富水软土地区盾构区间始发接收端头加固研究

富水软土地区盾构区间始发接收端头加固研究

魏登辉

中铁上海设计院集团有限公司，天津 300110

摘要：文章结合天津地区地层软弱，富含地下水特点，总结富水软土地区不同深度车站盾构始发、接收风险控制要点，收集归纳地下二、三、四层车站盾构始发、接收采取的端头加固措施和注意事项，希望能对后期富水软土地层盾构施工风险管控方面提供参考，确保地铁建设安全可控。

关键词：盾构区间；始发接收；钢套筒；冻结加固；

0引言

随着盾构施工技术日益成熟，盾构法以其独特的优势在城市轨道交通建设中得到了广泛的应用，但如何避免盾构法施工的风险，特别是重大事故，是设计和施工中必须重点关注的问题。其中，盾构始发和接收是盾构施工中两个关键环节，特别是对于天津地区地层软弱，富含地下水特点，盾构始发和接收是盾构施工最容易发生风险事故的两道工序，因此，研究富水软土地区盾构区间始发接收端头加固措施尤为重要。

1端头加固目的

对于富水软土地层，端头加固成功与否，某种意义上说已成为盾构法隧道成败的关键因素之一。软土地层不能自稳，车站端头进行土层加固的目的主要有：

   （1）车站围护结构凿除时,围护结构外侧土体能够保持自稳，防止外侧土体和地下水涌入盾构井内。

   （2）盾构掘进通过加固区时，防止盾构机周围的地下水及砂土沿盾构机壳体与加固区之间的空隙涌入盾构井内。

   （3）拆除洞口围护结构及盾构掘进通过加固区时，防止地层变形对施工影响范围内的地面建（构）筑物及地下管线等的破坏。

2端头加固范围

加固范围以包裹盾构主机并预留一定的封堵渗漏通道的区域为原则。结合天津、上海、南京、苏州等软土地层的加固实例：盾构始发、接收的土体加固长度，一般为盾构机长度加2环管片长度（11m）；当采用明洞接收或双道帘布止水措施始发时，加固长度可适当缩短，加固长度应根据实际计算确定。

3端头加固方法

3.1盾构始发端头加固方法

对于地下两层车站盾构始发，始发地层宜优先选用搅拌桩加固方式，当盾构始发地层采用搅拌桩加固时，应在搅拌桩与车站围护结构之间增设旋喷桩，旋喷加固必须使用双重管及以上的旋喷设备，确保加固质量，防止周边地层中水、砂通过搅拌桩与围护结构之间空隙涌入站内。搅拌桩有效加固范围应为：纵向加固长度为11m（盾构机长度+1～2环管片），径向加固长度为盾构机壳体外3m，土体加固宜选用三轴深层搅拌机施工工艺，确保加固质量。加固土体在完成28d 后，应对加固土体效果进行检验，要求加固指标qu28 不小于1.0MPa，加固土体渗透系数不大于10-7cm/s。

对于地下三、四层车站盾构始发，始发地层宜选用注浆+冻结加固方式，并结合外置始发钢箱的始发方案。冻结方式视现场具体实施条件选择水平冻结或者垂直冻结，宜优先选用垂直冻结。始发端土层进行冻结加固前，应采取注浆预加固处理，冻结有效加固范围应为：纵向加固长度为4m，盾构机壳体外2m 范围内进行全断面加固。盾构机在始发前，应对加固土体效果进行检验，要求加固体单轴抗压不小于3.6MPa，弯折抗拉不小于2.0MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃）。

对于地下三、四层车站盾构始发，始发地层也可选用大直径旋喷桩加固结合外置始发钢箱的始发方案。旋喷桩有效加固范围应为：纵向加固长度为5m，径向加固长度为盾构机壳体外3m。加固土体在完成28d 后，应对加固土体效果进行检验，要求加固指标qu28 不小于1.2MPa，加固土体渗透系数不大于10-7cm/s。外置始发钢箱设置于洞门预埋钢环处，内设2 道止水帘幕，加强盾构始发过程中的止水效果。

3.2盾构接收端头加固方法

对于地下两层车站盾构接收，盾构接收宜优先选用搅拌桩加固方式，搅拌桩有效加固范围应为：纵向加固长度为11m（盾构机长度+1～2环管片），径向加固长度为盾构机壳体外3m。

对于地下三层车站盾构接收，应视现场洞口埋深、水文地质、周边环境等具体情况，采用搅拌桩、旋喷桩、冻结等加固方式，盾构接收端土层加固后应能够保证盾构接收安全。根据周边环境情况，也可考虑增加明洞接收措施。

对于地下四层车站盾构接收，还可采用盾构接收端土层进行加固结合车站接收井内增加明洞的接收措施。明洞形式可以选用钢套筒或现浇混凝土形式，宜优先考虑钢套筒形式。

采用明洞接收时，盾构接收端土层加固方式可以选用注浆+冻结法加固或大直径旋喷桩加固方式，宜优先选用注浆+冻结法加固。端头加固方式采用注浆+冻结法加固时，盾构在始发接收过程中必须确保隧道外围的冷冻加固体处于维持冻结状态，同时应组织好各工序间的衔接，防止盾构机刀盘与外壳被冻结住；冻结加固区在解冻过程中后，应视周边环境监测情况进行冻结融沉补偿注浆，融沉补偿注浆应遵循多次少量的原则。

4钢套筒接收

当明洞设计采用钢套筒结构形式时，应满足以下几点。

   （1）钢套筒尺寸应满足盾构机接收要求，可按照盾构壳体直径+0.8m设计，长度按照盾构机长度+3m 设计。

   （2）钢套筒结构强度、刚度、稳定性应满足盾构接收要求。

   （3）钢套筒应在套筒结构与洞门预埋钢环、套筒结构内部做好密封处理。

   （4）钢套筒内填充材料应密实，可采用 M1.5 水泥砂浆掺加膨润土，在具备成熟的经验、充分的试验条件下，回填材料可适当调整，但材料强度不能影响盾构机正常掘进。

现场在采用钢套筒明洞接收工艺时，应注意以下几点。

（1）施工顺序：车站主体结构施工→接收端土体加固→钢套筒基座施工及钢套筒安装→洞门凿除→钢套筒回填→盾构接收→钢套筒及配套构件拆除/回填料清除/盾构机解体。

（2）钢套筒在安装完成后应进行气密性、稳定性等检查，且接收端土体加固达到设计要求后，方可进行盾构接收作业。

（3）盾构机进入钢套筒并完成盾尾注浆后，应通过预留的检查孔检查明洞内水压，并分析是否存在渗漏，必要时进行补充注浆。待注浆完毕再次进行检查，直至土体内不再出现渗流，方可进行下一步施工。

（4）在盾构接收期间，应加强钢套筒及洞门附近漏水漏砂巡视，做好钢套筒位移、变形监测工作。

5现浇混凝土明洞

当明洞设计采用现浇混凝土结构形式时，应满足以下几点。

    （1）混凝土明洞应结合车站接收井结构形式设计，结构尺寸满足盾构机接收要求，明洞侧墙与盾构壳体净距不小于 0.3m，长度不小于盾构机长度+1.5m，明洞顶板与盾构壳体净距应结合车站实际情况确定。车站主体结构施工时应在侧墙、中板及底板相应位置预留混凝土明洞钢筋，避免明洞在永久结构上植筋。

    （2）现浇混凝土明洞强度设计值应满足盾构接收要求，混凝土标号不宜小于 C30。

（3）明洞内填充材料应密实，明洞内预埋钢环至结构底板上表面范围可填充 M5 水泥砂浆掺膨润土，其余部位可填充 M1.5 水泥砂浆掺膨润土，在具备成熟的经验、充分的试验条件下，回填材料可适当调整，但盾构机底部以上材料强度不能影响盾构机正常掘进，底部以下材料应满足盾构机承载力要求。

现场在采用现浇混凝土明洞接收工艺时，应注意以下几点。

（1）施工顺序：车站主体结构施工→接收端土体加固→明洞侧墙及端墙施工→洞门凿除→明洞回填→明洞顶板施工→盾构接收→拆除明洞/回填料清除/盾构机解体。

（2）在明洞结构达到设计强度、接收端土体加固达到设计要求后，方可进行盾构接收作业。

（3）盾构机进入明洞并完成盾尾注浆后，应通过预留的检查孔检查明洞内水压，并分析是否存在渗漏，必要时进行补充注浆。待注浆完毕再次进行检查，直至土体内不再出现渗流，方可进行下一步施工。

（4）在盾构接收完毕凿除明洞混凝土结构时，严禁破坏车站主体结构，必要时对主体结构采取保护措施。明洞结构破除可采用静态爆破法工艺来完成，尽量减小拆除震动影响。

（5）当盾构接收端土层采用水平冻结加固方式时，冻结管穿明洞结构处应预先埋设孔口管，确保冻结管穿越结构处的密封质量。

6盾构接收风险控制要点

盾构接收是指盾构在掘进过程中由原状土进入竖井端头加固土体区域，然后将盾构推进至竖井的围护结构处，从竖井外侧破除井壁进入竖井内接收台架上的一系列作业。盾构接收相较始发而言，具有更大的风险，实际施工中应引起高度重视，其成功与否直接关系着工程的成败，盾构接收风险控制要点主要有：

（1）应对端头加固效果进行检验

    盾构接收端土体在完成加固并达到设计强度后，应在洞口范围内围护结构上设置米字型探孔，共 9 个探孔，孔口应设置止水装置，孔深不应小于进入加固土体内 0.5m，并应根据探孔渗水情况，决定是否对土体进行补充加固。

（2）对隧道轴线进行测量，精确定位接收基座

    盾构到达接收盾构井 100m 前，必须对盾构轴线进行测量并做调整，保证盾构准确进入接收洞门。盾构接收井内盾构机基座安装应定位准确牢固，满足盾构机安全接收要求。

（3）应合理选择围护结构的破除顺序

盾构接收前，应针对现场实际情况，制定专门洞门围护结构破除方案，保证围护结构破除时施工安全。盾构接收前，应对加固体与地连墙之间进行注浆加固，防止在盾构接收过程中，地下水尤其是底部承压水涌入盾构工作井内。洞门凿除的风险控制要求主要有：

1）在检查端头土体加固满足要求后并在盾构组装后对洞门进行破除，探孔位置分为上中下共计5个，要穿透围护结构，无漏水。

2）先凿除围护结构保护层，并将外层的钢筋全部割除取出，并凿除至剩余内排钢筋。

3）待盾构机始发时抵拢掌子面和到达时盾构机抵拢围护结构时，割除围护结构内层钢筋，再开始掘进。

（4）确保破除过程中端头处土体的稳定

    盾构接收过程中，盾构机切口离洞门 10m 起，应保证出土量，控制好盾构掘进速度、开挖面压力等参数，防止由于盾构推力过大及盾构切口正面土体挤压面破坏盾构井洞门结构。盾构机切口离洞门30～50cm 时，盾构机应停止掘进，并使切口正面土压力降到最低值，以确保洞门破除施工安全。

（5）设置纵向拉紧装置

    在盾构接收完成，拆除盾构机前，应在靠近洞门的管片增设纵向连系梁，连系梁设置范围不得少于 10 环管片，连系梁可以利于管片注浆孔通过螺栓固定，连系梁应在洞门圈梁完成后方可拆除。盾构接收过程中，区间紧邻洞门 6 环管片应采用 16 孔多孔注浆管片。

（6）必要时增设降水井

    盾构接收作业的开挖面位于富水砂性土时，宜在加固体外增设降水井，确保盾构接收时无涌水涌砂险情出现。

7结论

工程实践表明，盾构区间始发接收进行有效、合理的端头加固，不但能够保证洞门处围护结构凿除后掌子面土体能够保持自稳，而且能防止在盾尾进入洞门密封装置前洞口地层涌砂涌水，从而保证了盾构机在始发、接收过程中的施工安全。

参考文献

[1] 朱世友，林志斌，桂常林  盾构始发与到达端头地层加固方法选择与稳定性评价[J]. 隧道建设2012

[2] 徐泽民  软土地区富水砂层盾构接收技术研究[J]. 天津建设科技 2016

第一作者简介：魏登辉，男，甘肃景泰人，1991年12月生，2014年毕业于石家庄铁道大学土木工程学院，本科，工程师，从事地下工程结构设计工作。联系电话：15822345735