復雜地層盾構接收新技術研發(fā)

毋海軍

(中鐵十二局集團有限公司，太原 030032)

1 工程概況

長沙地鐵2號線芙蓉廣場站到五一廣場站區(qū)間長620 m，盾構從芙蓉廣場站二次始發(fā)后在五一廣場站東端接收吊出，盾構接收端位于330 m溶溝填充地段，主要以卵石填充為主，局部有大漂石，填充層埋深54 m，且底部灰?guī)r存在大量溶洞群。地層復雜，盾構隧道埋深28 m，地下水與湘江連通，接收端不足10 m有已變形的口腔醫(yī)院古建筑物。

2 端頭加固技術探討

2.1 設計加固試驗

2.1.1 設計概述

設計采用袖閥管注漿加固，梅花形布設，間距1.2 m，加固長度為10 m，加固范圍是隧道外3 m，四周采用水泥水玻璃雙液漿，中間采用水泥漿注漿。

2.1.2 現(xiàn)場加固試驗情況

(1)傳統(tǒng)鉆機很難成孔

鉆機經(jīng)常鉆到漂石而卡鉆，一般需要2 d才能鉆到設計深度，鉆桿提出后四周砂卵石向孔內(nèi)擠壓而很難下袖閥管。

(2)鋼管機成孔缺陷多

鋼管鉆機鉆空時遇到漂石就無法接續(xù)鉆孔，遇到含泥量大地層成孔慢，而且下部鋼管內(nèi)殘余約3 m卵石使袖閥管下不到底，鋼管拔出后孔壁塌孔容易把袖閥管擠斷。

(3)注漿效果極差

由于加固深度超過32 m，地下水豐富，采用濃的水泥-水玻璃雙液漿容易堵塞注漿管，采用類似地層注漿配比，水泥漿水灰比為0.5∶1，水玻璃濃度為20～25Be'，水泥漿與水玻璃體積比為3∶1進行注漿［1]，根據(jù)注漿取芯，固結體只有11%。

2.2 鉆注一體機加固試驗

2.2.1 鉆孔功效高

引進750型鉆注一體機后，2 h能鉆32 m，無卡鉆現(xiàn)象，解決了其他鉆機成孔難的難題。

2.2.2 加固方案

設備、工藝選擇受限，地下水又與湘江有水力聯(lián)系，采用四周注雙液漿形成帷幕，再進行內(nèi)部區(qū)域注水泥漿加固方案［2]。

2.2.3 存在大量加固盲區(qū)

該鉆機成鉆后一邊后退鉆桿，一邊從鉆桿芯中壓漿滲透加固，地面冒漿嚴重，注漿壓力小，漿液無法擴散到孔間土體，加固后，在注漿孔之間取芯檢查無水泥固結體。

2.3 其他加固技術可行性

2.3.1 多重管旋噴加固技術分析

(1)加固機理分析

它是利用高壓水射流沖擊切割土體，用漿液置換細小的土粒和填充土顆粒之間空隙。待漿液凝固后，使土形成固結體［3]。該地層存在大漂石，噴射流無法切割顆粒使其置換填充。

(2)旋噴加固深度分析

旋噴機垂直度控制要求很高，實際施工中，加固越深，垂直誤差就越大，旋噴加固深度大于20 m，底部會存在加固盲區(qū)。該端頭加固深度達到32 m，不適合選用旋噴加固。

(3)地下水對旋噴加固影響

地下水會稀釋漿液，地下水流速越大，加固效果差。該地層存在動水，不宜采用旋噴加固。

2.3.2 冷凍加固技術分析

(1)加固機理分析

冷凍加固就是盾構接收前，通過冷凍液循環(huán)將接收端土體的溫度降低，最終將土層凍結［3]。該地層有大量漂石，盾構掘進工期不可控，冷凍加固時機不好控制。

(2)加固缺陷分析

冷凍會擠壓土體膨脹，接收時溶沉會導致地面下沉量大。由于該接收端口腔醫(yī)院已開裂，采用冷凍加固工藝接收盾構機，地面沉降可能導致口腔醫(yī)院變形破壞。

2.3.3 攪拌樁加固技術

(1)加固機理分析

攪拌加固就是利用特制的深層攪拌機械，利用水泥作為固化劑，將土體和固化劑強制攪拌，使之固結成一體。該地層存在大漂石，很難攪拌成樁。

(2)攪拌加固深度分析

攪拌加固深度超過15 m，樁與樁之間的底部很難攪拌成一體［3]。該端頭加固深度達到32 m，不適合選用攪拌加固。

(3)地下水對攪拌加固影響

地下水豐富會嚴重稀釋漿液，攪拌加固效果差。由于該地層存在動水，采用攪拌加固效果會更差。

2.3.4 混凝土墻聯(lián)合加固技術

(1)加固原理

其原理就是四周采用素混凝土墻，中間采用袖閥管或旋噴進行加固。

(2)缺點分析

一是后施工素混凝土墻無法與原圍護結構緊密密貼，二是中間富水卵石地層注漿效果差。

2.3.5 水平注漿加固技術

(1)加固原理

在盾構隧道斷面施工水平注漿孔，安設袖閥管，施工止水墻，然后采用雙液漿進行注漿［4]。

(2)缺點分析

隧道周邊加固體存在大量加固盲區(qū)，盾構接收時存在涌水涌砂風險。

3 補救措施可行性分析

3.1 全套筒接收可行性

3.1.1 補救原理

在洞門環(huán)外連接長12 m全封閉鋼套筒，并充填滿砂，盾構破除素連續(xù)墻后繼續(xù)在鋼套筒內(nèi)掘進，待盾尾脫離洞門前進行背后注漿后拆除鋼套筒［5]。

3.1.2 接收條件分析

該技術適用于泥水盾構。而且需要較大操作空間。該區(qū)間盾構為土壓盾構，而且接收時與車站主體存在交叉作業(yè)，無法提供操作空間。不適合采用這種補救措施。

3.2 水或土中接收技術

3.2.1 補救原理

端頭加固存在缺陷時，在接收井中灌滿水或回填土使盾構破除連續(xù)墻后，盾體外土體壓力得到平衡，從而杜絕涌水、涌砂［6]。

3.2.2 接收條件分析

該技術要求接收井四周封閉，由于盾構在五一廣場站東端接收時，西端正施工底板，接收井無法形成四周封閉。

3.3 降水接收技術

3.3.1 補救原理

在端頭加固體四周施工降水井，盾構接收前把水降到隧道底3 m，從而杜絕涌水、涌砂［7]。

3.3.2 接收條件分析

要求四周無建筑物，該接收端不足10 m有已開裂下沉口腔醫(yī)院，而且長沙市不允許人工降水。

4 接收新技術研發(fā)

該端頭無論采用何種加固技術都無法達到加固效果，接收環(huán)境又很難采用補救措施。必須尋找接收新技術，確保盾構接收萬無一失。

4.1 新材料的啟示

成都地鐵、武漢地鐵和北京地鐵在接收洞門圍護結構中采用玻璃纖維筋代替鋼筋，實現(xiàn)了盾構機直接破除洞門接收［8]，杜絕了人工破除洞門安全事故。

4.2 接收方案

傳統(tǒng)接收方案是在洞門安設止水簾布［9]。本工程比較特殊，接收方案為洞門圍護結構采用玻璃纖維筋，在洞門鋼環(huán)內(nèi)設置止水環(huán)裝置，取消端頭地面加固。接收時采用從中盾上注入聚氨酯對盾體外土體進行預加固。當盾構破除完連續(xù)墻運用內(nèi)翻式止水簾布進行盾體快速前移。

4.3 關鍵技術研究

4.3.1 刀盤破除連續(xù)墻防涌砂技術

(1)風險分析

由于接收鋼環(huán)比盾構刀盤直徑大20 cm，如果端頭沒有進行加固，刀盤破除連續(xù)墻后，盾體外水和砂會從刀盤外側噴出，最終導致地面塌陷。

(2)止水環(huán)設計

止水環(huán)由3道橡膠環(huán)組成，橡膠環(huán)內(nèi)徑比刀盤直徑小20 cm，橡膠環(huán)之間用鋼板環(huán)來隔開，鋼板環(huán)內(nèi)徑比刀盤大 20 cm［10]。

(3)技術措施

洞門鋼環(huán)預埋前，在地面把止水環(huán)和洞門鋼環(huán)連接成整體［10]，安裝時保證最后一道止水環(huán)與連續(xù)墻緊密粘貼(圖1)。

圖1 洞門環(huán)實物安裝

4.3.2 盾體接收中防涌水技術

(1)風險分析

傳統(tǒng)盾構接收止水簾布為外翻式，接收時采用鋼絲繩拉緊后進行盾體接收，盾體前移過程中姿態(tài)很難控制，無法使止水環(huán)與盾體緊密粘貼，從而導致涌水。

(2)內(nèi)翻式止水簾布開發(fā)

在洞門鋼環(huán)外側預留螺栓固定孔，止水簾布安裝好后，用螺栓把一個比洞門直徑小10 cm的鋼環(huán)固定在簾布翻板后面，通過擰緊螺栓使鋼環(huán)擠壓止水簾布翻板前移(圖2)，使止水簾布形成內(nèi)翻［10]。

圖2 內(nèi)翻式止水簾布形成示意

(3)技術措施

①鋼環(huán)外焊接L形鋼板，刀盤破除連續(xù)墻后立即清除渣土，然后空推盾構使刀盤抵向L形鋼板，并不斷拖住鋼環(huán)前移動脫離翻板，使止水簾布快速回彈在盾體上［11]。

②在洞門鋼環(huán)上預留注漿孔，當止水簾布回彈到盾體上后，立即從預留注漿孔中注入盾尾油脂填充止水簾布和止水環(huán)之間空隙。

4.3.3 端頭防沉降技術

(1)沉降分析

由于盾構開挖直徑比盾體大2 cm，盾體又比管片大20 cm，該端頭為砂卵石地層，如果不進行加固，盾構掘進接收時，盾體外土體會因盾尾前移而坍塌，最終導致端頭沉降，而且沉降一定會很大，甚至導致已開裂的口腔醫(yī)院破壞。

(2)經(jīng)驗借鑒

盾構在獅子洋過江隧道破碎帶掘進時，刀具磨損嚴重，開挖面比較松散，刀盤無法轉動，在刀盤上部注聚氨酯，漿液膨脹使松散體固結形成應力拱，無沉降，實現(xiàn)了轉動刀盤換刀［12]。

(3)應對措施

①盾構制造時，在中盾體四周設置徑向注漿孔，當盾構刀盤離洞門10 m時，邊掘進邊從盾體徑向注漿孔內(nèi)注入聚氨酯，聚氨酯遇水膨脹擠壓使盾體上部土體形成應力拱［12]。

②刀盤破除連續(xù)墻后，一邊空推前移盾體一邊進行同步注漿填充開挖體與管片之間空隙。

③盾尾離開最后一環(huán)管片前，在最后一環(huán)管預留注漿孔中注入聚氨酯，然后對最后幾環(huán)管片采用水泥水玻璃雙液漿進行補注漿。

5 方案實施效果評價

5.1 地面沉降小

盾構離洞門10 m時開始邊慢速掘進邊從盾體拱部徑向注漿孔內(nèi)注入聚氨酯，預加固效果好，減少了管片注漿前土體擾動，盾構接收后，地面最大沉降不到4 mm，確保了端頭口腔醫(yī)院安全。

5.2 止水環(huán)作用顯著

刀盤破除連續(xù)墻后，止水環(huán)與刀盤緊密密貼，無噴水涌砂，刀盤拖住鋼環(huán)一起前移使止水簾布回彈到盾體(圖3)。盾體前移整個過程中無滲水。

圖3 止水簾布彈向盾體示意

5.3 施工成本低

取消端頭加固，大大簡化盾構接收施工工藝，節(jié)約上百萬加固費用，增加止水鋼環(huán)只用5萬元，施工成本低。

6 結語

接收前利用盾體預留注漿管徑向注入聚氨酯，及時填充盾體外空隙和堵塞水流通道，有效控制接收端地層沉降，實用性強。研發(fā)彈性橡膠止水環(huán)取代傳統(tǒng)端頭加固，有效地預防刀盤破除連續(xù)墻瞬間涌水涌砂，方法新穎。開創(chuàng)內(nèi)翻式止水簾布接收技術，根據(jù)盾體姿態(tài)自動有效地使止水簾布直至彈壓在盾體上，技術先進，推廣前景好。

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