天津地鐵盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭加固方法及適用性研究

□文/童剛強

天津地鐵盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭加固方法及適用性研究

□文/童剛強

盾構(gòu)始發(fā)和接收是盾構(gòu)施工的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理選擇端頭加固的范圍和方法是保障盾構(gòu)始發(fā)和接收施工安全首先要考慮的問題。針對天津地區(qū)軟土地層的特點，介紹了端頭加固的目的、軟土地層中端頭加固的基本要求，結(jié)合已經(jīng)實施的工程實例進行了對比分析。

盾構(gòu)；始發(fā)；接收端頭；加固；地鐵

盾構(gòu)始發(fā)和接收前必須進行端頭土體加固，防止盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中出現(xiàn)土體坍塌、失穩(wěn)、涌水、涌砂等事故。以往天津地鐵盾構(gòu)始發(fā)和接收施工過程中，洞門漏水時常發(fā)生，這主要與天津地區(qū)地下水位高、地層透水性好有關(guān)。因此天津地鐵盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中除了考慮加固體的強度和穩(wěn)定性外，加固體的止水效果應(yīng)作為重中之重。

1 端頭加固的原理

1.1 端頭加固目的

盾構(gòu)始發(fā)和接收施工前，需要破除原有圍護結(jié)構(gòu)。為保證在破除洞門過程中，掌子面保持穩(wěn)定并避免出現(xiàn)滲透水的情況，必須對原圍護結(jié)構(gòu)背后的土體進行加固，土體的加固厚度、強度、滲透系數(shù)應(yīng)滿足計算要求。

盾構(gòu)始發(fā)和接收施工過程中，盾構(gòu)掘進對周邊地層會產(chǎn)生一定的擾動，同時在盾構(gòu)接收時，盾構(gòu)機土倉壓力較小，不足以維持開挖面壓力平衡，為防止地表產(chǎn)生較大沉降或坍塌，對端頭四周一定范圍的地層也要進行加固。

1.2 強度驗算

將加固土體視為厚度為t的周邊自由支承的彈性圓板。在外側(cè)水土壓力作用下，板中心處的最大彎曲應(yīng)力，按彈性力學(xué)原理求得并寫出強度驗算公式

式中：r為洞門半徑；t為加固土體的厚度；σt為加固土體的極限抗拉強度；K為安全系數(shù)；W作用于洞門中心處的側(cè)向水土壓力；μ為加固后土體的泊松比。

周邊自由支承的圓板，其支座處的最大剪力亦可按彈性力學(xué)原理求得并寫出其抗剪強度的驗算公式

式中：τc為加固后土體的極限抗剪強度。

1.3 整體穩(wěn)定性驗算

洞外加固土體在上部土體和地面堆載P等作用下，可能沿某滑動面向洞內(nèi)整體滑動，假設(shè)滑動面是以頂點O為圓心，洞徑D為半徑的圓弧面，見圖1。

圖1 粘土的整體穩(wěn)定性驗算

對于粘土地層，假設(shè)抗滑力矩完全由土體粘聚力提供，則由土體的平衡條件可知KM=Md，則

式中：M為滑動力矩；Md為抗滑力矩；△c為改良后土體增加的粘聚力；K為抗滑安全系數(shù)；θ為加固土體與滑移面的夾角。

1.4 端頭加固范圍

1）盾構(gòu)端頭上部加固范圍一般≮3 m，除了起止水和保持穩(wěn)定性的作用外，還有控制地表沉降的作用。

2）盾構(gòu)端頭下部及兩側(cè)加固范圍一般也在3 m左右，主要起止水作用。在軟土富水地層中，加固體與原有圍護結(jié)構(gòu)之間加固不密實，極易造成盾構(gòu)在始發(fā)或接收過程中出現(xiàn)涌水事故。

3）當(dāng)在軟土富水地層中進行盾構(gòu)施工時，若端頭加固的長度小于盾構(gòu)機長度，水土容易沿盾殼與土體間的間隙流入盾構(gòu)井。因此，在軟土富水地層中，加固體厚度，為盾構(gòu)機長度，為盾構(gòu)管片寬度。天津地鐵盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭加固體長度一般取11 m。

2 端頭加固的方法

2.1 攪拌加固

攪拌加固是土體改良加固常用的措施之一，在盾構(gòu)端頭加固中經(jīng)常被采用。該方法施工方便、速度快、造價低，主要適用于粘土、粉土，在砂性地層中加固效果較差。為保證止水效果，要求加固體與原有圍護結(jié)構(gòu)密貼，而攪拌樁不能實現(xiàn)，因此攪拌加固需要其他加固方式配合使用，如旋噴加固、注漿加固等。

2.2 旋噴加固

旋噴加固在盾構(gòu)端頭加固中應(yīng)用也比較多，使用在粘土、粉土地層，對密實砂層加固效果較差，一般施工深度不宜超過25 m。該方法施工方便、速度快、造價較攪拌加固較高，能較好地與原有圍護結(jié)構(gòu)密貼。

2.3 凍結(jié)加固

凍結(jié)法加固使用于各種地層，適用范圍廣，可以選擇地面垂直凍結(jié)加固，也可以進行洞內(nèi)水平加固，加固效果好。凍結(jié)法相比攪拌、旋噴加固，其專業(yè)性較高，對施工技術(shù)質(zhì)量等方面的要求也更高，一旦沒有達到預(yù)期的凍結(jié)效果，將帶來極大的工程風(fēng)險。凍結(jié)還存在凍脹和融沉問題，為了減小對周邊地層的影響，需提前對土體進行注漿改良，后期根據(jù)監(jiān)測情況進行融沉注漿。由于可以在洞內(nèi)進行水平打孔凍結(jié)，凍結(jié)法也較多地應(yīng)用于場地受限的端頭加固。

2.4 注漿加固

注漿加固適用于粘土層、粉土層、砂層等多種地層。注漿加固后加固體均質(zhì)性較差，單靠注漿加固一種手段很難達到預(yù)期的效果，注漿加固一般作為一種補充手段配合攪拌加固、旋噴加固以及凍結(jié)加固等加固方式使用。

3 天津地鐵盾構(gòu)端頭加固工程實例

在天津地鐵工程實際應(yīng)用中，一般選用以上加固方式中的兩種或者多種組合，單靠一種加固方式很難達到加固效果。表1列舉了已完成的天津地鐵盾構(gòu)端頭加固的工程實例。

表1 天津地鐵盾構(gòu)端頭加固工程實例

續(xù)表1 mm

4 結(jié)論

1）天津地鐵盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭加固范圍除滿足強度和整體穩(wěn)定性的要求外，還要充分考慮地下水的影響。綜合各方面的因素，目前天津地鐵盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭加固長度11 m是安全合理的。

2）對于地下2層車站，加固深度都在20 m以內(nèi)，攪拌樁和旋噴樁的成樁質(zhì)量較好，一般采用攪拌樁+旋噴樁加固，對于不具備場地條件的可以采用洞內(nèi)水平凍結(jié)+注漿加固。

3）對于地下3層車站，加固深度都在25 m以上，攪拌樁和旋噴樁的成樁質(zhì)量難以保證，一般采用凍結(jié)法+注漿加固，當(dāng)?shù)貙右哉承酝翞橹髑抑苓厽o重要建（構(gòu)）筑物時，也可以考慮采用攪拌樁+旋噴樁加固。

U455.43

C

1008-3197（2015）06-48-02

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.016

2015-08-07

童剛強/男，1985年出生，工程師，碩士，天津市地下鐵道集團有限公司，從事地鐵工程技術(shù)管理工作。