富水砂层地质环境下城轨施工盾构端头加固技术优化

高路恒 王斯海 钱野 吴凡

摘 要：本文提出了一种复杂地质环境下的轨道交通盾构端头加固技术优化方案。研究表明，该优化方案有效满足了富水砂层地质环境下的城市轨道交通土建加固工程施工需求，有利于城市轨道交通土建加固工程的顺利推进。

关键词：富水砂层;城市轨道交通;加固工程;冻结法

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0094-03

Abstract： In this paper， an optimization scheme of shield end reinforcement technology for Rail Transit under complex geological environment was proposed. The research shows that the optimization scheme effectively meets the construction requirements of urban rail transit civil reinforcement project under the geological environment of water rich sand layer， and is conducive to the smooth progress of urban rail transit civil reinforcement project.

Keywords： water-rich sand layer;urban rail transit;reinforcement project;freezing method

1 工程概况

北寺塔站位于江苏省苏州市孤苏区人民路主干道，施工区域车流量大。车站周边区域建筑物密布，环境复杂，西侧为江苏银行，东南侧为盆盆酸菜鱼馆，东侧为工商银行，北侧横跨香花河。该站土建为地下二层三跨框架结构（换乘节点段为三层三跨），采用半盖挖顺作法施工。车站外包总长204.10 m，标准段外包宽度21.70 m，标准段基坑开挖深度18.46 m，换乘段基坑开挖深度25.24 m。因北寺塔车站位于闹市区，周边建筑物密集且距离车站基坑较近，端头加固范围为15 m，加固体有效长度为9 m，三轴搅拌桩止水帷幕距周边古建筑物1.5 m，大型机械设备运转受限。同时，在市区，端头加固施工需要分多期，三轴搅拌桩止水帷幕分期施工无法实现套打施工，影响止水帷幕效果，为盾构施工埋下安全隐患。

2 加固方案选择

针对原设计方案无法施工的现状，通过盾构端头加固施工方法专家论证会，以盾构端头地质勘察报告和设计图纸为依据，结合以往的施工经验，根据现场实际情况，端头加固最大范围为11 m，加固体有效长度为7 m，加固长度可满足盾构始发及接收要求。

2.1 方案一：素混凝土地下连续墙+高压旋喷桩

该方案主要包括800 mm素混凝土地下连续墙止水帷幕和7 m宽Φ850@600高压旋喷桩加固区，止水帷幕距端头边线11 m，端头加固与地下连续墙冷缝采用Φ600@300单排旋喷桩进行加固处理，共设置4口降水井[1]。将地下连续墙和高压旋喷桩两个独立的施工工艺有效結合到一起，地下连续墙采用素混凝土作为止水帷幕，既满足止水效果，又满足盾构刀盘切割要求。该方案的技术特点是：止水效果不明显，水泥掺量大（30%～40%），单台设备施工效率低，施工周期长，影响盾构施工进度，但适用范围广，工法相对成熟。方案一端头加固平面见图1。

2.2 方案二：素混凝土地下连续墙+三轴搅拌桩

该方案主要包括800 mm厚素混凝土地下连续墙止水帷幕和7 m宽Φ850@600三轴搅拌桩加固区，止水帷幕距端头边线11 m，端头加固与地下连续墙冷缝采用Φ600@300单排旋喷桩进行加固处理，共设置4口降水井[2]。将地下连续墙和三轴搅拌桩两个独立的施工工艺有效结合到一起，地下连续墙采用素混凝土作为止水帷幕，既满足止水效果又满足盾构刀盘切割要求。该方案的技术特点是：止水效果好，施工效率高，水泥掺量小（18%～22%），工法成熟，对其他工序无影响。方案二端头加固平面见图2。

综上，技术方案二为最佳方案。经全方位考虑，对设计施工方案进行了优化变更，即采用Ф850@600三轴搅拌桩+连续墙止水帷幕的土体加固方法。三轴搅拌桩加固端头井为车站围护结构外7 m、隧道上下3 m区域，经加固的土体28 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。

3 存在的问题及相应措施

第一，沉渣厚度控制。实验室人员按照目标选用泥浆材料，设计泥浆配合比;选用配合比为新型钠基膨润土（优钻100）泥浆，提高泥浆黏度比重，降低沉渣厚度;护壁泥配合比为膨润土∶重质纯碱∶中黏羧甲基纤维素（CMC）∶自来水=120∶4∶1∶960。调整泥浆配合比，增加泥浆护壁能力和悬浮沉渣能力，降低沉渣厚度，保证槽壁稳定，避免颈缩现象，沉渣厚度不大于100 mm。

第二，盾构机破地连墙控制。实验室人员设计混凝土配合比;本次地连墙施工采用M5砂浆，设计配合比为水泥（PO42.5）∶粉煤灰（二级）∶水∶砂子=170∶37∶280∶1 520;M5砂浆入槽坍落度控制在18～22 cm[3]。混凝土配合比的设计要满足设计强度、抗渗及施工要求;满足盾构机刀盘10 MPa的破岩能力。

第三，素混凝土地连墙接缝控制。在混凝土浇筑前，将锁口管置入槽段两端预定的接头孔位;用特制钢丝刷刷壁器刷壁，反复刷数次，直至刷壁器上不粘泥为止。混凝土浇筑完成初凝前，用自动液压拔管机将锁口管拔出，形成凹凸口，延长渗水路径，增强止水效果;提升接缝处混凝土密实度，保证混凝土强度，减小混凝土孔隙率，增强接缝处的止水效果。

第四，三轴搅拌桩水泥浆液水灰比控制。采用3 m3的标准水箱，按设计要求严格控制水灰比，每箱加入水3 000 kg，水泥2 083 kg;实桩区水泥掺入量20%，空桩区水泥掺入量7%，在施工中要求均匀、连续地注入拌制好的水泥浆液;施工人员用比重计测量每箱水泥浆液的比重，质检人员对比重进行抽查，保证施工质量。水泥浆比重要达到1.38，保证加固区土体的均匀性和自立稳定性。

第五，主体围护结构拐角处地连墙施做成T形，T形头伸出部分尺寸不小于500 mm。

第六，盾构施工前对洞门进行水平注浆，使用孔径为30 mm钻机凿穿地连墙，持续注入水泥浆，注浆压力大于2 MPa，单孔注浆时间小于1 h，钻孔数及注浆量视实际情况确定。

第七，止水帷幕施工冷缝采用3根Φ600@300高压旋喷桩进行补强施工，包括止水帷幕与主体围护结构冷缝，以及因交通疏解止水帷幕分期施工形成的冷缝[4]。

4 技术优化总结

火车站站北端头位置处于下沉广场下方，南端头位置处于中央南北联系通道下方，顶部为国铁7、8号站台，特殊的地面环境使盾构始发与到达风险性增大。通过具体施工条件和工法选择，利用冷冻法冻结洞门进行接收，即采用“工作井内钻孔水平冻结加固”接收的施工方案。

①针对盾构穿越区间建构物存在的安全风险，在盾构穿越建构物前，利用试验段施工现场监测数据，结合数值模拟计算的研究方法，对其结构安全性进行模拟分析。

②对刀盘进行优化改造，使其既适用于在长距离富水软土中掘进，又能穿越预留中间风井玻璃纤维墙障碍物。盾构机刀盘应用见图3。

③对于刀具排布，工作人员严格遵循加强外缘部分的原则。这主要是因为外缘部分的直线距离、线速度均比中心部位要长、要快，所以其磨损速度较快。为了使边缘部分的刀具与中心部分有相近的磨损量，研究者适当增加了外缘部分轨迹线上的刀具数量，以分散其磨损量，达到保护刀盘边缘的目的。总的来看，刀具布置较密，刀间距为100 mm。每条轨迹线上确保2把撕裂刀;边缘区共设8把边缘刮刀、7把可更换式撕裂刀和6把焊接式撕裂刀[5]。

④盾构机穿越运营铁路站场及邻近古建筑沉降控制过程中，采用自动化监测技术，实现了盾构掘进参数的动态调整，轨道沉降控制在1 mm以内，具有较好的借鉴和指导意义。

⑤毗邻古建筑端头的加固通过优化原设计方案，首次采用三轴搅拌桩+连续墙止水帷幕端头加固新方法，为类似工程提供了新思路，具有较好的借鉴和指导意义。

⑥采用盾构机内部调头和台车外部交叉转场调头，降低施工风险，确保施工进度、安全和质量，为类似工程提供了宝贵经验。

⑦火车站项目及轨道交通2号线正常运营的情况下，采用洞门水平冷冻法加固，对盾构接收提出了更高的要求，研究了冷冻温度控制、槽壁探孔（见图4）、槽壁凿除、冻结温度监测施工工艺和质量控制，降低了盾构接收风险，确保盾构顺利接收。

5 结语

综合考虑富水砂层地质环境下的城市轨道交通盾构端头加固施工痛点，本文公开了一种复杂地质环境下的轨道交通盾构端头加固技术优化方案。该优化方案能有效满足富水砂层地质环境下城市轨道交通土建加固工程施工需求，为行业提供借鉴。

参考文献：

[1]马高峰，朱金贤，曹丙柄，等.软土地区盾构始发端头合理加固范围的研究[J].土工基础，2021（2）：139-143.

[2]冯龙飞，杨小平，刘庭金.紧邻地铁侧方深基坑支护设计及变形控制[J].地下空间与工程学报，2015（6）：1581-1587.

[3]宁超.基于空间效应的地铁车站深基坑开挖与支护的力学机理分析[D].北京：北京交通大学，2012：18-19.

[4]万利民，駱军，黄立勇，等.珠江新城中心城区深基坑支护及岩土开挖技术[J].施工技术，2012（24）：13-16.

[5]邢民，崔磊，王述红，等.沈阳地区明挖车站主要影响因素及其施工新方法[J].施工技术，2016（11）：65-68.

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