天津地铁盾构始发和接收端头加固方法及适用性研究

2015-03-15童刚强

天津建设科技 2015年6期

关键词：端头接收端围护结构

□文/童刚强

□文/童刚强

盾构始发和接收是盾构施工的两个关键环节，合理选择端头加固的范围和方法是保障盾构始发和接收施工安全首先要考虑的问题。针对天津地区软土地层的特点，介绍了端头加固的目的、软土地层中端头加固的基本要求，结合已经实施的工程实例进行了对比分析。

盾构；始发；接收端头；加固；地铁

盾构始发和接收前必须进行端头土体加固，防止盾构始发和接收过程中出现土体坍塌、失稳、涌水、涌砂等事故。以往天津地铁盾构始发和接收施工过程中，洞门漏水时常发生，这主要与天津地区地下水位高、地层透水性好有关。因此天津地铁盾构始发和接收过程中除了考虑加固体的强度和稳定性外，加固体的止水效果应作为重中之重。

1 端头加固的原理

1.1 端头加固目的

盾构始发和接收施工前，需要破除原有围护结构。为保证在破除洞门过程中，掌子面保持稳定并避免出现渗透水的情况，必须对原围护结构背后的土体进行加固，土体的加固厚度、强度、渗透系数应满足计算要求。

盾构始发和接收施工过程中，盾构掘进对周边地层会产生一定的扰动，同时在盾构接收时，盾构机土仓压力较小，不足以维持开挖面压力平衡，为防止地表产生较大沉降或坍塌，对端头四周一定范围的地层也要进行加固。

1.2 强度验算

将加固土体视为厚度为t的周边自由支承的弹性圆板。在外侧水土压力作用下，板中心处的最大弯曲应力，按弹性力学原理求得并写出强度验算公式

式中：r为洞门半径；t为加固土体的厚度；σt为加固土体的极限抗拉强度；K为安全系数；W作用于洞门中心处的侧向水土压力；μ为加固后土体的泊松比。

周边自由支承的圆板，其支座处的最大剪力亦可按弹性力学原理求得并写出其抗剪强度的验算公式

式中：τc为加固后土体的极限抗剪强度。

1.3 整体稳定性验算

洞外加固土体在上部土体和地面堆载P等作用下，可能沿某滑动面向洞内整体滑动，假设滑动面是以顶点O为圆心，洞径D为半径的圆弧面，见图1。

图1 粘土的整体稳定性验算

对于粘土地层，假设抗滑力矩完全由土体粘聚力提供，则由土体的平衡条件可知KM=Md，则

式中：M为滑动力矩；Md为抗滑力矩；△c为改良后土体增加的粘聚力；K为抗滑安全系数；θ为加固土体与滑移面的夹角。

1.4 端头加固范围

1）盾构端头上部加固范围一般≮3 m，除了起止水和保持稳定性的作用外，还有控制地表沉降的作用。

2）盾构端头下部及两侧加固范围一般也在3 m左右，主要起止水作用。在软土富水地层中，加固体与原有围护结构之间加固不密实，极易造成盾构在始发或接收过程中出现涌水事故。

3）当在软土富水地层中进行盾构施工时，若端头加固的长度小于盾构机长度，水土容易沿盾壳与土体间的间隙流入盾构井。因此，在软土富水地层中，加固体厚度，为盾构机长度，为盾构管片宽度。天津地铁盾构始发和接收端头加固体长度一般取11 m。

2 端头加固的方法

2.1 搅拌加固

搅拌加固是土体改良加固常用的措施之一，在盾构端头加固中经常被采用。该方法施工方便、速度快、造价低，主要适用于粘土、粉土，在砂性地层中加固效果较差。为保证止水效果，要求加固体与原有围护结构密贴，而搅拌桩不能实现，因此搅拌加固需要其他加固方式配合使用，如旋喷加固、注浆加固等。

2.2 旋喷加固

旋喷加固在盾构端头加固中应用也比较多，使用在粘土、粉土地层，对密实砂层加固效果较差，一般施工深度不宜超过25 m。该方法施工方便、速度快、造价较搅拌加固较高，能较好地与原有围护结构密贴。

2.3 冻结加固

冻结法加固使用于各种地层，适用范围广，可以选择地面垂直冻结加固，也可以进行洞内水平加固，加固效果好。冻结法相比搅拌、旋喷加固，其专业性较高，对施工技术质量等方面的要求也更高，一旦没有达到预期的冻结效果，将带来极大的工程风险。冻结还存在冻胀和融沉问题，为了减小对周边地层的影响，需提前对土体进行注浆改良，后期根据监测情况进行融沉注浆。由于可以在洞内进行水平打孔冻结，冻结法也较多地应用于场地受限的端头加固。

2.4 注浆加固

注浆加固适用于粘土层、粉土层、砂层等多种地层。注浆加固后加固体均质性较差，单靠注浆加固一种手段很难达到预期的效果，注浆加固一般作为一种补充手段配合搅拌加固、旋喷加固以及冻结加固等加固方式使用。