徐 資

端頭加固是盾構(gòu)始發(fā)、盾構(gòu)到達(dá)的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié),端頭加固的成功失敗直接影響到盾構(gòu)能否安全始發(fā)、到達(dá)。合理選擇端頭加固施工工藝,是保證盾構(gòu)順利施工的非常重要的一個(gè)技術(shù)手段。盾構(gòu)正常掘進(jìn),盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)施工通過(guò)開(kāi)挖面時(shí),土壓平衡或泥水平衡條件差,對(duì)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不同程度的不利影響;同時(shí)始發(fā)與到達(dá)端隧道覆土淺,特別是始發(fā)端,盾構(gòu)處于試掘進(jìn)狀態(tài),盾構(gòu)故障多,盾構(gòu)操作人員不熟練等原因,容易發(fā)生地表變形過(guò)大,甚至坍塌、地表冒漿等事故。因此根據(jù)工程地質(zhì)條件、地下水、盾構(gòu)類(lèi)型、覆土厚度、洞門(mén)密封等條件,選擇合適的始發(fā)與到達(dá)端的加固方式,具有重要的意義。

1 端頭加固的目的

端頭加固是指通過(guò)改良端頭土體,提高端頭土體強(qiáng)度和自穩(wěn)能力,堵塞顆粒的間隙和地層的水,防止坍塌、流沙、涌水現(xiàn)象發(fā)生,確保盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和到達(dá)的安全。因此,端頭加固不僅僅要有強(qiáng)度要求,還要有抗?jié)B透性要求。1)控制地表沉降,端頭不坍塌。始發(fā)、到達(dá)前往往需要鑿除洞口井壁的混凝土,割斷鋼筋,以滿(mǎn)足盾構(gòu)順利進(jìn)出洞,而洞口的井壁混凝土有時(shí)要達(dá)到 800 mm或者更厚,鑿除時(shí)間長(zhǎng),要避免鑿除過(guò)程中發(fā)生坍塌,更要避免因開(kāi)挖面暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而坍塌或造成地表過(guò)大的沉降。2)控制水土流失。盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)入加固體,或盾構(gòu)到達(dá)穿過(guò)加固體時(shí),在含水量較高、水平滲透系數(shù)大的含砂層、卵石層等地層,盾構(gòu)進(jìn)出洞易造成水土流失。采用泥水盾構(gòu),泥水壓力的作用也會(huì)使加固體發(fā)生水土流失,導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到泥水平衡狀態(tài),如果土體不具備一定強(qiáng)度,很容易坍塌。3)重型機(jī)械作用時(shí)土體的承載力。由于盾構(gòu)吊裝或卸載時(shí),重型吊機(jī)往往作用在端頭位置,為防止重型機(jī)械作用在軟弱土體上起吊時(shí)發(fā)生失穩(wěn)、坍塌,或?qū)σ殉尚退淼腊踩斐刹焕绊?對(duì)地表的軟弱地層進(jìn)行加固。4)周邊建、構(gòu)筑物安全。當(dāng)端頭存在不具備改移條件的房屋、管線和道路時(shí),必須采取保護(hù)措施,端頭加固尤顯重要。

2 端頭加固的設(shè)計(jì)

端頭加固土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析,目前有板塊的強(qiáng)度分析理論(日本計(jì)算理論公式)、靜力理論公式(強(qiáng)度驗(yàn)算法)、粘性土滑移失穩(wěn)理論(整體穩(wěn)定驗(yàn)算法)和土體擾動(dòng)極限平衡理論。上述諸多理論各有利弊,均存在加固后土體粘聚力參數(shù)c值、抗拉強(qiáng)度值抗剪強(qiáng)度值τc的不確定性,計(jì)算結(jié)果難以運(yùn)用到工程實(shí)際,設(shè)計(jì)中較少采用。端頭加固設(shè)計(jì)主要按照各地的工程地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)給出土體加固后土體強(qiáng)度、滲透系數(shù)和加固范圍。1)加固范圍。一般采用水泥攪拌樁等加固方法的情況下,始發(fā)端加固長(zhǎng)度一般不小于 6m,到達(dá)端加固長(zhǎng)度一般不小于 3 m。但在特殊地層始發(fā)時(shí),考慮到抗?jié)B等因素,加固長(zhǎng)度需增加,如在粉細(xì)砂層中始發(fā)端增加為 10m,到達(dá)端增加為 9m,加固深度一般是洞門(mén)上部 3m至下部 2m的范圍。當(dāng)洞身處于砂層中時(shí),底部深度還應(yīng)適當(dāng)增加,防止出現(xiàn)管涌。2)加固后土體強(qiáng)度。設(shè)計(jì)強(qiáng)度根據(jù)土質(zhì)情況和膠凝材料不同、施工方法不同而有所區(qū)別。一般旋噴樁加固土體強(qiáng)度可以在1MPa以上甚至大于10MPa,通常情況下,砂土中的旋噴樁、攪拌樁強(qiáng)度大于在粘土中的強(qiáng)度,由于淤泥中有機(jī)質(zhì)的影響,在淤泥質(zhì)土中旋噴樁、攪拌樁效果較差,樁體強(qiáng)度低。3)滲透系數(shù)。在土層中的滲透系數(shù)或者巖層中的出水量是端頭加固質(zhì)量的重要指標(biāo),但是目前設(shè)計(jì)給出加固土體滲透系數(shù)沒(méi)有明確、公認(rèn)的理論依據(jù),設(shè)計(jì)值從1.0×10-5cm/s到1.0×10-8cm/s都有,實(shí)際可操作性低。

3 端頭加固方法

端頭加固方法有攪拌樁、旋噴樁、人工挖孔樁、素混凝土鉆孔樁、素混凝土地下連續(xù)墻、注漿加固、復(fù)合處理法、冷凍法、延長(zhǎng)隧道洞身法等。

1 )攪拌樁加固。軟土地層常用的端頭加固方法,主要適用于淤泥、粘土層和砂層,在砂層加固時(shí)深度受?chē)?guó)產(chǎn)設(shè)備性能限制,處理深度一般小于 15m,大于 15m深度,由于鉆頭搖擺幅度加大,垂直度較難控制,下部易“開(kāi)叉”,止水效果很差。一般不單獨(dú)使用,與旋噴樁等工法配合使用時(shí)經(jīng)濟(jì)效益較好。優(yōu)點(diǎn)是工程造價(jià)相對(duì)較低。

2 )旋噴樁加固。軟土地層最常用的端頭加固方法之一,適用于淤泥、粉土、粘土層、砂層,加固效果好,可以和其他已到齡期的地下結(jié)構(gòu)密貼,但遇到礫砂地層和粘著力大的粘土?xí)r,抗?jié)B效果欠佳。由于旋噴樁造價(jià)偏高,往往不單獨(dú)采用,常與攪拌樁等其他工法配合使用。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與加固體的“夾層”和圍護(hù)結(jié)構(gòu)陽(yáng)角部位經(jīng)常采用旋噴樁加固。旋噴樁主要有三種工法：?jiǎn)沃毓?、雙重管、三重管。小顆粒(粘粒、粉粒等)含量越高、滲透系數(shù)越小的地層宜用三重管旋噴樁。大顆粒(中粗砂、粉細(xì)砂等)含量越高、滲透系數(shù)越大的地層宜用單管旋噴樁,但深度超過(guò) 15m應(yīng)慎用。在經(jīng)濟(jì)上,兩排以上的旋噴樁造價(jià)就可能高于素混凝土連續(xù)墻。

3 )素混凝土人工挖孔樁、素混凝土鉆孔樁、素混凝土地下連續(xù)墻。適用于強(qiáng)度較高,旋噴樁難以施工的地層。施工時(shí)要注意做好連續(xù)墻、鉆孔樁、挖孔樁上部的充填;素混凝土連續(xù)墻、鉆孔樁、挖孔樁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成離壁式的雙層結(jié)構(gòu),加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的“夾層”需要處理,可采用旋噴樁加固將夾層的兩端頭封閉。

4 )注漿加固。注漿加固適用于多種地層,加固質(zhì)量可靠性相對(duì)較差,風(fēng)險(xiǎn)較大,通常與攪拌樁等其他工法一起使用。對(duì)自穩(wěn)能力強(qiáng)但裂隙水發(fā)育的地層,注漿是首選的加固方法。注漿加固漿液種類(lèi)較多,經(jīng)濟(jì)性和可施工性好,施工時(shí)需考慮因灌漿而引起地基隆起等的處理對(duì)策及注漿擴(kuò)散半徑等問(wèn)題。

5 )組合處理法。在端頭加固處理時(shí),由于受地質(zhì)條件,施工條件和工程造價(jià)等諸多因素的限制,往往不采用單一的加固方法,而是采用 2種或 2種以上加固方法組合處理。常見(jiàn)的組合介紹如下：a.旋噴樁 +攪拌樁方案。加固范圍四周用旋噴樁封閉,加固處理范圍內(nèi)部采用攪拌樁。適用于淤泥、粉土、粘土層、砂層。相比單一的攪拌樁加固,此法止水效果好、工程安全性高,造價(jià)相對(duì)較高;相比單一的旋噴樁加固,安全性相當(dāng),但此法造價(jià)低。b.鉆孔樁(人工挖孔樁)+袖閥管注漿。加固范圍外圈用鉆孔樁(或挖孔樁),樁間旋噴樁止水,圈內(nèi)注漿加固。適用于旋噴、攪拌樁不適應(yīng)的強(qiáng)度較高的地層;比單一的注漿效果好,但造價(jià)稍高。應(yīng)當(dāng)注意,鉆孔樁(或挖孔樁)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的夾層需要處理,可以用旋噴樁加固將夾層的兩端頭封堵或在該處進(jìn)行注漿加固。

6 )冷凍法。凍結(jié)法是利用鉆孔機(jī)械對(duì)土體鉆孔布置一定數(shù)量的垂直凍結(jié)孔,利用氨壓縮調(diào)節(jié)制冷,通過(guò)鹽水媒介熱傳導(dǎo)原理進(jìn)行凍結(jié)。鹽水在熱交換中不斷循環(huán),凍結(jié)管周?chē)貙拥膬鐾翀A柱體直徑不斷擴(kuò)展變大,并與相鄰凍土圓柱體相交,在冷凍土體范圍內(nèi)成完整的屏蔽,成為具有一定厚度和強(qiáng)度又能防滲的擋土墻或拱形體。凍結(jié)法適應(yīng)面廣,適用于任何含一定水量的松散巖土層,在復(fù)雜水文地質(zhì)如軟土、含水不穩(wěn)定土層、流沙、高水壓及高地壓地層條件下凍結(jié)技術(shù)有效、可行。冷凍法的缺點(diǎn)：對(duì)于動(dòng)水層,質(zhì)量不宜保證;對(duì)于含水量低的地層也不適用;凍土?xí)a(chǎn)生的凍脹和融沉效應(yīng),對(duì)地面沉隆控制和周邊建筑物影響較大;對(duì)土體加固為臨時(shí)性質(zhì),不能長(zhǎng)期起作用。該工法占用場(chǎng)地較大,費(fèi)用較高。廣州地區(qū)較少采用。

7 )直接切割工法。將玻璃纖維混凝土或竹筋混凝土等制成的擋土墻裝到豎井盾構(gòu)機(jī)通過(guò)的部分(圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分)。盾構(gòu)機(jī)可直接切削擋土墻始發(fā),不再需要破除洞門(mén)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。能夠縮小地基改良范圍,有效的縮短工期,對(duì)于軟土地層和不具備加固場(chǎng)地的地層相當(dāng)有用。缺點(diǎn)一：造價(jià)高;缺點(diǎn)二：對(duì)于泥水盾構(gòu),玻璃纖維混凝土等材料在盾構(gòu)切削進(jìn)洞時(shí)易形成大塊,且該物質(zhì)比重小會(huì)浮于泥漿上層,不容易被攪碎,經(jīng)常堵塞出泥管導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)困難。該工法對(duì)于泥水盾構(gòu)的適用性值得商榷。

8 )延長(zhǎng)隧道洞身法(見(jiàn)圖1)。延長(zhǎng)隧道洞身法將始發(fā)隧道洞身用鋼套筒向外延伸,洞門(mén)簾板裝在鋼套筒上。要求鋼套筒加工精細(xì),且要有相當(dāng)好的穩(wěn)定措施。由于鋼套筒的剛度大,需對(duì)洞門(mén)預(yù)埋鋼環(huán)進(jìn)行改造,采用“L”形鋼板代替原鋼環(huán),可以增加預(yù)埋件的剛度及密封性能。接收鋼套筒可以有效的循環(huán)使用,具有較大的提升空間和推廣應(yīng)用實(shí)踐基礎(chǔ)。

4 端頭加固效果檢測(cè)

加固體的檢測(cè)方法多種多樣,如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探、旋轉(zhuǎn)觸探、彈性波檢測(cè)、電探、化學(xué)分析等等,端頭加固的主要檢測(cè)手段如下：1)豎向抽芯檢測(cè)：可以目測(cè)抽芯完整率,初步判斷加固體強(qiáng)度能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,也可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定加固體強(qiáng)度、抗?jié)B性能。在砂層中,特別注意加固體連續(xù)性是否良好,抽芯完整率要達(dá)到 90%以上,抽芯位置一般選取在樁間咬合部位。樁體垂直度的控制檢測(cè)可以按規(guī)范確定抽芯數(shù)量,且每個(gè)端頭不應(yīng)少于1根。2)水平抽芯檢測(cè)：在洞門(mén)平面打數(shù)個(gè)長(zhǎng)度在加固體范圍內(nèi)的水平探孔,觀察探孔的滲水情況來(lái)判斷加固體質(zhì)量。3)挖孔樁檢測(cè)：在粉細(xì)砂地層,加固后效果可以采用挖孔樁代替豎向抽芯進(jìn)行檢測(cè)。4)凍結(jié)法測(cè)溫檢測(cè)：根據(jù)測(cè)溫孔測(cè)溫結(jié)果計(jì)算,不同斷面的凍土帷幕溫度和厚度要達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)值。通過(guò)打探孔檢查凍土帷幕與隧道之間的界面凍結(jié)溫度是否達(dá)到-5℃以下,探孔位置應(yīng)選在孔間距較大處或凍結(jié)有異常處、緩凍區(qū)附近以及實(shí)測(cè)凍土帷幕較薄的位置等。

5 端頭加固事故多發(fā)因素

1 )樁身垂直度不滿(mǎn)足規(guī)范要求,樁身傾斜致使加固體不連續(xù),樁間咬合達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,止水失敗引發(fā)涌水、涌砂,地面沉陷。2)砂層中施工參數(shù)選取不合理,達(dá)不到預(yù)想的加固效果。可通過(guò)試樁和調(diào)整施工工藝解決。3)端頭加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的夾層處理措施不當(dāng)。4)過(guò)早破除圍護(hù)結(jié)構(gòu),使掌子面暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng),或拆除墻體方法錯(cuò)誤引起掌子面坍塌。5)洞門(mén)密封措施選用不得當(dāng)。6)抽芯后未回灌砂漿使之密實(shí)。7)凍結(jié)施工過(guò)程的凍結(jié)管滲漏。8)未處理好承壓水層的降水工作。

6 結(jié)語(yǔ)

端頭加固設(shè)計(jì)需要更完善的理論才能改變憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的情況。目前,各類(lèi)端頭加固的施工工藝較為成熟,地鐵建設(shè)中端頭加固易引發(fā)各類(lèi)事故的主要原因是由于施工控制不嚴(yán)密,管理松散。因此,嚴(yán)格管理,做到精細(xì)化施工可以大大降低端頭加固的風(fēng)險(xiǎn)。

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