浅析盾构隧道端头加固

浅析盾构隧道端头加固

洪俊杰

摘要：第一节课，老师就说，21世纪是属于地下工程的一个世纪，而盾构隧道将是以后的主流。的确，进入21世纪以来，城市人口聚集与地面交通基础设施落后的矛盾日益突出，为了缓解这一矛盾，现代化城市建设逐步开始发展立体式交通，这使得城市地下空间的开发和利用越来越多的关注和重视。盾构法开挖隧道因其具有机械化程度高、掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性较高等优点，在城市地铁、市政、电力等地下隧道修建过程中得到广泛的应用。盾构法隧道施工中，端头土体加固是盾构机始发与到达技术的一个重要组成部分，也是盾构机始发与到达事故多发地带，端头土体加固的成功与否直接关系到盾构机能否安全始发与到达。因此，研究盾构隧道端头加固，合理选择端头加固方法和进行必要的加固监测，是保证盾构法隧道顺利施工的非常重要的环节。

关键词：盾构；始发与到达；端头加固

1、前言

我们都知道，盾构法作为城市地铁区间隧道施工的工法之一，因为具有机械化程度高、掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性较高等众多优点，已成为世界城市线形地下空间开发利用的主流施工技术。盾构始发和到达是整个盾构施工中关键的两个环节，也是盾构施工中最容易发生风险事故的两道工序，近些年以来，我国盾构始发和到达施工过程中时有事故发生。

盾构自工作井始发进入隧道地层或自隧道末端推出进入工作井，首先要解决洞门区域地层封闭加固问题。当盾构工作井周围地层为自稳能力差、透水性强的松散砂土或饱和含水粘土时，如不对其进行加固处理，则在工作井围护结构后必将会有大量的土体和地下水向工作井内塌陷导致洞周大面积地表下沉，危及地下管线和附近建筑物。因此在盾构机进出洞前必须对洞门处地层进行加固处理，即进行端头加固。

2、盾构端头加固原理

盾构隧道端头地层加固的目的是防止拆除临时围护结构时的振动影响，在盾构刀盘顶到端头掌子面并建立土压之前，能使得围岩自稳以及防止地下水流失，以防止开挖面坍塌，出现地表沉降过大或坍方等，概括起来盾构端头加固的目的主要有以下几点。

（1）加固土体满足强度的要求。

（2）加固土体满足整体稳定性的要求，其中整体稳定性包括：加固土体的静态稳定，包括施工期稳定和长期稳定性；加固土体在振动作用下的稳定，即破除洞门时振动对加固土体的扰动影响。

（3）加固土体满足止水和渗透性的要求，特别对于富水砂土地层。

（4）加固土体满足变形特征的要求，通常指盾构土舱内土压建立前。

3、目前盾构端头加固土体强度及稳定性研究

我查阅了大量论文，总结起来，目前对于盾构隧道端头加固的理论研究主要有以下两种理论。

3.1弹性薄板理论

盾构的始发与到达端头加固土体受力机理的分析和研究，往往将加固土体简化圆形薄板，圆形薄板的受力情况如下图所示：

弹性理论模型假设端头土体的纵向加固范围为t，洞门周边自由支撑的弹性圆形薄板为加固土体。将加固土体侧向水土合力的梯形荷载简化为均布荷载，在均布荷载的作用下，加同土体中心处的弯曲应力最大，由拉应力理论求得强度验

算公式：

式中:D为洞门直径；t为纵向加固范围；P为作用于洞门中心处的侧向水土

为加固土体的极限抗拉强度；k为安全系数。合压力；为加同土体的泊松比；σ

t

由均布荷载的作用特征可知，周边自由支撑的圆形薄板支座处的剪应力最大，由剪应力理论可得抗剪切强度的验算公式：

为加固土体极限抗剪强度。

式中：τ

c

因此，根据静力学强度准则，端头土体加固后应同时满足抗拉和抗剪强度的要求，则端头土体的纵向加固范围应为：

3.2滑移失稳模型

盾构始发与到达施工时，破除洞门围护结构后掌子面土体完全暴露，至刀盘顶上围护结构之前有一定的时间间隔，此时端头土体在地面荷载、隧道上覆土体和侧向水土压力共同作用下，可能沿着某个滑移面从开挖面向盾构工作井内滑动，发生滑移失稳破坏。目前，基于黏土的滑移失稳理论假定滑动面为以顶点O为圆心，洞径D为半径的圆弧面，如下图所示。

对于黏土地层，假设抗滑力矩完全由土体黏聚力提供，可得:

由几何知识可知，满足稳定性要求的纵向加固范围为：

4、盾构端头加固方法

4.1目前常用盾构端头加固方法

查阅大量论文及书籍后，得知端头加固的方法由地质条件、地下水、埋深、盾构的机型与直径、作业环境等条件决定，同时考虑安全性、施工方便性、经济性、工期等因素。目前盾构端头加固的方法主要有：渗透注浆法、劈裂注浆法、高压旋喷注浆法、深层搅拌法、冻结法、挡土结构 (素混凝土墙或钻孔桩)、降水等。下表是国内常用的几种加固方法的适用性及优缺点比较。

端头加固方法比较

4.2关于盾构端头加固方法的个人设想

我们都知道，端头加固是通过改良端头土体，提高端头土体强度和自稳能力，堵塞颗粒的间隙和地层的水，防止坍塌、流沙、涌水现象发生，确保盾构机始发和到达的安全。

我们首先要确保地表不能有太大的沉降，这是修建任何隧道都需解决的问题。盾构始发和到达前，需要凿除洞口井壁的混凝土，割断钢筋，让盾构机能顺利进出洞，这个时候我们就得十分注意，不要在凿除的过程中发生坍塌，因为凿除时，土层相当于有个应力释放的过程，此时土体强度较差，容易失稳，故要在支护的条件下有步骤的凿除。

其次，盾构机进出洞时容易造成水土流失，若采用泥水盾构，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。

另外，由于盾构机吊装或卸载时，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，或对已成型隧道安全造成不利影响，故需要对地表的软弱地层进行加固。

我仔细阅读了关于盾构端头加固方法这方面大量论文后，觉得目前的端头加固方法都大同小异，无非都是通过对土体进行注浆或者改变土体性质来提高端头土体的强度以及抗渗透性。这些方法都是前人已经沿用多年的方法了，虽然根据这些经验方法来进行端头加固，相当简单，但总觉得没有什么新意。而且目前国内端头加固仍存在以下两个问题。

（1）端头加固范围设计不当，造成始发和到达时水土流失，出现渗水、淹井、坍方等工程事故。以前国内对端头加固范围的研究较少，端头加固范围的选取一般凭借工程经验，理论基础薄弱。合理的端头加固范围应根据地层条件确定，应该能够同时满足强度、稳定性要求，同时富水砂土地层中还应该满足盾构几何构造(纵向加固长度应大于盾构主机长度)和渗透性的要求。

（2）端头的加固方法选择不合理，地层适应性较差，端头加固效果不理想，破除洞门时造成端头地层塌陷。

下面大胆地提出我自己设想的对于端头加固方法。

我觉得端头加固，就是要让端头土体变得有利于盾构的始发和到达，那么与