【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L可 。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。
废气净化装置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
卷对卷丝网印刷机>电视棒原理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：
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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。
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