摘" 要： 隨著地鐵建設(shè)周邊環(huán)境及地質(zhì)水文條件越來越苛刻、復(fù)雜，傳統(tǒng)單一的盾構(gòu)端頭加固方法很難再適應(yīng)解決盾構(gòu)始發(fā)過程中的多重客觀問題，為達(dá)到縮短施工周期，節(jié)約建設(shè)成本，始發(fā)安全可靠的目標(biāo)，行業(yè)中逐漸嘗試多元化新型組合盾構(gòu)始發(fā)工藝。該文結(jié)合工程實(shí)例和理論分析，論述采用短鋼套筒輔助技術(shù)的新型組合工法可有效解決液化地層盾構(gòu)始發(fā)中的主要風(fēng)險(xiǎn)，為液化地層沒有端頭地面加固條件或優(yōu)化傳統(tǒng)加固的盾構(gòu)始發(fā)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：液化地層；短鋼套筒；盾構(gòu)始發(fā)；地層加固；富水

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0164-05

Abstract： As the surrounding environment of subway construction and the geological and hydrological conditions become more and more rigorous and complex， the traditional single shield end reinforcement method is difficult to adapt to solving multiple objective problems in the process of shield launching. In order to shorten the construction cycle， save construction costs， and start safely and reliably， the industry gradually tries to diversify the new combined shield launching process. Based on engineering examples and theoretical analysis， this paper suggests that the new combined construction method with short steel sleeve auxiliary technology can effectively solve the main risks in the starting of shield tunneling in liquefied strata， thus providing reference for the starting of shield tunneling in liquefied strata without end ground reinforcement conditions or optimizing the traditional reinforcement.

Keywords： liquefied formation; short steel sleeve; shield launching; formation reinforcement; water-rich

適宜的盾構(gòu)始發(fā)工藝關(guān)系到盾構(gòu)能否順利始發(fā)，同時(shí)也可以縮短施工周期，節(jié)約建設(shè)成本。目前，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)工藝有多種，如降水法、旋噴樁加固法、攪拌樁加固法、注漿法和冷凍法等，結(jié)合工程條件與每種加固方法的適用性、可操作性、經(jīng)濟(jì)性選擇合適的加固方法[1]。以上方法基本以“地層預(yù)加固”為主，隨著工程建設(shè)周邊環(huán)境及地質(zhì)水文條件愈來愈苛刻、復(fù)雜，常常出現(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)端頭沒有地面加固條件或單一工藝加固后效果不佳情況。因此，盾構(gòu)端頭加固施工方法從傳統(tǒng)單一的端頭加固工法向多元化新型組合工法轉(zhuǎn)變已是行業(yè)趨勢(shì)，也是未來研究的方向[2]。

其中，全鋼套筒輔助技術(shù)在以往工程中常會(huì)應(yīng)用到盾構(gòu)機(jī)接收階段，在盾構(gòu)始發(fā)過程中采用全鋼套筒的案例較少，主要存在于鋼套筒側(cè)壁，對(duì)盾構(gòu)前盾與中盾、中盾與盾尾之間的焊接組裝，負(fù)環(huán)管片安裝固定，后配套臺(tái)車與盾構(gòu)主體連接等存在諸多不便，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操難度遠(yuǎn)大于采用鋼套筒接收時(shí)的工況。雖然陳星欣等[3]在佛山市地鐵盾構(gòu)區(qū)間中采取對(duì)盾構(gòu)始發(fā)密閉鋼套筒進(jìn)行改進(jìn)與實(shí)踐，但盾構(gòu)始發(fā)采用全鋼套筒在工期、造價(jià)等均不占優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致盾構(gòu)始發(fā)過程中很少采用全鋼套筒工藝。

鋼套筒輔助技術(shù)作為代表裝配化程度較高的工藝，值得行業(yè)內(nèi)進(jìn)一步探索。近幾年在地鐵區(qū)間工程中采用的短鋼套筒輔助技術(shù)已在多個(gè)工程中應(yīng)用并取得了良好的效果。如文獻(xiàn)[4]介紹在喀斯特地貌（上軟下硬、巖層裂隙水豐富的復(fù)雜地層）中盾構(gòu)始發(fā)因常規(guī)地面加固后仍有大量裂隙水從盾構(gòu)預(yù)留洞口冒出且常規(guī)降水措施無法降低水位，而選擇長(zhǎng)度為600 mm的短鋼套筒輔助控制技術(shù)；文獻(xiàn)[5]介紹在以色列特拉維夫（富水砂層）盾構(gòu)始發(fā)端頭因采用旋噴樁加固的方式后效果不佳，而選擇長(zhǎng)度為2 175 mm的短鋼套筒始發(fā)技術(shù)；文獻(xiàn)[6]介紹在鄭州地鐵3號(hào)線（富水粉細(xì)砂層）盾構(gòu)始發(fā)因端頭采用水平WSS注漿（無收縮雙液注漿）加固后效果不佳而選擇長(zhǎng)度為800 mm的短鋼套筒始發(fā)技術(shù)。

雖然已有學(xué)者開展了短鋼套筒的相關(guān)總結(jié)，但多側(cè)重于施工單位對(duì)短鋼套筒的安裝操作要點(diǎn)上。本文結(jié)合工程實(shí)例，從設(shè)計(jì)角度分析短鋼套筒組合始發(fā)技術(shù)在液化地層盾構(gòu)始發(fā)中的應(yīng)用。

1" 依托工程概況

太原地鐵1號(hào)線一期工程全長(zhǎng)約33.8 km，區(qū)間工程主要以盾構(gòu)施工為主，盾構(gòu)外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，其中盾構(gòu)區(qū)間穿越汾河漫灘區(qū)長(zhǎng)度約4.7 km，汾河漫灘區(qū)涉及范圍約“三站三區(qū)間”，此范圍區(qū)間掘進(jìn)采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)始發(fā)與接收范圍區(qū)間埋深約11～13 m。

1.1 水文地質(zhì)

根據(jù)太原地區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料并結(jié)合本區(qū)間的巖土工程勘察報(bào)告結(jié)果，盾構(gòu)區(qū)間穿越汾河漫灘區(qū)自上而下大致分為第四系人工填土、第四系全新統(tǒng)沖洪積層的黏質(zhì)粉土層（局部）、粉細(xì)砂層、中砂層和粗砂層等。

其中，人工填土結(jié)構(gòu)松散；黏質(zhì)粉土層以稍密狀態(tài)為主，具中壓縮性，土質(zhì)不均；粉細(xì)砂層呈松散-稍密狀態(tài)，具中壓縮性，土質(zhì)不均，局部夾薄層黏性土；中砂層呈松散-稍密狀態(tài)，具中壓縮性，土質(zhì)不均，偶見角礫，局部夾薄層黏性土；粗砂層以中等密實(shí)狀態(tài)為主，具中壓縮性，土質(zhì)不均，偶見角礫，夾薄層黏性土。

本場(chǎng)區(qū)地下水為松散層孔隙潛水，主要賦存于沖、洪積相砂類土、粉土中。潛水穩(wěn)定水位埋深1.30～3.30 m。

地面以下20.0 m內(nèi)分布的粉細(xì)砂、局部中砂層及粗砂為可液化土層，液化指數(shù)為1.61～37.82，液化等級(jí)為中等—嚴(yán)重。案例工程選擇一處液化地層較為嚴(yán)重的盾構(gòu)始發(fā)場(chǎng)地，地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

1.2 周邊環(huán)境

本標(biāo)段的盾構(gòu)區(qū)間沿著太原市迎澤大街敷設(shè)，迎澤大街為雙向12車道，沿路基本均為省、市級(jí)政府機(jī)關(guān)或金融機(jī)構(gòu)，道路下方市政管線眾多，本案例盾構(gòu)始發(fā)影響范圍主要有3.2 m×1.5 m的排水箱涵（砼），埋深4.2 m；1.4 m×1.0 m的電纜箱涵（110 kV），埋深2.7 m，其中，有一根橫跨盾構(gòu)始發(fā)區(qū)的電力托管并入此電力箱涵；DN800 mm給水管（鑄鐵），埋深3.2 m。

車站主體基坑施工時(shí)，因工籌、占路圍擋條件等因素影響，未能將主體基坑施工時(shí)需改遷的市政管線一并改遷至盾構(gòu)端頭始發(fā)地面加固場(chǎng)地外，導(dǎo)致后續(xù)端頭不具備地面預(yù)加固條件，如圖2所示。

2 設(shè)計(jì)方案研究

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)于在富水砂層場(chǎng)地的盾構(gòu)始發(fā)，常規(guī)工藝采用攪拌樁進(jìn)行地面預(yù)加固，縱向加固長(zhǎng)度則為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度+（1.5～2.0 m）為宜，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)盾尾進(jìn)入洞門并開始注漿后，盾構(gòu)刀盤尚未脫離加固區(qū)，這樣盾構(gòu)刀盤出了加固區(qū)以后，由于同步注漿漿液的密封止水作用，不會(huì)有水土沿盾殼與土體間的間隙流入始發(fā)井，不會(huì)造成水土流失，引起大的地表沉降[7]。因此，盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)行地層預(yù)加固的主要目的是為了保證盾構(gòu)始發(fā)過程中地層穩(wěn)定、 防止地下水噴涌及掌子面失穩(wěn)坍塌，故一般應(yīng)滿足：①端頭土體洞門破除擾動(dòng)條件下的地層穩(wěn)定性要求；②洞門接口處不發(fā)生滲漏水，特別在富水砂層不發(fā)生涌水、涌砂的要求；③防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)范圍引發(fā)過大的地面沉降或坍塌[2，7-8]。

由于車站主體施工時(shí)市政管線未改遷至地面預(yù)加固區(qū)的影響范圍外，本工程不具備地面加固條件。結(jié)合本項(xiàng)目的地質(zhì)水文條件和周邊條件分析，項(xiàng)目最終選擇“帶玻璃纖維筋的地下連續(xù)墻+短鋼套筒輔助技術(shù)+水平深孔注漿”的組合盾構(gòu)始發(fā)工藝。

2.2 組合盾構(gòu)始發(fā)工藝分析

2.2.1 帶玻璃纖維筋的地下連續(xù)墻

本工程盾構(gòu)端頭洞門范圍地下連續(xù)墻采用玻璃纖維筋，盾構(gòu)機(jī)可直接切削地下連續(xù)墻，避免拆除圍護(hù)結(jié)構(gòu)（地連墻）時(shí)振動(dòng)對(duì)土體產(chǎn)生影響，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)從啟動(dòng)后即可頂緊地下連續(xù)墻，提前建立土壓平衡。

2.2.2 短鋼套筒輔助技術(shù)

盾構(gòu)始發(fā)的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是防止洞門出現(xiàn)滲漏水，盾構(gòu)始發(fā)初期盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，盾構(gòu)蛇行造成盾尾與洞門間隙不均，影響盾尾刷與洞門處橡膠簾布之間的密封效果，尤其富水砂層可能引起涌水、涌砂。

常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)措施如降水法、攪拌樁法、注漿法和冷凍法等，無一例外的主要核心是解決“滲漏水”的問題，“治水”是決定盾構(gòu)始發(fā)成敗的關(guān)鍵因素。對(duì)于常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)工藝選擇預(yù)加固始發(fā)前端土體，以降低始發(fā)范圍土體強(qiáng)度、滲透性，防止發(fā)生突水、涌砂等，實(shí)則將地下水排斥至始發(fā)加固區(qū)范圍外。而本工程的“治水”思路另辟蹊徑，將“止水措施”設(shè)置在始發(fā)井內(nèi)，即在洞門向內(nèi)外延一段短鋼套筒，短套筒內(nèi)設(shè)置多道“止水措施”的做法，有利于杜絕涌水、涌砂。

經(jīng)過全面分析本工程場(chǎng)地的地質(zhì)水文和周邊條件，同時(shí)借鑒太原地鐵2號(hào)線在汾河漫灘區(qū)已有盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，采用長(zhǎng)度為1 200 mm的短鋼套筒。短鋼套筒為由2塊帶短肋的鋼環(huán)拼接而成，內(nèi)側(cè)面直徑6.7 m（盾構(gòu)機(jī)直徑6.4 m），鋼環(huán)內(nèi)置2道密封鋼絲刷，短鋼套筒外邊緣再設(shè)置一道常規(guī)的密封橡膠簾布及壓板，如圖3所示。

在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)且安裝負(fù)環(huán)管片之前，將2道鋼絲刷及簾布橡膠止水裝置之間所圍成的密閉空間填充滿盾尾油脂，盾尾油脂采用手涂型，其施作質(zhì)量的好壞將直接影響盾尾在盾構(gòu)始發(fā)過程中的防水性能。同時(shí)在2道鋼刷之間預(yù)留注油脂管，結(jié)合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)短套筒的密封效果進(jìn)一步向盾體與短套筒之間多次壓注油脂，確保動(dòng)態(tài)中可靠“治水”，同時(shí)短套筒的密閉環(huán)境可快速建立洞門處機(jī)頭的土倉壓力。由此可見，短套筒具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，常規(guī)“地層預(yù)加固”工藝屬隱蔽工程，即使對(duì)加固后土體強(qiáng)度、滲透性等進(jìn)行檢測(cè)，但因監(jiān)測(cè)點(diǎn)有限，必然不能做到無死角，可能存在薄弱區(qū)域，從而出現(xiàn)很多工程實(shí)例中預(yù)加固不理想的情況，如在始發(fā)開始時(shí)才顯露出加固效果不理想，則往往需要較大的人力、物力去補(bǔ)強(qiáng)，過程中存在引發(fā)周邊地層較大變形甚至始發(fā)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。而采用短鋼套筒將始發(fā)可能出現(xiàn)的滲漏水等問題“誘導(dǎo)”至一個(gè)可方便操作、可二次補(bǔ)強(qiáng)的區(qū)域。即短鋼套筒的獨(dú)特之處，如圖4所示。

本工程盾構(gòu)始發(fā)除采用短鋼套筒，同時(shí)采用常規(guī)“負(fù)環(huán)+反力架”的輔助措施。當(dāng)盾尾完全進(jìn)入正環(huán)區(qū)間后，及時(shí)向洞門處正環(huán)管片背后進(jìn)行同步注漿和二次注漿，經(jīng)檢查洞門封堵可靠即可有序拆除短鋼套筒；若仍有較大滲漏水，則可通過鋼套筒在靠近結(jié)構(gòu)側(cè)墻一側(cè)留出注漿口注入速凝材料，協(xié)助封堵洞門，整套始發(fā)工藝步序如圖5所示。

2.2.3 水平深孔注漿

本工程盾構(gòu)穿越嚴(yán)重液化的不良地層，而液化土的特性不僅是在地震荷載作用下出現(xiàn)液化現(xiàn)象，同樣在持續(xù)的動(dòng)荷載作用下也可能導(dǎo)致飽和砂土孔隙壓力升高，以及引起土體剪切強(qiáng)度喪失和有效應(yīng)力降低。因此，土體液化對(duì)結(jié)構(gòu)的主要破壞為地基失效引發(fā)結(jié)構(gòu)不均勻沉陷或結(jié)構(gòu)上浮。

對(duì)于盾構(gòu)始發(fā)階段掘進(jìn)壓力、速度、姿態(tài)等多重因素的不穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)對(duì)始發(fā)范圍土體會(huì)造成一定的擾動(dòng)。為了解決盾構(gòu)始發(fā)過程因土體擾動(dòng)引起盾構(gòu)機(jī)下部地基承載力不足而沉陷也是設(shè)計(jì)過程中需認(rèn)真考慮的問題；同時(shí)，在后期地鐵正常使用階段，預(yù)防地震液化對(duì)區(qū)間隧道上浮和變形破壞也是地鐵設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，尤其盾構(gòu)與車站銜接處受地震液化影響最為明顯，有必要對(duì)盾構(gòu)區(qū)間四周土體進(jìn)行加固處理[9-11]。本工程采用始發(fā)井內(nèi)水平深孔注漿對(duì)盾構(gòu)始發(fā)范圍土體進(jìn)行加固。

辛振省等[12]在盾構(gòu)始發(fā)端預(yù)加固合理范圍研究中，采用三維有限差分程序模擬不同縱向長(zhǎng)度和不同徑向厚度的預(yù)注漿盾構(gòu)始發(fā)的力學(xué)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，其縱向加固深度不小于8 ｍ，徑向加固厚度不小于2 ｍ時(shí)的預(yù)注漿范圍時(shí)始發(fā)斷面最大主應(yīng)力、掌子處位移、地表沉降和破壞區(qū)范圍等均可達(dá)到較為理想狀態(tài)。

本工程盾構(gòu)始發(fā)段水平加固深度為10 m，盾構(gòu)徑向加固厚度與標(biāo)準(zhǔn)段穿越嚴(yán)重液化地層盾構(gòu)洞內(nèi)注漿加固厚度保持一致，徑向加固厚度為3 m。采用鉆桿后退式深孔注漿方式，考慮富水砂層特性，最外排注漿孔采取雙液漿速凝材料快速形成封地層，避免漿液流失，其余范圍采用水泥漿液。由外側(cè)向洞門中心對(duì)稱進(jìn)行跳孔注漿，采取奇數(shù)孔定量控制，偶數(shù)孔定壓控制注漿。對(duì)于本區(qū)間工程其他段的液化處理，因篇幅有限，本文不作具體論述。

另外，隨著盾構(gòu)機(jī)技術(shù)不斷改進(jìn)，本工程盾構(gòu)機(jī)設(shè)有前、后2道閘門，螺旋機(jī)尾端設(shè)置一處排土閘門，在螺旋輸送機(jī)的入口前部承壓隔板上設(shè)置一處安全閘門，可在發(fā)生土砂或地下水噴涌時(shí)及時(shí)封閉土倉，交替開啟減小噴涌量，在保持土倉壓力的同時(shí)通過保壓泵正常出渣。同時(shí)在推進(jìn)過程中向土倉和掌子面注入膨潤(rùn)土漿液改良渣土。膨潤(rùn)土的注入有效地保證了土倉的壓力，可更好地控制出土量，使砂層過?？紫端畨毫︶尫诺耐瑫r(shí)增加砂層的密實(shí)度，降低液化地層中掌子面壓力難以建立而出現(xiàn)土體坍塌情況的概率，為富水砂層盾構(gòu)始發(fā)提供多重保險(xiǎn)。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

對(duì)于在富水砂層場(chǎng)地進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)，常規(guī)工藝采取攪拌樁地面預(yù)加固（攪拌樁與盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間間隙采用旋噴樁包角），縱向加固長(zhǎng)度為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度+2.0 m（即總長(zhǎng)10 m），洞門上下、左右3 m范圍的攪拌樁為實(shí)樁，其余為空樁，一次盾構(gòu)始發(fā)加固費(fèi)用約85萬。

本工程案例相較常規(guī)工藝的不同之處在于采用短鋼套筒+水平注漿。一套1 200 mm長(zhǎng)度的短鋼套筒費(fèi)用（含加工、安裝費(fèi)）約18萬，水平注漿費(fèi)用約20萬。

單次盾構(gòu)始發(fā)可節(jié)約47萬元，且無須遷改上方加固范圍內(nèi)的市政管線。近幾年，隨著地鐵建設(shè)過程中對(duì)社會(huì)影響程度加劇，前期市政管線遷改費(fèi)用巨大，而且遷改過程中協(xié)商難度大，尤其高壓電力管線的難度更大。

4 結(jié)束語

盾構(gòu)機(jī)直接切削帶玻璃纖維筋的地下連續(xù)墻，逐漸進(jìn)入地層、直到盾尾完全進(jìn)入地層之前，在盾構(gòu)井逐漸增加負(fù)環(huán)管片，掌子面注入膨潤(rùn)土漿液改良渣土且進(jìn)行同步注漿，基本可以避免出現(xiàn)掌子面坍塌導(dǎo)致地層不穩(wěn)定而引起較大地面沉降的情況；往往最大風(fēng)險(xiǎn)來自于盾構(gòu)機(jī)與洞門之間密封不嚴(yán)實(shí)導(dǎo)致的滲漏水，地層中大量自由水的快速流失引發(fā)土層應(yīng)力重分布，土層再固結(jié)而引起地層不均勻沉降，甚至當(dāng)滲漏點(diǎn)擴(kuò)大時(shí)，尤其在富水砂層中會(huì)引發(fā)涌水、涌砂事故。針對(duì)以上風(fēng)險(xiǎn)采用短鋼套筒措施，相當(dāng)于在始發(fā)井內(nèi)置多道止水密封閥，緩解對(duì)常規(guī)橡膠簾布止水裝置的直接沖擊，在施工便捷性、造價(jià)經(jīng)濟(jì)性及“治水”安全可靠性上均有較大優(yōu)勢(shì)，值得在盾構(gòu)始發(fā)中借鑒和推廣。結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出以下幾點(diǎn)建議。

１）短鋼套筒始發(fā)工藝采用了裝配式構(gòu)件，雖已在多個(gè)工程實(shí)例中應(yīng)用且取得了良好的效果，但對(duì)以往傳統(tǒng)地層預(yù)加固的理論研究理念有一定的挑戰(zhàn)。目前此工藝更多以施工單位為主導(dǎo)，需進(jìn)一步得到業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)專家認(rèn)可及推廣。

２）對(duì)于未來地鐵建設(shè)中地面交通、市政管線、既有建（構(gòu)）筑物等多重邊界條件愈來苛刻、復(fù)雜的情況，短鋼套筒的組合始發(fā)技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為盾構(gòu)區(qū)間建設(shè)中的重要選擇，值得形成行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步規(guī)范相關(guān)應(yīng)用，更好服務(wù)于盾構(gòu)區(qū)間工程。

３）多個(gè)工程案例因盾構(gòu)始發(fā)預(yù)加固效果不理想而選擇采用短鋼套筒始發(fā)工藝，筆者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)研分析，對(duì)于非液化的富水砂層采用短鋼套筒始發(fā)時(shí)，嘗試取消水平注漿加固值得進(jìn)一步研究。

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