武汉地铁4号线盾构始发端设计与施工技术

武汉地铁4号线盾构始发端设计与施工技术
王常岭;李川;姜晓日
【摘要】盾构始发是盾构隧道施工中的关键风险点.结合武汉地铁4号线区间竖井处的盾构始发工程,研究了其加固范围、加固技术参数、洞门破除和密封的方法以及负环管片拼装的技术要点等.研究表明:对于类似武汉地铁4号线软土加粉土、粉砂的地层,土体的横向加固尺寸只要能够满足工艺构造要求即可,较适宜采用三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩的加固方式,洞门密封的时机以及负环管片的稳定对盾构的安全始发都极其重要.
【期刊名称】《现代城市轨道交通》
【年(卷),期】2013(000)001
【总页数】5页(P42-45,49)
【关键词】盾构;始发端;土体加固;设计;施工;技术
【作者】王常岭;李川;姜晓日
【作者单位】
【正文语种】中文
在盾构工法的发展过程中，盾构始发的端头加固问题一直是国内外地铁建设的施工难题。

其最常见的问题主要有：端头加固范围无法满足设计要求、端头加固效果不好、洞门密封失效、端头土体失稳破坏、工作井周围发生透水塌方等。

近年来盾构始发的土工问题在许多工程中相当突出，由此类问题引发的事故愈来愈多。

盾构始发是指利用反力架和负环管片，将处于始发基座上拼装调试完的盾构机，由始发基座推入地层，开始沿设计线路掘进的一系列施工作业工程。

其主要内容包括：始发前竖井周围端头的地层加固、安装盾构始发基座和反力架、洞门密封、凿除洞门临时墙、拼装负环管片等主要过程。

1 关键技术
1.1 端头加固
洞门破除后，端头土体暴露，端头地层受力平衡被打破，端头土体的结构、作用荷载和应力将发生变化，端头土体有可能发生潜在的滑移破坏。

对于自稳时间较短的土体，如松散沙土、粉土以及饱和的软黏土，始发掘进前端头加固非常必要。

端头地层加固的目的是防止拆除临时维护结构时的振动影响，在盾构刀盘顶到掌子面并建立土压之前，能使得围岩自稳及防止地下水流失，防止开挖面坍塌，出现地表沉降过大、塌方等。

其主要包括加固范围、加固方法和加固强度等方面，本文主要从确定合理的加固范围和选取适当的加固方法两方面研究端头土体的加固。

国内外关于盾构始发和到达土体加固计算的文献较少，有关端头加固土体的设计理论尚不成熟，很多情况下仍采用工程类比。

主要设计理论有：土体扰动极限平衡理论（确定横向加固尺寸）、板块理论（确定纵向加固长度）。

1.1.1 土体扰动极限平衡理论
横向加固尺寸的确定与注浆工法相同，盾构在掘进过程中，周围土体受到挤压切削扰动，产生半径为R的塑性范围（塑形半径r的边界值）。

塑性范围R可按隧道
上部松动的方法推求，在挖掘地层的情况下，地中土应力失去平衡，掘削端面的周围将产生附加应力。

在塑性变形区域内，根据摩尔库仑破坏条件，从塑性松动圈应力平衡和破坏条件建立平衡方程：
代入边界条件σ=σ，r=a=，
rm可得塑性范围R：
由此可以求出洞顶上部加固土体厚度为R-a，计入冗余系数λ后可得洞顶上、下部加固土体厚度H：
扰动土体塑性圈模型如图1所示，做剪切破坏面on，并过n点做洞侧切线ns，设β为剪切破坏面与水平方向夹角，根据朗肯土压力可知土体破坏角∠mos为
π/4-φ/4，切线ns与水平面夹角∠nse为π/4+φ/4。

具体各参数分布如图1、2所示。

最后可计算得到两侧改良土体的宽度B：
式(1)～(6)中，σr为径向应力，其边界值σm；σθ为环向应力；R为塑性半径r的边界值；φ为内摩擦角；c为改良土体的粘聚力；a为盾构机外半径；β剪切破坏面与水平方向夹角；D为封闭门直径。

1.1.2 板块理论模型
对于纵向加固长度的确定，假定加固土体为整体板块，如图3所示。

根据日本JETGROT 协会（JJGA）规范中所采用的计算公式，纵向加固长度t应为：
式(7)中，P为封门中心处的水土压力合力；σt为加固土体的极限抗拉强度；k0为安全系数；β0为计算系数，D为封闭门直径。

1.2 洞门破除
当盾构始发端的地层条件较差时，破处洞门围护结构时容易造成端头地层坍陷、地下水涌入盾构工作井等工程事故，因此，在根据端头土体的自稳能力、地下水状况
对端头进行相应加固的前提下，为了减少洞门破除时对端头土体的扰动，把挡土墙分成多个小块进行破除。

1.3 洞门密封
为防止盾构始发时泥土、地下水从端头地层透过盾壳和土体间的间隙涌入盾构工作竖井，以及注浆浆液通过盾尾的流失，盾构始发时均需安装洞门密封。

洞门密封分2步进行：
(1）洞门结构施工时，做好洞门预埋件工作，预埋件必须与结构的钢筋连接在一起；(2）盾构正式始发前，应先清理洞门处的渣土，然后进行洞门密封装置的安装。

1.4 负环管片的拼装
当完成洞门凿除，开始将盾构向隧道方向推进时，安装负环管片。

负环管片与始发架相连，临时提供盾构推进时所需的反力，待盾构机推进到一定深度后将其拆除。

2 盾构始发端施工
2.1 工程概况
武汉地铁4号线梅苑小区站—中南路站区间隧道主要位于付家坡一路和中南路南段，区间竖井位于付家坡一路路边。

竖井结构采用明挖法施工，基坑长度约15.5 m，宽度约6.4 m，内衬墙净空5.0 m，基坑平面呈长方形，基坑开挖深度约24.5 m，主体围护结构采用800 mm厚的地下连续墙，墙顶设冠梁，采用钢支
撑作为支撑体系。

盾构隧道顶板位于粉质粘土中，底板位于细中砂混粉质粘土中，隧道中心埋深为20.6 m。

具体各地层物理力学性质见表1。

图2 加固土体横向加固范围
图3 板块理论计算模型（Pa为土压力、Pw为水压力）
表1 地层物理力学性质土层名称平均厚度/m底层深度/m天然重度/kN.m-3静
止侧压力系数K0/kN.m-3渗透系数k/m.天-1 渗透性杂填土 3.91 4.3 20 0.41
3～4.5 中淤泥 2.07 6.4 16.8 0.49 0.4～1.0 弱粉质粘土夹粉土 5.41 13.6 20.1
0.41 0.014 弱粉质粘土 5.28 16.5 20.5 0.60 0.005～0.1 微细中砂混粉质粘土13.1 33.3 20.4 0.54 0.075～3 中砾卵石混粗砾砂粘土 11.9 52.1 19.5 0.45 15～30 强
2.2 加固范围
根据相关工程经验，取极限抗拉强度σt=0.1 MPa，粘聚力c=0.018 7 MPa，内摩擦角φ=25。

，冗余系数λ=1，安全系数k0=1.5，计算系数β0=1.2，封闭门直径D=6.62 m，东端头盾构隧道中心埋深20.6 m，根据计算，该封门中心处的水土压力为P=0.131 MPa。

(1) 采用板块理论计算纵向加固长度t。

(2）采用土体扰动极限平衡理论计算加固范围H、B。

塑性半径边界值(塑性范围)R：
上、下侧加固厚度：
剪切破坏面与水平方向夹角β：
左、右侧加固宽度B：
(3）实际加固范围。

考虑地下水影响，端头加固长度应大于机身长度1～2 m，故实际采取纵向加固长度t为8 m。

对于横向加固尺寸，软土地区盾构隧道端头横向加固尺寸主要起止水和稳定地层的作用，考虑横向加固区可以和盾壳共同作用抵抗周围水土压力，根据国内盾构软土地层施工经验，横向加固范围一般取盾构壳体以外1.5～3 m，根据南京、武汉等城市的施工经验，一般采用3 m，故实际采
取的上下左右侧加固厚度B均为3 m。

2.3 加固工艺
对于区间竖井始发端土体加固采用三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩的加固方式。

采用φ850 mm间距600 mm三轴深层搅拌桩进行端头加固施工，搅拌桩加固区与车站围护连接部位相切并在接缝处采用单排φ800 mm间距550 mm的双重高压旋喷桩进行接缝处理。

(1）三轴深层搅拌桩施工。

三轴深层搅拌桩施工采用φ850 mm三轴搅拌桩，桩间搭接250 mm，采用P.O-42.5 R级普通硅酸盐水泥，旋喷桩水泥用量取225 kg/m。

施工前进行试桩，并根据加固效果，调整施工工艺及各项施工参数。

初步拟定三轴深层搅拌桩主要技术参数见表2。

(2）高压旋喷桩施工（双重管）。

高压旋喷桩施工采用双重管注浆法，注浆体
φ800 mm，桩体搭接200 mm，水泥掺量为25%（450 kg/m3），采用PO-32.5R级普通硅酸盐水泥。

主要施工参数如表3所示。

2.4 洞门破除
洞门破除时应注意在盾构前面及时进行支护设置，破除作业工作要迅速、连续。

洞门凿除混凝土采取人工用高压风镐凿除，凿除分2步进行。

表2 三轴搅拌桩施工主要技术参数表技术参数项目参数指标下沉速度 /m.min-1 0.8～1提升速度 /m.min-1 0.8～1搅拌转速 /r.min-1 16浆液压力 /MPa 0.4～0.6浆液流量 /L.min-1 80 L～120水泥标号 P.O-42.5R水泥掺量/% 20、15、7浆液配比（水灰比）水:水泥=1:1.5
表3 高压旋喷桩主要施工技术参数表技术参数项目参数指标压力 /Mpa 25～28浆量/L.min-1 80～120水灰比 1:1压缩空气压力 /MPa 0.7提升速度 /cm.min-1 10～15旋转速度 /r.min-1 14浆液
(1）第1步。

凿除内层混凝土并割除钢筋，保留最外层钢筋；内层凿除先上部后
下部，为了保证盾构穿越，把混凝土凿成外扩的喇叭状。

(2）第2步。

凿除外层连续墙，外层凿除时分9块凿除，每凿除完成1块，及时
在洞门圈内侧喷射M10砂浆（厚度约为20 cm左右，并加竹网片），砂浆喷射
完后用30%掺量水泥土（粘性土与水泥拌合）回填外露的土体，并用小型机械夯实。

逐块凿除连续墙、喷射砂浆、回填水泥土、夯实，直到连续墙凿除完成（图4）。

2.5 洞门密封
(1）进洞始发。

盾构进洞时，核准里程，及时调整盾构姿态，安排好管片拼装点位，在洞门处内衬墙的一环管片采用特制的背覆钢板环管片，以用于与洞门预埋件相焊接。

(2）注浆及注聚氨酯封堵。

在盾构机进洞时，利用注浆孔注水溶性聚氨酯，封堵盾构机壳体与土体的间隙，加强止水效果，注聚氨酯位置详见图5。

另外，盾构机进洞后前5环应加大二次注浆量，确保浆液在洞圈附近密实封堵建筑空隙及渗漏通道。

2.6 负环管片的拼装
图4 地下连续墙凿除顺序
始发掘进时的管片安装关键是负环管片的安装。

负环管片受始发托架限制应按直线段方式拼装，因此盾构机的姿态控制一定要严格在允许范围内。

经验证明，负环管片的稳定直接影响盾构机的推力及后续管片的拼装质量。

管片拼装位置的正确是纠正盾构机蛇形偏移，减小盾构机推力的重要环节。

一般情况下，盾构机的掘进姿态已基本决定了管片的拼装点位选择，实际施工时，常常根据盾尾间隙的大小进行拼装点位选择：将标准环拼在盾尾间隙最小的一端，峰顶块拼在盾尾间隙最大的一端。

2.7 工程应用情况
区间竖井盾构始发时采用的纵向加固长度t为8 m，洞上、下侧加固土体厚度H1、H2和左、右侧加固土体宽度B1、B2都取为3.0 m，采用三轴深层搅拌桩+高压
旋喷桩的加固方式，实际工程最终形成了良好的始发端加固区。

封门拆除后掌子面暴露时，端头土体自立性和抗渗透性较好，无漏水漏砂现象，从而确保了盾构顺利完成始发，保证了盾构始发时的安全性和经济性。

3 结论
(1）土体扰动极限平衡理论计算得出的横向加固尺寸小于工艺构造要求，只要能够满足工艺构造要求，土体在抵抗扰动上就有足够的安全系数。

(2）盾构始发前必须确保端头土体加固后能满足强度、稳定性和渗透性的要求。

端头加固是盾构始发技术中最为重要的环节，必须加以重视。

图5 洞门注聚氨酯位置
(3）把连续墙分成多个小块破除洞门，洞门混凝土凿除前，端头加固土体必须达到设计所要求的强度（加固体检测合格后）、稳定性和渗透性的要求，在洞门圈范围内打探孔，查看探孔情况，确认安全后方可开始凿除洞门。

(4）随着负环管片的拼装，应不断用准备好的木楔填塞负环管片与始发基座轨道间的间隙，待洞门围护结构拆除后，盾构应快速通过洞门进行始发掘进施工。

(5）盾尾完全进入洞门密封后，调整洞门密封，及时通过同步注浆系统对洞门进行注浆，封堵洞门圈，防止洞门密封处出现漏泥水和所注浆液外漏现象发生。

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