據圖5、6位移云圖可知，盾構掘進對大堤結構產生一定影響，主要為沉降變形。盾構掘進后，最大的沉降位移為4.94m。根據規范，施工過程引起的大堤的沉降變形小于限值15mm，故大堤結構處于安全狀態。大堤的計算位移與監測位移沉降對比如圖7所示。根據堤岸頂測點（NM-CJ-056～NM-CJ-064）可知，最大變形發生于盾構掘進面正上方，最大變形為5.5mm，滿足堤岸安全要求，與計算變形基本吻合。但實際應力損失大于5.3%，大于相應規范要求，需加強對施工控制。盾構施工過程中，對堤岸的結構影響主要為盾構掘進過程中應力損失及地質情況，當盾構施工控制較好時，應力損失較小，有利于降低沉降位移。

6" "結語

盾構隧道施工過程中，發生于盾構始發、接收過程中的風險較大。根據始發場區的巖土特性可知，盾構掘進始發及接收時易發生漏水、涌水、涌砂等風險，針對可能出現的以上風險，以廣州地鐵十八號線盾構隧道為例，對盾構始發、接收方案進行專項分析，采用以下方案對盾構端頭加固進行保護。

為確保盾構始發安全及經濟性，采用盾構端頭加固進行保護，始發采用素混凝土墻外包、內部三軸攪拌樁、旋噴樁加固進行優化設計。施工按照先施工素墻，再進行內部攪拌樁施工，最后進行旋噴樁的施工順序。旋噴樁施工應于盾構井基坑開挖完成后、盾構接收前施工，以起到接縫止水的作用。

通過對盾構下穿堤岸進行風險分析，對比已施工的監測數據可知，盾構下穿堤岸風險可控。為應對可能存在的風險，在盾構施工過程中，要不斷加強施工控制管理。通過對廣州地鐵十八號線盾構隧道工程實例進行分析可知，本方案具有較強的可操作行與安全性。

參考文獻

[1] 周鑫，王健.地鐵盾構始發、接收風險分析[J]. 黑龍江科技信息，""2015（17）：185.

[2] 汪鋒，葉至盛，王世豪，等.地鐵區間隧道超薄覆土下大直徑盾構始發與接收技術[J].水力發電， 2020（5）：89-92.

[3] 康芮，舒東利.盾構隧道穿越軟硬不均地層時掌子面穩定性分析[J].路基工程， 2018 （1）：194-199.

[4] 陳代秉，李德明，田賀卿.盾構隧道管片連接螺栓設計計算方法探討[J].現代城市軌道交通， 2016（4）：64-67.

[5] 廖日財.鉆孔灌注樁咬合素混凝土樁圍護結構體系研究[D].包頭：內蒙古科技大學， 2013.

[6] 易劍輝，龔伶妃，郭志輝.三軸攪拌樁在建筑深基坑止水帷幕中的應用[J].工程建設與設計，2019 （2）：47-48

[7] 李小杰.高壓旋噴樁復合地基承載力與沉降計算方法分析[J].巖土力學， 2004， 25（9）：1499-1502.

[8] 房昱緯，吳振君，盛謙，等.基于超前鉆探測試的隧道地層智能識別方法[J].巖土力學，2020， 41（7）：2494-2503 .