饱和软土地层盾构端头加固及进出洞关键技术

高永琪

摘 要： 在饱和软土地层修建盾构隧道过程中，按常规方法进行盾构进出洞时工程风险较为凸显，做好端头加固工作是保证盾构隧道安全施工的前提。本文结合宁波地铁1号线世纪大道站至海晏北路站盾构区间隧道端头加固工程实践，介绍了宁波海相饱和软土地层地铁盾构端头加固方案，分析了盾构进出洞出现涌水、流砂可能的原因，提出了相应的处理措施及改进方法。为今后类似地层的端头加固设计施工提供参考与借鉴。

关键词：盾构隧道；进出洞；软土；端头加固

Key Technologies of Ground Reinforcement at Tunnel Portals and Shields Launching and Receiving through Marine Saturated Soft Strata

Gao Yong-qi

（Urban Rail Transit Engineering Co.， Ltd. of China Railway First Group Co.， Ltd.， Xian 710054， China）

Abstract： In shield tunnel construction through water-soaked soft strata， the risks to launch and receive the shields by normal methods become more obvious. Therefore， it is especially important to conduct good ground reinforcement at the tunnel portals to ensure safe tunnel constructions. This paper combines the ground reinforcement practice at the Shiji Avenue Station - North Haiyan Station tunnel portals of Ningbo Metro Line 1， introduces the technical methods to reinforce the saturated soft strata at the tunnel portals， analyzes the possible factors of water and sand gush when launching and receiving shields， and proposes the corresponding measures and improvement plans， which provides a good reference for future design and construction of ground reinforcement at tunnel portals through similar strata.

Key words： Shield Tunnel； Launch and receive shields； Saturated Soft Strata；Ground Reinforcement at Tunnel Portals

0 引 言

盾構在饱和软土地层采用常规方法进出洞时，由于盾构机与接收、始发井洞门结构之间客观存在的空间间隙，在洞门完全封堵完成前有一段时间地层处于未封闭状态，该阶段水土压力不平衡，容易形成透水透砂通道，工程风险较为凸显，因此，盾构在软土地层进出洞时必须进行端头加固。目前，业内许多学者基于土力学、经典力学、弹性力学等多种理论利用FLAC3D软件、三维有限元等程序对上海、天津、南京地铁等软土地层盾构端头加固进行了研究分析，提出了多种端头加固技术及其措施。

本文结合宁波地铁1号线世纪大道站至海晏北路站盾构区间工程实践，针对宁波海相饱和软土地质条件下的盾构端头加固方案、施工中容易出现的问题以及解决措施进行了研究总结，为今后类似地层的端头加固设计施工提供参考与借鉴。

1 工程概况

1.1工程设计情况

宁波地铁一号线世纪大道站～海晏北路站盾构区间（简称世海区间）位于宁波东部新城开发区内，场地较为平坦，多处下穿地表径流。世海区间为单洞单线圆形隧道，全长约820m，线间距13～16m，隧道埋深10.4～15.7m，线路布置如图1所示。

图1 区间线路布置图

1.2 水文地质概况

1.2.1地质情况

拟建场地地层均为第四纪沉积地层，层厚大于80m，从中更新世至全新世地层发育齐全，是由一套陆相堆积～海陆交替堆积～海相堆积地层组成，具多回旋性，并有部分地层缺失。区间盾构穿越的地层主要为②2-2层灰色淤泥质粘土、③1层灰色粉砂、③2层灰色粉质粘土夹粉砂。根据地勘报告，盾构井端头以海相饱和软土为主，具有含水率高、压缩性高、抗剪强度低、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层间物理力学性质相差较大等特点。主要地层特征如表1所示：

表1主要地质土层特征表

层号 地层名称 状态 特征描述 分布情况

①2 灰黄色粘土 软塑 局部为杂填土、淤泥质粘土，含少量有机质 2.18～-1.74

土质不均

①3 淤泥质粘土 流塑 局部为粘土，含少量有机质，局部夹薄层或团状粉砂 -2.49～-7.25

土质不均

②2-1 淤泥 流塑 局部为淤泥质粘土，含少量有机质 -4.6～-11.65

土质不均

②2-2 淤泥质粘土 流塑 局部为淤泥 -10.1～-14.0

土质不均

③1 粉砂 土质不均，夹粘性土，局部较多 -13.1～-17.5

③2 粉质粘土夹粉砂 软塑 夹薄层粉砂，局部为粘质粉土 -16.0～-22.1

土质不均

1.2.2水文情况

区间盾构进出洞车站端头位于后塘河附近，地下水由浅部①、②土层中的潜水，③1、③2土层中的微承压水组成，地下水补给丰富，施工扰动后易形成水系连通。实测初见水位埋深为1.2～3.6m，变化幅度在0.5～1.0m之间。

2 端头加固方案

目前软土地层盾构端头加固多采用搅拌桩（双轴搅拌、三轴搅拌）、高压旋喷桩（单、双或三重管）、注浆、SMW、SEW、水平冻結、垂直冻结等工法。

参考类似地层的加固方案，世海区间端头采用搅拌桩+旋喷桩挤缝进行加固。端头加固长9m，宽12.2m。盾构井连续墙完工后进行搅拌桩施工，土方开挖与主体结构完成后进行旋喷桩挤缝施工。搅拌桩采用Φ850@600×600三轴搅拌桩，搅拌桩加固体和连续墙之间缝隙采用单排Φ800@600双重管旋喷桩加固，如图2、3所示。

图2 端头加固平面图 图3 端头加固纵剖面图

3 盾构井始发端头加固效果检查

进行端头土体加固效果检验，可提前掌握地层加固情况，以便及时采取针对措施，确保盾构始发接收安全。目前工程中主要采用竖向取芯、水平抽芯、冻结测温等检测方法。

本工程采用钻孔取芯法对三轴搅拌桩进行检测，选用水平抽芯法对旋喷挤缝加固效果进行检测。在洞门范围打设7个水平探孔，孔径65 mm，孔深1500mm。钻孔顺序从上往下，先中间后两边。 图4 水平探孔示意图

盾构始发前按要求频率对三轴搅拌桩、旋喷桩进行了检测，取出的芯样外观饱满，连续，呈现柱状，无侧限抗压强度大于1Mpa，洞门无明流水，未发现异常情况，满足始发要求。区间左、右线均顺利、正常始发。见图5、6。

图5 搅拌桩芯样 图6 旋喷桩芯样

4 接收端头加固效果检查及处理措施

4.1 区间左线端头加固效果及处置措施

4.1.1搅拌桩

世海区间左线接收端头搅拌桩取出芯样外观饱满、连续、呈现柱状，经检测满足设计要求。

4.1.2挤缝旋喷桩

盾构机接收前施做水平探孔时，出现涌水、流砂现象，持续时间长，水、砂涌出量总计约2.3 m3。且发现旋喷桩成桩质量差，取出样本呈粉土状，抗剪强度低，不符合相关要求，如图7所示。

图7 洞门5号孔涌水、流砂情况

4.1.3处理措施

针对上述涌水、流砂现象，在原水平探孔位置采用水平注双液浆方法进行封堵及补强加固，共计注入水泥106t，注浆完成后开孔观测，除6号观测孔位置渗水外其余观测孔均未发现渗水。验证注浆加固补强效果时，6号孔位置处再次出现涌水、流砂现象（如图8所示）。现场立即开启降水井，并采用木楔、面纱及双液浆封堵洞门。

为确保后期盾构接收安全，采取了进一步的加固补强措施：在洞门处共设6个孔，外插30°夹角，注双液浆加固洞门外侧土体（如图9所示），共计注入30t水泥、5m3水玻璃。等强后经效果检查符合要求后，盾构随即开始进洞，尽管最终安全接收，但在接收过程中还是存在漏水涌砂的情况。

图8 洞门涌水、流砂情况 图9 双液浆洞门加固示意图

4.1.4涌水、流砂原因初步分析

（1） 端头所处地层主要为③1粉砂层，透水性强，含水量大且具有微承压性，旋喷桩在该地层成桩质量不易保证；

（2） 地连墙施工时，在③1粉砂层中可能发生塌孔现象，墙体砼出现鼓包侵入加固区，影响了旋喷桩加固的整体性、均匀性；

（3）接收端头距后塘河较近，地表水补给丰富，盾构施工扰动后易形成渗水通道。

4.2 区间右线进洞改进措施

4.2.1连续墙鼓包情况探测及处理措施

对地连墙迎土侧采用地质钻机进行竖向钻孔探查，发现连续墙的确存在鼓包。根据探明的鼓包分布情况，对连续墙与三轴搅拌桩加固体之间的夹缝按需采用旋喷桩进行补强加固（如图10所示）。

4.2.2施做成型隧道止水环箍

为防止地表水渗流和成型隧道后方来水，在加固体外侧665～673环管片6个注浆孔位置进行二次双液注浆，在管片外侧形成止水环。液浆采用双液浆，配比为水泥浆：水玻璃1：1，注浆压力0.3～0.5Mpa，注浆量由压力控制。如图11所示。

图10 旋喷桩补强加固纵断面示意图

图11 成型隧道止水环箍位置纵断面示意图

4.2.3增设洞门止水措施

为防止盾构接收时同步注浆浆液及泥水从盾体与洞门结构之间的空隙涌出，除采取常规的钢环版加橡胶帘布措施之外，增设如下两项措施：

（1） 在洞门内侧钢环环向焊接两道2mm厚的 “L”形钢板（长20cm，高27cm），中间填充15cm厚30cm高的海绵条并用钢丝固定，形成一圈环向止水环。第一道钢板距端头墙5cm，间隔15cm焊接第二道钢板，焊缝须饱满连续。如图12所示。

图12 洞门内侧弹簧钢板设计图

（2）盾构机接收时，在连续墙迎土侧位置附近自盾体径向注浆孔注入聚氨酯，填充盾体与洞门结构之间空隙，堵塞可能存在的涌水通道，如图13、14所示。

图13聚氨酯脂注入示意图 图14 盾体注浆孔分布图

4.2.4盾构机二次接收措施

为了防控盾构接收时涌水涌砂的风险，采用盾构二次接收的技术措施。

（1）第一次接收

洞门砼凿除并清理完成后，盾构机快速向前推进并拼装管片，在盾构机推进完成倒数第三环后，停止推进。在盾体外侧与端头墙钢圈间焊接弧形钢板（详见图15），并在钢板上设置注浆孔、泄压阀，随后立即进行洞门压浆，封堵可能产生的漏水、流砂等不利情况，以保证盾构进洞时周边土体的稳定。同时利用壁后注浆将管片外弧面与周边土体可能存在的空间进行填充，封堵漏水通道，以防止土体从间隙中流失，造成过大沉降。

图15 洞门与盾体外封弧形钢板示意图

（2）第二次接收

待第一次接收注入的浆液凝固后，切除盾构机外壳与钢圈间的弧形钢板，完成剩余的两环管片的推进及拼装工作。待盾构机完全通过洞门进入接收井，立即用弧形钢板永久性封堵管片外弧面与钢圈内弧面之间的空隙，再根据实际情况对洞门进行注浆处理。在二次接收前，需检查洞门注漿效果，若发现浆液未固结可延后接收时间至浆液完全凝固。

4.3 区间右线进洞情况

根据世海左线接收存在的问题及其原因分析，在世海右线采取相应针对性措施之后，接收端头加固的各项检验指标都满足了设计及规范要求，洞门区域干燥，无明流水，世～海区间右线安全顺利接收。

5 结论

在饱和软土地层盾构区间采用常规方法进出洞并当端头加固采用搅拌桩+旋喷桩挤缝方案时：

（1）在盾构井位置分布有富水砂层时，必须高度关注并严格控制连墙成槽质量，防止槽壁塌孔造成墙体砼鼓包，侵入端头加固区域，影响旋喷桩挤缝加固效果。

（2）在富水砂层施做盾构端头加固旋喷挤缝桩时要高度重视旋喷桩质量管控，要从浆液配比、旋喷压力、提速等施工参数提出针对性要求，并须在地层交界面、异物位置要进行复喷，以保证旋喷质量，确保旋喷桩挤缝效果。

（3）根据盾构进出洞风险等级，在按设计要求管控好盾构端头加固质量的前提下，应综合考虑应用“施做成型隧道止水环箍”、“增设洞门内侧弹簧钢板”、“盾构中盾径向注聚氨酯”、“盾构二次接收”等系统技术措施，规避盾构进出洞涌水、流砂风险，确保进出洞施工的安全。

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