中铁十五局集团有限公司城市轨道交通工程公司
【摘 要 】 本文以深圳地铁罗宝线土建六标盾构施工的工程实际，并结合海瑞克盾构机的结构特点，从理论上阐述了盾构机掘进到达端流砂地层端头加固的范围，为盾构机施工规避风险提供了理论依据，对今后的盾构施工有指导意义。
【关键词】 盾构机 端头加固 风险
1、工程概况
深圳地铁罗宝线土建六标有两个区间即【新安站---宝安中心站】和【宝安中心站---宝体公园站】单线总长1315.188米。区间最大埋深15.91米，最小10.86米。隧道主要穿过砂层、粉质粘土、砂质粘土、砾质粘土层。隧道顶多在砂层范围，基础底主要落在粘性土上，部分在全风化花岗岩上。盾构区间圆形隧道外径6米，内径5.4米，管片宽1.5米，厚300毫米。管片分割数是“3+2+1”，即每环3个标准块A1、A2、A3,2个邻接块分别为B、C型，1个封顶块为K块。施工采用2台德国海瑞克公司生产的EPB直径6250毫米盾构机一前一后在左右线分别进行隧道掘进施工。到达端加固起初设计为4m×24m×20m范围的单管直径为800m的交合旋喷桩，后在破除洞门维护桩间混凝土时有涌砂现象，盾构机推出洞门有很大的风险，经分析将到达端加固范围长度再延长4m即加固长度达到10m（包括围护桩和侧墙）(10m×24m×20m)，盾构机顺利推出洞门。
2、到达端地质和水文情况
图1 新宝区间到达端地质图
如图1所示到达端地质为全断面沙层，且含水丰富，水压也比较大，离海较近，受潮汐影响大。
3、端头加固的作用
3.1 控制地表沉降，端头不坍塌
始发、到达前往往需要凿除洞口井壁的混凝土，割断钢筋，以满足盾构顺利进出洞，而洞口的井壁混凝土有时要达到800mm或更厚，凿除时间长，要避免凿除过程发生坍塌，更要避免因开挖面暴露时间过长而坍塌或造成过大地表沉降。
3.2 控制水土流失
3.2.1盾构始发进入加固体，或盾构到达穿过加固体时，在含水量较高、水平渗透系数大的含砂层、卵石层等地层，盾构进出洞容易造成水土流失，具体表现在涌水和涌沙。
3.2.2 采用泥水盾构时，泥水压力的作用也会使加固体发生水土流失，导致无法达到泥水平衡状态，如果土体不具备一定强度，很容易坍塌。
3.3 加强土体的承载力
由于盾构吊装或拆卸时，重型吊机往往作用在端头位置，为防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌，或对已成形隧道安全造成不利影响，对地表的软弱地层进行加固。
3.4 周边建、构筑物安全
当端头有房屋、管线和道路时，必须采取保护措施，如果具备改移条件的，尽量改移，对于房屋一定要进行鉴定，并进行录像、拍照等获取第一手资料。
4、端头加固的方法
端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，主要取决于地质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。同时考虑安全性、施工方便性、经济性、进度等。
4.1 搅拌桩施工工法
4.1.1 软土地层最常用的端头加固方法之一。通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加固效果差，须与旋喷桩等工法配合使用。
4.1.2 该方法受国产设备性能限制，一般在14m深度以下加固效果即很差。它的优点是工程造价低。
4.1.3易出问题：加固不连续，加固体强度偏低，吊钻头.
4.2. 旋喷桩施工工法
4.2.1对于砂层改良效果好，也适用于淤泥、粉土、粘土层，但砂砾地基和粘着力大的粘土有时不能形成满意的改良桩，施工深度在40m以下时，效果较差。
4.2.2在围护结构与加固体的间隙加固以及角部加固经常被采用。
4.2.3 有三种主要工法选择：单、双、三重管。
4.3 注浆
4.3.1适用于多种地层，尤其是深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆；浆液种类较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等来确定，同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策。
4.4 SMW(soil mixing wall)
水泥类悬浊液在原地层中与土体搅拌混合形成墙体的技术。作挡土墙使用时，一般使用H型钢芯材。桩机为三轴或五轴搅拌桩机。
图2 桩孔布置
4.4.1适用于砂层、淤泥、粘土层，加固宽度小，造价较低，是此类地层最安全可靠的加固方法之一。该方法成桩效果好，止水性好，对周围地层影响小。
4.4.2该工法的优点：加固质量高，桩体连续、强度高（粘土中0.5～1MPa，砂和卵石中0.5～3MPa），适用于各类软土地层，但造价偏高，目前主要采用国外进口的三轴搅拌桩机。对于上软下硬地层不适应。
4.5连续墙、钻孔桩、挖孔桩
4.5.1始发井的挡土墙作为双层结构的方法，对于土层相对较硬，但渗水量偏大的地层适用。需要注意的是：
A、连续墙、钻孔桩上部的充填；
B、夹层的处理。
4.6冻结法
4.6.1适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，该施工法的冻土强度和止水性高，通过测量地下温度，便可确认冻土形成状态；加强施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，冻土墙还能确保长期处于稳定状态。
4.6.2对于动水层，质量不宜保证：有地下水流动时（流速约1～5m/日以上），因其会阻碍冻结的进行，故必须确认地下水流的存在及其流向和流速，检查在有地下水流存在的状况下，是否按计划冻结。并根据其结果，采取必须的措施。对于地下水丰富、透水性大的砂和砂砾层，必须注意地下水流的存在，在有些情况下，必须考虑采用化学注浆法等手段截断地下水或减低流速。一般大于10m/日，冻土扩展受到抑制，冻土形状不规正，大于40m时，冻土扩展困难。
4.6.3对于含水量低的地层不适用。
4.6.4冻土会产生的冻胀和融沉效应，对地面沉隆控制和周边建筑物影响较大。冻胀和融沉因地基条件、冻结时间、冻结规模、解冻速度、荷载条件等而异，一般在砂和砂砾层上小，在粘土、粉砂、亚粘土层大。当可预测到地基冻胀、解冻沉降对周围结构物有不利影响时，必须根据其容许变位量和冻胀与解冻沉降的防护工程的必要性，研究是否需要采取冻结施工法。控制解冻引起的地基沉降还有一种是使温水循环，强制解冻，用化学注浆工程填充孔隙的方法。冻融效应持续时间很长，还会影响到管片后期沉隆变形，注浆液的选用要具备抗冻性能，管片配筋应作一定加强，后期管片还需进行二次注浆等处理。
4.7降水
降低地下水位施工法，在有些土质条件下，往往会产生地基沉降和水井地下水位下降等现象，必须事先周密研究地下水位下降对周围地基等的影响。因此，一般在地层较好，周边环境适应，对建、构筑物影响范围小时采用。且主要应用于始发时，盾构到达时要考虑降水对隧道的影响，须与其他加固措施相结合。在设置降水井的深度时，要注意对预计降水的范围进行封闭。
4.8 SEW工法
（Shield Earth retaining Wall system）. 将FFU制成的挡土墙装到竖井盾构机通过的部分，是划时代的密封直接掘进施工法。 盾构机可直接切削挡土墙，能够缩小地基改良范围，缩短工期，对于软土 地层、不具备加固场地的地层相当有用，但造价相当高。
5、全断面沙层的到达端端头加固范围确定
5.1 到达端纵向加固长度确定
5.1.1加固长度小于盾体长度 如图3所示
图3 加固区小于盾体长度
如图3所示为加固体长度小于10m的情况（10m地层加固8m+维护桩1.2m+车站侧墙0.8m）。当盾构机推到洞门时，此时刀盘露出，刀盘的面板开口、盾构机成洞洞体和盾壳间的14cm的环形间隙和未加固区形成一个漏水通道。如果是流砂，由于盾构机推一环至少需要1小时，无法使盾尾快速进入加固区，利用同步注浆液无法封堵泥砂通道，严重时酿成大的事故。
5.1.2 加固区大于盾体的长度如图4所示
如图4所示为加固长度大于盾体长度的情况。当盾构机推入洞门时，此时刀盘刚露出，由于盾构机的盾尾已经提前进入加固区，盾构机的同步注浆填充了加固区盾构机成洞洞体和盾壳间的间隙封堵了刀盘面板开口、盾构成洞洞体和盾壳间的14cm的环状间隙和未加固区形成的一个通道，此时，盾构机出洞是安全的。
总结以上分析可知在流砂地层盾构机到达端地层加固的纵向长度一定要大于10m,才能保证盾构机安全出洞。这一点往往被人忽视。
图4 加固区大于盾体长度
5.2 到达端横向加固长度确定
端头加固的横向加固尺寸主要考虑稳定和止水作用，这和采用的加固方法、加固效果、盾壳和加固土体抵抗周围水土压力有关。依据经验一般横向长度为盾构机直径加长2.5m---3m。一般淤泥、沙层、粉土均采用3米的参数；其他地层采用1.5m—3m的参数，如图5所示
图5 端头横向加固宽度
6、结束
盾构法隧道施工中，端头土体加固是盾构机始发、到达技术的一个重要组成部分，也是盾构机始发、到达事故多发地带，即端头加固的成功与否直接关系到盾构机能否安全始发、到达，据不完全统计盾构机到达事故率占盾构施工的70%，而事故的直接原因大多是端头加固范围选定不合理。因此，合理选择端头加固范围非常重要。
论文作者:陶云超
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期
论文发表时间:2015/10/12
标签：盾构论文; 地层论文; 粘土论文; 地基论文; 管片论文; 冻土论文; 砂砾论文; 《基层建设》2015年16期论文;