富水软土地层盾构端头土体加固的设计与施工技术

富水软土地层盾构端头土体加固的设计与施工技术

林旸、谭仕波、陈秀文、张方

中国建筑第四工程局有限公司 广东广州 510665

【摘 要】：近年来，随着城市轨道交通工程建设的飞速发展，在富水软土地区采用盾构法施工地铁隧道越来越显示出其特有的优势，得到了广泛的应用。盾构始发和接收是盾构工法中关键工序之一，也是盾构施工中最易发生事故的环节。盾构自工作井始发进入地层或由隧道末端推出进入工作井施工中，首先要解决洞门区域地层的封闭加固问题。本文从加固范围、加固工艺、过程控制等阐述盾构盾头土体加固的设计与施工技术，以解决富水软土地层盾构始发与接收过程洞门土体坍塌及漏水漏砂等风险。

【关键词】：端头加固、盾构始发、洞门漏水、重复搅拌

1、盾构端头土体加固施工现状

总结盾构始发和接收施工经验，大量实践显示盾构始发和接收过程中洞门漏水、漏砂的概率较高，其中接收过程中洞门漏水漏砂概率远远高于始发。目前，我国还没有对盾构始发、接收端头土体加固长度建立明确的标准，各地区实际施工中所采用的加固长度也不一致，有的地方规定为6米，也有的地方统一取8米，而在天津富水软土地区多采用11m。

在天津富水软土及砂土混合地层中，盾构始发、接收洞门外土层多为粉质粘土、粉土、粉砂等，属第一承压水含水层，土层含水量高、渗透性大、水压高。常规三轴搅拌桩加固方法整体效果可控，但细部还存在不密实的缺陷，尤其是加固体与围护结构墙之间的空隙采用高压旋喷桩填充加固，遇富水粉砂层地质时加固效果得不到有效保障，盾构始发和接收漏水漏砂多发生在此部位。实际施工中多表现为：加固土体取芯、探水无异常，洞门破除时无异常，但刀盘在加固土体内掘进时易漏水漏砂，风险不可控。

2、依托工程概况

天津地铁7号线一期工程某区间为单洞单线隧道，隧道结构内径5.9m，外径6.6m。区间设计里程为DK34+812.118～DK35+883.827，左线长1084.245m，右线长1071.709m。区间左、右线间距8.82m～133.39m，纵面呈“V”字形，覆土厚度5.22m～14.23m，最大纵坡25‰。隧道采用盾构法施工，盾构穿越土层主要为粉质黏土层，局部地段穿越黏质粉土层、砂质粉土层、粉砂层。始发端隧道线间距15.2m，覆土厚度9.77m；接收端隧道线间距8.82m，覆土厚度5.39m。端头土体采用水泥土搅拌桩+高压旋喷桩加固。

3、端头土体加固范围设计与计算

3.1 设计模型

目前，盾构端头加固技术设计多采用工程类比法，主要设计理论有圆板强度设计理论、粘土滑移失稳理论、弹塑性极限平衡理论等，其中圆板强度设计理论计算模型适用于确定普通的注浆加固工法加固断面尺寸，其设计模型如下图所示。

图1 圆板强度理论设计模型

如果加固的土体是砂质地层，将加固体看作是用竖井挡土墙支承的圆板来进行结构计算，确定加固范围；如果是粘土地层，可以假定为拆除临时挡土墙时形成的圆弧滑动面来确定加固范围。加固土体的厚度公式为：

式中：P-洞门形心处水土压力合力；

D-洞门直径；

-加固土体的极限抗拉强度；

-安全系数取1.5～2.0；

-取1.2。

3.2 加固体厚度计算

根据实际工程数据，以端头土体覆土厚度9.77m为例，计算洞门中心水土压力为：

加固体采用三轴水泥土搅拌桩，其抗压强度为 ，抗剪强度为 ，根据工程经验，加固体的极限抗拉强度取抗压强度的15%，因此取 。洞门直径为6.6m，故根据公式，得加固土体厚度为：

由此看出，应用圆板理论计算模型，采用三轴水泥土搅拌桩加固土体最小加固厚度为5.66m。

3.3 考虑盾构始发和接收的端头土体纵向加固长度

盾构始发和接收过程中，当刀盘进入加固区掘进时，加固体和盾壳之间存在一定的空隙，盾构在密实、无水的加固体中掘进，该空隙不会产生任何风险。但如果加固区达不到一定的纵向长度，当刀盘脱离加固区时，而盾尾还未进入加固区或进入加固区但不具备盾尾注浆的条件，此时，加固体和盾壳之间的空隙将成为连接地下水与工作井的渗流通道，在较大的水头压力下，地下水会夹带泥砂通过加固体与盾壳的空隙涌向工作井，造成大量水土流失，引起地表沉降、坍塌，对成型隧道或已完成的车站主体都将带来无法估量的损失。

图2 加固土体与盾尾密封位置关系示意图

因此，为确保盾构始发和接收安全，端头加固区需提供盾尾管片同步注浆形成止水环箍前的必须长度，即加固区纵向加固长度应为盾构机主机长度+两环管片的长度（2.4～3.0m），纵向加固长度取值为10.9～11.5m。

3.4 盾构端头土体加固设计方案

通过理论计算结合施工实践，该工程盾构始发井为地下二层车站，接收井为地下一层车站，确定端头土体加固范围为盾构开挖面上下、左右各3m，纵向加固长度为11.5m。加固区采用三轴水泥土搅拌桩，加固体与围护结构地连墙之间预留600mm间隙采用双排高压旋喷桩填充加固。

4、端头土体加固施工技术

4.1 三轴搅拌桩施工技术

4.1.1 三轴搅拌桩施工参数控制

采用φ850三轴搅拌桩，桩间距600mm，桩与桩咬合为250mm。主要施工参数为：

下沉速度：0.5-0.8m/min；提升速度：0.5m/min；水灰比：1.5：1；注浆压力：0.4～0.6MPa；强度：28天无侧限抗压强度大于1.0MPa，渗透系数≤1.0×10^-7cm/s。

4.1.2 三轴搅拌桩施工工艺

三轴搅拌桩的施工工艺采用三轴搅拌设备，该设备二根边轴顺转，中间轴逆转。该三轴由两个压浆管和一个压气管组成，压气管位于三个轴的中部。施工时，借助钻头端部的压浆孔压入水泥浆液，辅以高压气流，加剧三轴搅拌桩范围内土体的流动性，使得每幅桩体的水泥浆与土体拌和充分，这样形成的水泥土比在中轴内压入水泥浆形成的水泥土更均匀、强度更高。

三轴水泥土搅拌桩采用单侧跳打方式施工，即隔一打一施工，以重复套钻来保证搅拌桩的搭接以及施工设备垂直度的补正。由靠近地连墙方向后退式施工，先施工靠近地连墙的一排搅拌桩，后退一排施工完成后再施工下一排，以此循环直至整个加固区全部施工完成。

4.1.3 三轴搅拌桩施质量控制要点

三轴搅拌桩施工的关键在于如何保证桩身的强度和均匀性，在施工中加强对水泥用量和水灰比的控制，确保搅拌提升的速度和泵送压力。

① 按照搅拌桩施工工艺要求，钻杆在下沉和提升时均需注入水泥浆液。钻杆下沉速度不大于0.8m/min，提升速度不大于0.5m/min，控制重复搅拌提升速度在0.8～1.0m/min以内，以保证加固范围内土体均得到充分搅拌。

② 施工停浆面高出设计桩顶标高0.5m，喷浆口到达桩顶设计标高时宜停止提升，搅拌数秒，以保证桩头的均匀密实。

③ 压浆过程中不允许出现断浆和停浆，否则应将搅拌机下沉到停浆点下0.5m后喷浆提升。

④ 现场设专人跟踪检测、监督桩机下沉、提升搅拌速度，并在桩架上每隔1m设明显标记，用秒表测试钻杆速度以便及时调整钻机速度，以达到搅拌均匀的目的，在桩底部分适当持续搅拌注浆至少15s，确保水泥土搅拌桩的成桩均匀性。

⑤ 相邻桩的施工间隔时间不超过12小时，施工过程中一旦出现冷缝，则在外侧补做搅拌桩。

⑥ 搅拌桩钻杆提升速度和复搅对桩体的强度起很大的作用，施工中采取降低升降速度、全程喷浆、全程复搅的工艺，以利于水泥浆与被加固土体之间较完全接触，促使桩体的充分形成。

4.2 高压旋喷桩施工技术

4.2.1 高压旋喷桩施工参数控制

双排高压旋喷桩直径为φ600，桩间距400mm，桩体搭接200mm。主要施工参数为：

高压水压力：30～40MPa；高压气压力：0.7MPa；高压水泥浆：25～35MPa；水灰比：1：1；提升速度：8～9cm/min；强度：加固体28天无侧限抗压强度大于1.0MPa，渗透系数≤1.0×10^-7cm/s。

4.2.2 高压旋喷桩施工工艺

三重管法是将水泥浆与压缩空气同时喷射，除可延长喷射距离、增大切削能力外，也可促进废土的排除，减轻加固体单位体积的重量。三重管旋喷，即先送高压水、再送水泥浆和压缩空气；喷射时先应达到预定的喷射压力、喷浆量后，再逐渐提升注浆管，注浆管分段提升的搭接长度不得小于100mm；当达到设计桩顶高度或地面出现溢浆现象时，应立即停止当前桩的旋喷工作，并将旋喷管拔出并清洗管路。

4.2.3 高压旋喷桩施质量控制要点

① 钻机就位时机座保证平稳，立轴或转盘与孔位对正，钻杆倾角误差不大于0.5°。

② 喷射注浆前检查高压设备和管路系统。保证设备的压力和排量满足设计要求，管路系统的密封圈良好，各通道和喷嘴内没有杂物。

③ 预防风、水喷嘴在插管时被泥砂堵塞，在插管前用一层薄塑料膜包扎好。

④ 喷射注浆时注意设备开动顺序，三重管旋喷先空载起动空压机，待运转正常后，再空载起动高压泵，然后同时向孔内送风和水，使风量和泵压逐渐升高至规定值。风、水畅通后，即可旋转注浆管，并开动注浆泵，先向孔内送清水，待泵量泵压正常后，即可将注浆泵的吸浆管移至储浆桶，开始注浆。待水泥浆的前峰已流出喷头后，开始提升注浆管，自下而上喷射注浆。

⑤ 喷射注浆中需拆卸注浆管时，应先停止提升和回转，同时停止送浆，然后逐渐减少风量和水量，最后停机拆卸完毕继续喷射注浆时，开机顺序也要遵守规定。同时，开始喷射注浆的孔段要与前段搭接0.1m，以防固结体脱节。

⑥ 喷射注浆达到设计深度后，三重管施工可停风、停水，而继续用注浆泵注浆，待水泥浆从孔口返出后，即可停止注浆，然后将注浆泵的吸水管移至清水箱，抽吸一定量的清水将注浆泵和注浆管路中的水泥浆顶出，然后停泵。

4.3 端头土体加固效果检测

端头土体加固完成后，在进行盾构始发或接收条件验收前，通过地表垂直取芯及水平探孔检测土体加固效果。

4.3.1 地表垂直取芯检测

采取地质钻垂直取芯，将土样送至试验时检测，加固后土体指标：加固区土体28天无侧限抗压强度不小于1MPa，渗透系数应小于1.0×10

^-7cm/s，且加固土体强度均匀、密封和自稳性。

4.3.2 水平探孔检测

在洞门凿除之前，做水平探孔检查洞门漏水及涌砂情况。根据实际洞门土体加固情况对洞门打9个探孔，且洞门上、中、下部均布有探孔，孔深为穿透加固土体3m，孔径50mm。针对探孔处出现大量漏水涌砂时，在探孔处做水平注双液浆止水补强。洞门水平止水孔注浆采取多次、少量注浆的方式完成，必要时在地面进行注浆加固，直至再做探孔无漏水现象为止。

4、结束语

本文依托天津地铁7号线某区间工程，通过理论计算并结合盾构始发及接收工艺需要，制定了满足本区间盾构始发及接收安全的端头土体加固范围，并进一步阐述了端头土体加固的施工工艺及质量控制要点，以期对类似富水软土地层盾构施工提供一定的指导和借鉴意义。

参考文献

[1] 盾构法隧道施工及验收规范GB50446-2017.北京：中国建筑工业出版社，2017

[2] 王松.软弱地层盾构隧道端头井土体加固技术，2014（000）007

[3] 江玉生、杨志勇等.论土压平衡盾构始发和到达端头加固的合理范围.隧道建设，2009（029）003

[4] 刘文黎、吴贤国等.盾构始发端土体加固范围影响参数分析.科学技术与工程，2016（016）022