周曉華，何 冬，楊 平*

(1.江蘇省南京重大路橋建設(shè)指揮部，南京 210033；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

盾構(gòu)端頭加固是盾構(gòu)始發(fā)、接收技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，端頭加固的成功與否，直接關(guān)系盾構(gòu)的安全[1]。盾構(gòu)的始發(fā)與接收是盾構(gòu)施工中風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)，其主要風(fēng)險(xiǎn)是在盾構(gòu)始發(fā)與接收過程中要進(jìn)行洞門鑿除，在洞門鑿除階段極易發(fā)生坍塌、涌砂涌水等事故，主要原因在于加固體自身強(qiáng)度不夠，難以滿足抗滑移剪切的要求；加固體不連續(xù)，局部出現(xiàn)滲漏；加固體節(jié)點(diǎn)處理不理想，特別是圍護(hù)樁與加固體之間的間隙處理、不同工法的界面處理等[2]。

處于軟弱富水土層中的洞門，由于地層土體具有含水量豐富、富水性良好、滲透性好等特點(diǎn)，為確保盾構(gòu)始發(fā)與接收的安全，選擇合適的端頭加固方式尤為重要[3]。本文依托南京寧和城際軌道交通NH-TA05標(biāo)新梗街站端頭加固工程實(shí)踐，針對(duì)軟弱富水土層實(shí)際地質(zhì)條件，提出合理的盾構(gòu)端頭加固方式及工藝。

1 工程概況

南京寧和城際軌道交通土建施工NH-TA05標(biāo)天河路站～新梗街站盾構(gòu)井區(qū)間隧道工程起于江東南路(規(guī)劃)和雙閘接(規(guī)劃)交叉口的天河路站，線路出天河路站后，向南下穿雙龍路、恒河路、塘、雙閘村民房、中心路、中心河后到達(dá)淮河路(規(guī)劃)與新梗街(規(guī)劃)交叉口的新梗街站。區(qū)間最小曲率半徑R=350 m，左右線間距13.5～18.5 m。區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程YCK11+677.6，終點(diǎn)里程YCK12+445.300，區(qū)間全長(zhǎng)1537.40 m。

新梗街站洞門底部埋深約15.82 m，所處地層主要為粉細(xì)砂層，其地質(zhì)分布圖如圖1所示。端頭地下水屬孔隙承壓水，穩(wěn)定水位埋深3.26 m，標(biāo)高+2.67，具微承壓性，年變幅一般在1.0～1.5 m左右，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性為微腐蝕性，隔水底板為下浮巖層，厚度約為30～50 m。車站端頭加固范圍內(nèi)無相關(guān)管線及敏感性構(gòu)筑物，工程環(huán)境較好。

圖1 盾構(gòu)接收端頭地質(zhì)分布圖

2 盾構(gòu)端頭加固技術(shù)方案

2.1 端頭加固方案選擇

端頭加固施工方法很多，采取的施工方式主要取決于工程地質(zhì)條件。工法選擇不當(dāng)，會(huì)使加固效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，不僅導(dǎo)致外部水土流失、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)造成工程造價(jià)成倍增加[4]。

下面主要針對(duì)軟土地層、砂性土層、巖石層三類巖土討論各自適用的加固方式。

(1)軟土地層。軟土具有高含水量和高孔隙性、滲透性弱、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、顯著的觸變性和蠕變性、且層與層之間的物理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點(diǎn)。在軟土地層中，目前盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有SMW工法樁+高壓旋噴樁，水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁，高壓旋噴樁等。當(dāng)受周圍環(huán)境限制不能進(jìn)行上述加固方法時(shí)，可采用人工凍結(jié)法進(jìn)行地基加固[2]。但要注意控制土體的凍脹與融沉以及盾構(gòu)在通過凍結(jié)區(qū)時(shí)不能停留以防刀盤被凍住這兩個(gè)問題[5-6]。

(2)砂性土層。砂性土層所具有的特點(diǎn)有滲透系數(shù)大、抗剪強(qiáng)度高、粘聚力小、容易排水固結(jié)等[7]。在盾構(gòu)始發(fā)與接收工程中，由于該類土層具有滲透系數(shù)大，易被地下水沖蝕的特點(diǎn)，地基處理難度很大，尤其在高水壓砂性土層中，若地基加固處理效果不好，在水頭壓力的作用下，特別容易發(fā)生涌水、涌砂等工程事故。在砂性土層中盾構(gòu)隧道端頭加固可采用的加固方式有深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工水平凍結(jié)，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工垂直凍結(jié)，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+深井降水，高壓旋噴樁+深井降水等[7]。但要注意的是深層降水井在使用前應(yīng)進(jìn)行試抽水試驗(yàn)，以確保其能夠達(dá)到預(yù)期的降水效果；且地基加固需在深層降水井成井前完成，第一可避免高壓水泥漿液破壞降水井，第二可減少高壓水泥漿被流動(dòng)水帶走[8]。

(3)巖石地層。目前在盾構(gòu)始發(fā)與接收施工中經(jīng)常遇到的巖石主要有砂巖、礫巖、泥巖、閃長(zhǎng)巖和花崗巖等。巖石的成因不同決定了其強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度也各不相同。巖石類型的不同，對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與接收的施工影響也不相同，在盾構(gòu)始發(fā)與接收施工中巖石裂隙的發(fā)育程度以及裂隙水的大小對(duì)施工影響尤其重大。在盾構(gòu)始發(fā)與接收施工過程中遇到全斷面巖石地層時(shí)，可不進(jìn)行地基加固，但當(dāng)巖石裂隙較發(fā)育或者裂隙水的較大時(shí)，可采用分層注漿的方法封堵裂隙[9]。

2.2 端頭化學(xué)加固方案設(shè)計(jì)

盾構(gòu)到達(dá)加固厚度為10 m，在盾構(gòu)斷面位置加固范圍為隧道地板上、下3 m，隧道頂板3 m以上至地面區(qū)域?yàn)槿跫庸虆^(qū)。端頭水泥土加固采用三軸攪拌樁(樁徑為φ850 mm)加固，按300 mm搭接，強(qiáng)加固區(qū)樁長(zhǎng)12.2 m，水泥摻量20%，上部弱加固區(qū)水泥摻量7%，采用p42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

攪拌樁與地下連續(xù)墻之間的縫隙(300 mm)采用三重管旋噴樁(樁徑為φ800 mm)進(jìn)行補(bǔ)加故，旋噴樁搭接為300 mm，除封口樁加固至地面，其他均由隧道地板下3 m加固至隧道頂板上，水泥采用p42.5級(jí)普通硅酸鹽。高壓旋噴樁隔空跳打(施工間隔不小于4 m)。三軸攪拌樁+三重管旋噴樁加固土體后，在端頭加固區(qū)設(shè)置應(yīng)急降水井，井深22 m，井管深入隧道底下5 m。端頭加固平面與剖面如圖2所示。

圖2 新梗街站盾構(gòu)接收端頭加固平面圖與剖面圖

按設(shè)計(jì)要求，土體加固后，弱加固區(qū)強(qiáng)度不低于原狀土的強(qiáng)度，強(qiáng)加固區(qū)土體加固強(qiáng)度指標(biāo)：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8MPa，滲透系數(shù)≤1.0*10-7 cm/s。同時(shí)確保加固土體的均勻性、密封性和自立性。

2.3 凍結(jié)加固方案設(shè)計(jì)

由于本工程端頭處于軟弱富水土層中，考慮到攪拌加旋噴樁加固體與洞門槽壁的間隙封水，在破開預(yù)留鋼筋混凝土洞門時(shí)，防止涌砂涌水發(fā)生。保證盾構(gòu)能夠安全接收，故采用地面垂直局部?jī)鼋Y(jié)法進(jìn)行輔助地基加固。選用凍結(jié)法加固土體具有凍結(jié)壁均勻性好，與洞門槽壁結(jié)合嚴(yán)密，強(qiáng)度高，封水性好，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)[10]，適用于本工程地質(zhì)條件的土體加固。

新梗街站單個(gè)洞門端頭凍結(jié)加固區(qū)域?qū)?0.5 m，非凍結(jié)段0～6.8 m，凍結(jié)段11.8 m。布設(shè)27根凍結(jié)管，呈梅花形布置，凍結(jié)管間距850 mm，凍結(jié)管排間距800 mm，內(nèi)側(cè)凍結(jié)管據(jù)槽壁400 mm；為準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場(chǎng)變化情況，洞門布置3個(gè)測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度、凍結(jié)壁與地下連續(xù)墻交界面溫度和凍結(jié)情況。凍結(jié)孔與測(cè)溫孔布置如圖3所示。按設(shè)計(jì)要求，積極凍結(jié)周期為30 d，凍結(jié)孔單孔流量不小于5 m3/h；積極凍結(jié)7 d鹽水溫度降至-18℃以下，凍結(jié)15 d鹽水溫度降至-24℃以下，開挖前鹽水溫度降至-28℃以下，去、回鹽水溫差不大于2℃；凍結(jié)壁與地下連續(xù)墻交界面處溫度不高于-5℃，凍結(jié)壁平均溫度低于-10℃[11]。

圖3 新梗街站盾構(gòu)接收端頭凍結(jié)管與測(cè)溫管布置圖

3 盾構(gòu)端頭加固施工

3.1 三軸攪拌樁施工工藝及參數(shù)配置

三軸攪拌樁樁身采用兩噴兩攪工藝，水泥與原狀土需均勻攪拌，下沉和提升過程中均為注漿攪拌[12]，同時(shí)嚴(yán)格控制下沉和提升速度，下沉速度為0.5～1.0 m/min，提升速度為0.5 m/min，設(shè)計(jì)攪拌樁為單排擠壓式連接。

為保證施工質(zhì)量，必須加強(qiáng)施工中主要參數(shù)控制，并要求現(xiàn)場(chǎng)做到掛牌施工。施工前必須先做2～3根試樁，根據(jù)實(shí)際情況確定合理參數(shù)。擬定的三軸攪拌樁主要參數(shù)見表1。

表1 三軸攪拌樁主要技術(shù)參數(shù)

3.2 三重管旋噴樁施工工藝及參數(shù)配置

三重管高壓旋碰樁施工技術(shù)是用三層噴射管使高壓水和空氣同時(shí)橫向噴射，沖蝕切割地基土體，再借空氣和水的上升力把以破除的余土漿托舉到地表排除；與此同時(shí)，另一個(gè)噴嘴將水泥漿以較低壓力噴射注入到被切割、攪拌的土體中，使水泥土與土混合固結(jié)成樁，達(dá)到加固的目的。三重管高壓旋噴樁主要技術(shù)要求指標(biāo)見表2。

表2 三重管高壓旋噴樁主要技術(shù)參數(shù)

3.2 凍結(jié)法施工工藝及參數(shù)配置

凍結(jié)法施工主要分為凍結(jié)站安裝和凍結(jié)管鉆孔施工兩部分，兩者一般同時(shí)進(jìn)行。鉆孔結(jié)束后即可轉(zhuǎn)入凍結(jié)器管路連接階段，后再對(duì)土體進(jìn)行凍結(jié)加固運(yùn)轉(zhuǎn)。單個(gè)端頭凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 凍結(jié)施工主要技術(shù)參數(shù)

4 盾構(gòu)端頭加固效果

三軸攪拌樁加固30 d后取芯檢驗(yàn)，所得的芯樣連續(xù)完整，最小強(qiáng)度為1.46MPa，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的最小0.8 MPa要求；凍結(jié)加固33 d后，經(jīng)驗(yàn)算得最小凍結(jié)壁厚度為1.67 m，凍結(jié)壁平均溫度為-10.6℃，均滿足設(shè)計(jì)要求；在端頭洞門加固區(qū)內(nèi)布設(shè)9個(gè)米字型探孔，孔深85 cm，布設(shè)探孔過程未見流水流砂且界面溫度均低于-5℃。經(jīng)實(shí)踐證明，采用水泥土三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部?jī)鼋Y(jié)+應(yīng)急降水井的端頭加固方式能充分滿足軟弱富水土層端頭接收的要求，安全性得到保證。

5 結(jié)束語

針對(duì)南京寧和城際軌道交通土建施工NH-TA05標(biāo)新梗街站軟弱富水土層的地質(zhì)條件，采用三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部?jī)鼋Y(jié)+應(yīng)急降水井的方法進(jìn)行端頭加固，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析得出以下結(jié)論。

(1)軟土地區(qū)，盾構(gòu)隧道端頭常用的加固方式有水泥土深層攪拌樁+高壓旋噴樁，SMW工法樁+高壓旋噴樁，高壓旋噴樁等。

(2)砂層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道端頭加固，可采用的加固方式有深層攪拌樁+高壓旋噴樁+深井降水，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工水平凍結(jié)，深層攪拌樁+高壓旋噴樁+人工垂直凍結(jié)，高壓旋噴樁+深井降水等。

(3)新梗街站端頭加固實(shí)踐中，認(rèn)為在軟弱富水土層中采用水泥土三軸攪拌樁+三重管旋噴樁+垂直局部?jī)鼋Y(jié)+應(yīng)急降水井的端頭加固方式是行之有效且安全可靠的。

(4)確定采用何種加固方式后，應(yīng)針對(duì)地層特點(diǎn)選擇可靠的施工設(shè)備，確定合理的施工參數(shù)，確保施工安全。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]趙 峻.盾構(gòu)進(jìn)出洞施工關(guān)鍵技術(shù)施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2008，7(2)：101-105.

[2]趙立峰.富水軟弱地層盾構(gòu)隧道施工端頭加固技術(shù)分析[J].隧道地下工程，2008，9(4)：79-85.

[3]胡 俊.高水壓砂性土層地鐵大直徑盾構(gòu)始發(fā)端頭加固方式研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，6(1)：99-103.

[4]劉玉林，劉天祥.富水砂層地質(zhì)條件下盾構(gòu)接收技術(shù)[J].施工技術(shù)，2012，12(6)：9-12.

[5]毋海軍.復(fù)雜地層盾構(gòu)接收新技術(shù)研發(fā)[J].鐵道建筑技術(shù)，2013，10(1)：48-52.

[6]邢慧堂.超大型泥水盾構(gòu)水中接收施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2010，8(1)：449-452.

[7]楊 平.人工凍結(jié)法在南京地鐵張府園車站的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2003，24(8)：388-391.

[8]李 奕，鐘志全.泥水盾構(gòu)到達(dá)施工新技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2010，5(1)：70-72.

[9]賁志江.富水砂層大直徑盾構(gòu)端頭加固與接收技術(shù)研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

[10]張 婷，楊 平.人工凍結(jié)法在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].森林工程，2012，28(6)：74-81.

[11]王效賓，楊 平，張 婷，等.盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)解凍溫度場(chǎng)三維有限元分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，10(6)：586-590.

[12]馬天文.盾構(gòu)始發(fā)采用化學(xué)加固方式時(shí)的設(shè)計(jì)方法及加固工藝[J].森林工程，2009，25(5)：66-69.