富水砂層近距離隧道盾構始發端頭加固技術研究

邵小康,楊志勇,安宏斌,江玉生,漆偉強,楊 星

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083； 2.中鐵十二局集團第二工程有限公司,太原 030032)

引言

目前，城市地下空間工程的開發與利用處于快速發展時期，地鐵以其方便快捷、能有效緩解城市交通壓力等優勢被很多城市大力發展興建。盾構法更加高效、安全，在地鐵區間隧道建設中被廣泛采用。始發是盾構法的主要工序之一，也是最容易發生風險事故的關鍵工序。因此，盾構始發端頭的加固方式被國內外眾多學者高度關注并加以討論和研究。

富水端頭始發主要存在兩個方面的技術難點，即地層的加固與地下水的處理。關于地層加固，近些年常被應用的工法包括注漿法、旋噴樁法等，地下水的處理則通常采用施作降水井降低地下水位、止水帷幕、凍結法[1-2]等措施。在我國部分地區常常選用降水法處理地下水，其工藝簡單，效果良好，造價低廉，但隨著近年來工程環境指標愈發嚴格，大量降低地下水位會引發地表沉降、破壞地層生態環境[3]，因此，北京等城市提出了地下工程施工“不降水、少降水”的要求，且地鐵工程降水要征收水資源費4.3 元/m3。

近年來，國內外眾多學者研究盾構端頭加固技術，丁烈云、李錚等[4-5]分別研究武漢地鐵2號線江漢路站—積玉橋站區間、孟加拉卡納普里河底隧道項目盾構始發，始發端頭采取高壓旋噴樁加固地層，采用數值模擬分析加固效果；韓林等[6]針對濟南地區富水地層盾構接收端水頭壓力高的問題，采用垂直冷凍法加固地層，進行盾構水下接收；張建新等[7]對天津地鐵2號線某隧道盾構區間始發端頭不同的縱向加固范圍進行數值模擬計算，分析不同工況端頭始發對土層的擾動情況，得出始發端頭的合理縱向范圍；劉方等[8-9]、王天明[10]、王建功[11]和丁萬濤等[12]結合工程實際，研究加固的合理范圍；江玉生等[13]提出盾構始發和到達端頭加固范圍應根據其端頭的具體地層情況和盾構設備長度以及土體強度、穩定性等驗算結果來綜合確定；林輝等[14]研究廣佛環線沙堤隧道始發案例，該隧道最小間距為3 m，采用混凝土攪拌樁和混凝土墻加固。河源等[15]分析了水下隧道鋼套筒始發技術，替代了傳統洞門密封型式，減小始發洞門涌水、涌砂；宋克志等[16]對盾構隧道端頭土體進行穩定性極限平衡分析，使用直線+對數螺旋線的組合滑動面的假定，計算端頭土體加固范圍；楊平等[17]根據南京地鐵某區間端頭盾構端頭土體凍結加固工程溫度監測實例，分析了在高地溫、富水地層的土體溫度場的發展規律。

以上研究結合實際工程對常見的端頭加固方法、加固效果和加固范圍進行分析，但對施工的經濟適用性，以及對環境的影響程度缺乏更多討論。傳統降水法需大量抽排地下水，造成資源浪費及生態環境的破壞，在征收水資源費后，會大幅增加施工成本。在環保要求愈發嚴格的今天，端頭加固技術對環境的影響及經濟成本不能再被忽視。

以色列是一個中東國家，水資源嚴重不足，對地下水資源的保護極其苛刻，特拉維夫地鐵施工降水需收取10謝客/m3(人民幣約20元/m3)的水資源費，降水經濟成本太高。特拉維夫地鐵紅線5、6號隧道，2臺盾構在Depot車站始發，隧道位于富水粉砂層，且始發時雙線隧道間距僅0.69 m。結合本工程特點，提出了密封井始發端頭加固法，使用連續、密閉的地下連續墻來隔絕地下水，僅需降低井內地下水位，大幅減小地下降水量，也不必對端頭地層進行額外加固，工藝簡單、符合環境保護要求、經濟效應好，可為國內富水始發端頭加固技術提供參考和借鑒。

1 工程概況

以色列特拉維夫地鐵紅線5、6號隧道，從Depot車站始發，采用2臺海瑞克土壓平衡盾構施工。盾構開挖直徑7.55 m，管片外徑7.2 m，內徑6.5 m，環寬1.2 m，管片混凝土強度等級C50。始發端頭富含地下水，地下水位埋深5.80 m。盾構始發段兩線隧道最小凈距為0.69 m，沿隧道掘進方向間距逐漸增大。隧道覆土厚5 m，始發洞門如圖1所示。

圖1 盾構隧道始發洞門

始發段隧道地質剖面如圖2所示，盾構開挖土體主要包含砂土、砂質黏土、黏土等，地下水位位于隧道拱頂附近，盾構始發受地下水影響。

圖2 區段地層分布剖面(單位：m)

2 始發端頭加固技術

2.1 密封井加固法

本工程地下水嚴重威脅盾構始發施工安全，為防止盾構掘進初期土體和水的侵入隧道，在始發端頭施作平行于隧道軸線的3道地下連續墻和垂直于隧道軸線的2道地下連續墻，如圖3所示。墻體設計深度為26 m，穿透透水砂層，底部進入不透水的重黏土層，與傳統方法建立的單一方向地下連續墻不同的是，圖3中本工程①、②為C30素混凝土墻，③、④、⑤為鋼筋混凝土墻，墻體厚度分別為1.8，1.6，0.8，0.6，0.8 m。地下連續墻①、②、③、⑤組成封閉的“井”，與底部不透水土層形成封閉的罐體，以阻隔井外的地下水滲入井內，從而保證始發端頭段盾構推進不受地下水影響。地下連續墻④的主要作用是減小雙線盾構隧道施工后行盾構對先行隧道的影響。

圖3 始發端頭密封井結構

2.2 地下水降水設計

如圖4所示，沿地下連續墻壁上布置的降水井可僅降低密封井內地下水位，而不影響井外的地下水位，最大程度減小地下水抽排量。井內設計地下水位降至隧道底板以下1 m，以確保盾構始發的安全，在先行隧道始發之后，井內水位能保持低于隧道底板，后行隧道始發時無需再次降水。完成井內降水后盾構機可以在“無地下水”環境中推進。

圖4 密封井剖面(單位：m)

井點降水的降水線如圖5所示，土層平均滲透系數kf為5×10-6m/s，基于裘布依公式[18]，本工程降水計算公式如下。

圖5 井點降水范圍計算

(2)

(3)

(4)

Δh=h-h0

(5)

式中，Q為底層土體的出水流量；Qcap為井點的排水流量；R為地下水降水影響半徑；r0為水井半徑；r為多口井點等效半徑；h0為井內水位；H為初始地下水位；S為地下水最大下降高度；h(r)為目標位置水位；Δh為目標位置與井內水頭差。密封井內降水計算如下

n1=1.1·Q1/Qcap≈2

即，密封井內2口降水井抽排地下水的總流量為13 L/s。最大總降水量可根據土層孔隙率n計算。

V1總=b·l·Δh·n=1 032 m3

T1=V1總/Qcap總≈22 h

密封井內需降水總量為1 032 m3，約22 h完成井內降水。

2.3 盾構土倉壓力的建立

盾構始發掘進在突破洞門后，刀盤切削地下連續墻，直至破除全部圍護結構才能進入土層。當土體開挖面處失去圍護結構的支護后，部分應力將得到釋放，如若此時土倉壓力尚未完全建立，土倉空間將會為土體應力釋放提供空間，使得開挖面不穩定，造成開挖面涌砂甚至地層塌陷，導致盾構始發失敗。因此，需在盾構進入地層掘進前建立穩定的土倉壓力，使得土倉帶壓始發是盾構安全始發的關鍵之一。

盾構刀盤安裝了滾刀，始發時利用滾刀破除1.8 m厚的素混凝土地下連續墻①，盾構土倉厚度0.8 m，地下連續墻厚度遠大于土倉厚度，因此，可利用滾刀切削下來的地下連續墻碴片并注入濃稠的膨潤土漿液來建立土壓力。在刀盤“磨墻”時向土倉內注入濃稠的膨潤土漿液，配比為膨潤土∶水=1∶6(質量比)，密度1.3 t/m3，膨潤土漿液發酵12 h后馬氏黏度90 s。建立土壓的同時，黏稠的膨潤土漿液能充填盾殼與洞門之間的間隙。如圖6所示，合理的土倉壓力應與掌子面壓力相平衡，即

圖6 盾構始發示意(單位：m)

Fs=Fc

(6)

Fc=γ·(h+D/2)·K0

(7)

σc=Fs/A

(8)

式中，Fs為土倉壓力；Fc為開挖面地層側向壓力；σc為隧道軸心處土壓；γ為土層平均重度，取18 kN/m3；h為盾構上覆土厚度，取5 m；D為開挖面直徑，取7.55 m；K0為側向土壓力系數，取值0.66；A為開挖面積。計算可得σc=106.16 kPa。

3 小近距隧道加固效果分析

3.1 加固方案分析

近距離雙線隧道施工時，后行盾構掘進時會對先行隧道產生擾動，造成先行隧道的管片變形。在近些年國內近距離隧道施工實踐中，為保護先行隧道的安全，通常采用的應對措施有：

(1)對隧道周邊土體的加固，如注漿法、凍結法等；

(2)在先行隧道內部進行加固，如架立管片鋼支撐、拖車支撐、腳手架支撐等措施。

本工程在兩隧道之間設立一道地下連續墻，隔離先、后行隧道，不進行土層加固，施工工藝簡單。同時，不必單獨對先行隧道內部進行加固，故在后行盾構經過小間距段時不會對先行隧道的正常掘進造成影響。

3.2 管片變形分析

盧岱岳等[19]通過數值模擬和解析解法研究隧道變形的形成，提出近距離平行隧道施工引起隧道水平向變形的主要因素是盾構側壁摩擦力。本工程左、右線隧道間距較小，后行盾構掘進時可能會對先行隧道產生較大擾動。為避免這種擾動，采用在左右隧道之間設立地下連續墻來隔離兩條隧道。后行盾構掘進時記錄先行隧道的管片變形，測點布置在先行隧道管片處，如圖7所示。

圖7 管片變形測點布置

如圖8所示，當后行盾構通過測點所在垂直平面時，先行隧道水平方向、垂直方向位移均發生突變，峰值變化可控制在2 mm之內。由此可見，兩隧道之間設立的中隔墻能夠阻隔后行盾構開挖擾動向先行隧道傳遞，進而確保始發段隧道管片的安全。

圖8 隧道內監測點記錄位移值

3.3 管片受力狀態分析

始發端盾構在密封井的保護下掘進，可通過計算來確定始發段隧道的受力狀態，驗證隧道施工質量。盾構始發和隧道施工都是分階段完成的，各階段施工工況的荷載不盡相同，采取最不利工況來驗證施工安全，即可確保整個始發階段的安全。由于本工程左、右線隧道間距小，后行盾構掘進過程中會對已拼裝的先行隧道產生擾動，因此，需驗證后行盾構掘進過程中先行隧道的管片狀態。密封井主要承受的荷載如圖9所示，土體及結構的力學參數如表1所示。采用ANSYS有限元網格計算先行隧道管片的內力狀態。先行隧道管片的內力如圖10所示，最不利組合受力點在右下方標準塊接縫處(150°附近)。

圖9 管片受力計算模型

表1 土層和結構的物理力學參數

圖10 先行隧道管片內力狀態

FED=N·d·Γ=0.86 MN

FRdu=

式中，N為管片截面每延米的軸力；M為每延米彎矩值；d為管片環寬1.2 m；FED為截面最大壓應力值；FRdu為混凝土管片內部應力設計值；Ac0為受壓區域接觸頂面面積；Ac1為受壓區域接觸底面面積；fcd為管片抗壓強度設計值32.7 MPa；Γ為安全系數，取值1.1。

FRdu>FED，管片受力狀態在安全范圍內。

4 環境影響與經濟性分析

4.1 施工工藝、加固效果及經濟性對比

盾構始發端頭常用的地層加固工法包括注漿法、旋噴樁法、凍結法等，各工法工藝特點及適用性有所不同。地下連續墻的施工簡單、工藝成熟，其主要工藝流程有導墻制作，槽段開挖、鋼筋籠吊裝、澆筑墻體。溝槽開挖、鋼筋籠吊裝、墻體澆筑均是分段進行的，需滿足分段制作銜接工藝的精度要求。混凝土和鋼筋籠均可提前預制，可縮短整體工期。如圖11所示，分段墻體設計了首尾凹、凸銜接塊，保證了墻體的整體連接剛度。以本工程的工程量為基準，各種工法的工藝水平、加固效果及成本對比如表2所示。

表2 端頭加固工法對比

圖11 地下連續墻的分段銜接設計

4.2 地下水降水量對比

近年來，人們越發重視環境保護，施工環境影響評價指標也愈發嚴格。大量抽排地下水，會使得地下水位降低，引發地面沉降與生態環境的惡化[20-21]。在一些富水地層隧道工程中(如大西鐵路客運專線干慶隧道[22]、上海長江西路隧道[23])需大量抽排地下水，在工程結束后會進行地下水回灌以進行生態修復。這樣的生態修復措施會增加工程成本，本工程只需一次降低井內地下水位，對環境影響小，同時節省施工成本。

為體現密封井加固法的經濟性、環保性，將不采取密封井時的地下水降水量以及降水成本進行對比。直接井點降水的地下水總涌水量為

所需井點數n2=1.1·Q2/Qcapacity≈5

將地下水位降到目標水位所需時間

2周內總降水量為

V2總=n2·Qcap·t≈39 312 m3

如采用直接降水，需設立5口降水井，抽水98.6 h能將地下水位降低到設計水位，先行隧道始發工期按2周考慮，地下降水總量為39 312 m3。此外，在后行隧道始發時需再次降水，降水成本加倍。因此，與傳統井點降水法相比，密封井加固法能大幅減小地下水降水量，對環境影響更小，更加經濟適用。

5 結論

依托以色列特拉維夫紅線5、6號線始發工程，對雙線微小間距盾構隧道在富水地層始發的地下水處理、端頭加固的方法進行研究，得到以下結論。

(1)與旋噴樁、注漿加固等傳統盾構始發端頭加固方式相比，密封井加固法工藝簡單、經濟適用，更能有效隔絕地下水對盾構始發的影響，確保盾構在密封井內順利始發。

(2)在富水地層中進行盾構始發，采用密封井加固法，只需一次抽排井內地下水，無需重復降水，能最大程度降低抽排地下水量，相比直接降水，可減小約97%的地下水降水量，大幅節約施工降水成本，對環境影響小。

(3)設立于隧道之間的地下連續墻克服了近距離雙線隧道施工后行盾構掘進對先行隧道的擾動影響，很好地保護了先行隧道的管片安全和成型質量，其加固工藝簡單，不必對先行隧道內部進行加固，不影響近距離段隧道施工時先行隧道的正常掘進。

本工程采用的密封井和中隔墻加固法，克服了富水端頭盾構始發和近距離隧道施工的難題，特別是實現了最大程度降低地下水抽排量，對環境影響小，在越來越重視施工環保性的今天，可在富水地層盾構始發、小間距隧道等相關工程中推廣應用。