富水砂层近距离隧道盾构始发端头加固技术研究

邵小康,杨志勇,安宏斌,江玉生,漆伟强,杨 星

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083； 2.中铁十二局集团第二工程有限公司,太原 030032)

引言

目前，城市地下空间工程的开发与利用处于快速发展时期，地铁以其方便快捷、能有效缓解城市交通压力等优势被很多城市大力发展兴建。盾构法更加高效、安全，在地铁区间隧道建设中被广泛采用。始发是盾构法的主要工序之一，也是最容易发生风险事故的关键工序。因此，盾构始发端头的加固方式被国内外众多学者高度关注并加以讨论和研究。

富水端头始发主要存在两个方面的技术难点，即地层的加固与地下水的处理。关于地层加固，近些年常被应用的工法包括注浆法、旋喷桩法等，地下水的处理则通常采用施作降水井降低地下水位、止水帷幕、冻结法[1-2]等措施。在我国部分地区常常选用降水法处理地下水，其工艺简单，效果良好，造价低廉，但随着近年来工程环境指标愈发严格，大量降低地下水位会引发地表沉降、破坏地层生态环境[3]，因此，北京等城市提出了地下工程施工“不降水、少降水”的要求，且地铁工程降水要征收水资源费4.3 元/m3。

近年来，国内外众多学者研究盾构端头加固技术，丁烈云、李铮等[4-5]分别研究武汉地铁2号线江汉路站—积玉桥站区间、孟加拉卡纳普里河底隧道项目盾构始发，始发端头采取高压旋喷桩加固地层，采用数值模拟分析加固效果；韩林等[6]针对济南地区富水地层盾构接收端水头压力高的问题，采用垂直冷冻法加固地层，进行盾构水下接收；张建新等[7]对天津地铁2号线某隧道盾构区间始发端头不同的纵向加固范围进行数值模拟计算，分析不同工况端头始发对土层的扰动情况，得出始发端头的合理纵向范围；刘方等[8-9]、王天明[10]、王建功[11]和丁万涛等[12]结合工程实际，研究加固的合理范围；江玉生等[13]提出盾构始发和到达端头加固范围应根据其端头的具体地层情况和盾构设备长度以及土体强度、稳定性等验算结果来综合确定；林辉等[14]研究广佛环线沙堤隧道始发案例，该隧道最小间距为3 m，采用混凝土搅拌桩和混凝土墙加固。河源等[15]分析了水下隧道钢套筒始发技术，替代了传统洞门密封型式，减小始发洞门涌水、涌砂；宋克志等[16]对盾构隧道端头土体进行稳定性极限平衡分析，使用直线+对数螺旋线的组合滑动面的假定，计算端头土体加固范围；杨平等[17]根据南京地铁某区间端头盾构端头土体冻结加固工程温度监测实例，分析了在高地温、富水地层的土体温度场的发展规律。

以上研究结合实际工程对常见的端头加固方法、加固效果和加固范围进行分析，但对施工的经济适用性，以及对环境的影响程度缺乏更多讨论。传统降水法需大量抽排地下水，造成资源浪费及生态环境的破坏，在征收水资源费后，会大幅增加施工成本。在环保要求愈发严格的今天，端头加固技术对环境的影响及经济成本不能再被忽视。

以色列是一个中东国家，水资源严重不足，对地下水资源的保护极其苛刻，特拉维夫地铁施工降水需收取10谢客/m3(人民币约20元/m3)的水资源费，降水经济成本太高。特拉维夫地铁红线5、6号隧道，2台盾构在Depot车站始发，隧道位于富水粉砂层，且始发时双线隧道间距仅0.69 m。结合本工程特点，提出了密封井始发端头加固法，使用连续、密闭的地下连续墙来隔绝地下水，仅需降低井内地下水位，大幅减小地下降水量，也不必对端头地层进行额外加固，工艺简单、符合环境保护要求、经济效应好，可为国内富水始发端头加固技术提供参考和借鉴。

1 工程概况

以色列特拉维夫地铁红线5、6号隧道，从Depot车站始发，采用2台海瑞克土压平衡盾构施工。盾构开挖直径7.55 m，管片外径7.2 m，内径6.5 m，环宽1.2 m，管片混凝土强度等级C50。始发端头富含地下水，地下水位埋深5.80 m。盾构始发段两线隧道最小净距为0.69 m，沿隧道掘进方向间距逐渐增大。隧道覆土厚5 m，始发洞门如图1所示。

图1 盾构隧道始发洞门

始发段隧道地质剖面如图2所示，盾构开挖土体主要包含砂土、砂质黏土、黏土等，地下水位位于隧道拱顶附近，盾构始发受地下水影响。

图2 区段地层分布剖面(单位：m)

2 始发端头加固技术

2.1 密封井加固法

本工程地下水严重威胁盾构始发施工安全，为防止盾构掘进初期土体和水的侵入隧道，在始发端头施作平行于隧道轴线的3道地下连续墙和垂直于隧道轴线的2道地下连续墙，如图3所示。墙体设计深度为26 m，穿透透水砂层，底部进入不透水的重黏土层，与传统方法建立的单一方向地下连续墙不同的是，图3中本工程①、②为C30素混凝土墙，③、④、⑤为钢筋混凝土墙，墙体厚度分别为1.8，1.6，0.8，0.6，0.8 m。地下连续墙①、②、③、⑤组成封闭的“井”，与底部不透水土层形成封闭的罐体，以阻隔井外的地下水渗入井内，从而保证始发端头段盾构推进不受地下水影响。地下连续墙④的主要作用是减小双线盾构隧道施工后行盾构对先行隧道的影响。

图3 始发端头密封井结构

2.2 地下水降水设计

如图4所示，沿地下连续墙壁上布置的降水井可仅降低密封井内地下水位，而不影响井外的地下水位，最大程度减小地下水抽排量。井内设计地下水位降至隧道底板以下1 m，以确保盾构始发的安全，在先行隧道始发之后，井内水位能保持低于隧道底板，后行隧道始发时无需再次降水。完成井内降水后盾构机可以在“无地下水”环境中推进。

图4 密封井剖面(单位：m)

井点降水的降水线如图5所示，土层平均渗透系数kf为5×10-6m/s，基于裘布依公式[18]，本工程降水计算公式如下。

图5 井点降水范围计算

(2)

(3)

(4)

Δh=h-h0

(5)

式中，Q为底层土体的出水流量；Qcap为井点的排水流量；R为地下水降水影响半径；r0为水井半径；r为多口井点等效半径；h0为井内水位；H为初始地下水位；S为地下水最大下降高度；h(r)为目标位置水位；Δh为目标位置与井内水头差。密封井内降水计算如下

n1=1.1·Q1/Qcap≈2

即，密封井内2口降水井抽排地下水的总流量为13 L/s。最大总降水量可根据土层孔隙率n计算。

V1总=b·l·Δh·n=1 032 m3

T1=V1总/Qcap总≈22 h

密封井内需降水总量为1 032 m3，约22 h完成井内降水。

2.3 盾构土仓压力的建立

盾构始发掘进在突破洞门后，刀盘切削地下连续墙，直至破除全部围护结构才能进入土层。当土体开挖面处失去围护结构的支护后，部分应力将得到释放，如若此时土仓压力尚未完全建立，土仓空间将会为土体应力释放提供空间，使得开挖面不稳定，造成开挖面涌砂甚至地层塌陷，导致盾构始发失败。因此，需在盾构进入地层掘进前建立稳定的土仓压力，使得土仓带压始发是盾构安全始发的关键之一。

盾构刀盘安装了滚刀，始发时利用滚刀破除1.8 m厚的素混凝土地下连续墙①，盾构土仓厚度0.8 m，地下连续墙厚度远大于土仓厚度，因此，可利用滚刀切削下来的地下连续墙碴片并注入浓稠的膨润土浆液来建立土压力。在刀盘“磨墙”时向土仓内注入浓稠的膨润土浆液，配比为膨润土∶水=1∶6(质量比)，密度1.3 t/m3，膨润土浆液发酵12 h后马氏黏度90 s。建立土压的同时，黏稠的膨润土浆液能充填盾壳与洞门之间的间隙。如图6所示，合理的土仓压力应与掌子面压力相平衡，即

图6 盾构始发示意(单位：m)

Fs=Fc

(6)

Fc=γ·(h+D/2)·K0

(7)

σc=Fs/A

(8)

式中，Fs为土仓压力；Fc为开挖面地层侧向压力；σc为隧道轴心处土压；γ为土层平均重度，取18 kN/m3；h为盾构上覆土厚度，取5 m；D为开挖面直径，取7.55 m；K0为侧向土压力系数，取值0.66；A为开挖面积。计算可得σc=106.16 kPa。

3 小近距隧道加固效果分析

3.1 加固方案分析

近距离双线隧道施工时，后行盾构掘进时会对先行隧道产生扰动，造成先行隧道的管片变形。在近些年国内近距离隧道施工实践中，为保护先行隧道的安全，通常采用的应对措施有：

(1)对隧道周边土体的加固，如注浆法、冻结法等；

(2)在先行隧道内部进行加固，如架立管片钢支撑、拖车支撑、脚手架支撑等措施。

本工程在两隧道之间设立一道地下连续墙，隔离先、后行隧道，不进行土层加固，施工工艺简单。同时，不必单独对先行隧道内部进行加固，故在后行盾构经过小间距段时不会对先行隧道的正常掘进造成影响。

3.2 管片变形分析

卢岱岳等[19]通过数值模拟和解析解法研究隧道变形的形成，提出近距离平行隧道施工引起隧道水平向变形的主要因素是盾构侧壁摩擦力。本工程左、右线隧道间距较小，后行盾构掘进时可能会对先行隧道产生较大扰动。为避免这种扰动，采用在左右隧道之间设立地下连续墙来隔离两条隧道。后行盾构掘进时记录先行隧道的管片变形，测点布置在先行隧道管片处，如图7所示。

图7 管片变形测点布置

如图8所示，当后行盾构通过测点所在垂直平面时，先行隧道水平方向、垂直方向位移均发生突变，峰值变化可控制在2 mm之内。由此可见，两隧道之间设立的中隔墙能够阻隔后行盾构开挖扰动向先行隧道传递，进而确保始发段隧道管片的安全。

图8 隧道内监测点记录位移值

3.3 管片受力状态分析

始发端盾构在密封井的保护下掘进，可通过计算来确定始发段隧道的受力状态，验证隧道施工质量。盾构始发和隧道施工都是分阶段完成的，各阶段施工工况的荷载不尽相同，采取最不利工况来验证施工安全，即可确保整个始发阶段的安全。由于本工程左、右线隧道间距小，后行盾构掘进过程中会对已拼装的先行隧道产生扰动，因此，需验证后行盾构掘进过程中先行隧道的管片状态。密封井主要承受的荷载如图9所示，土体及结构的力学参数如表1所示。采用ANSYS有限元网格计算先行隧道管片的内力状态。先行隧道管片的内力如图10所示，最不利组合受力点在右下方标准块接缝处(150°附近)。

图9 管片受力计算模型

表1 土层和结构的物理力学参数

图10 先行隧道管片内力状态

FED=N·d·Γ=0.86 MN

FRdu=

式中，N为管片截面每延米的轴力；M为每延米弯矩值；d为管片环宽1.2 m；FED为截面最大压应力值；FRdu为混凝土管片内部应力设计值；Ac0为受压区域接触顶面面积；Ac1为受压区域接触底面面积；fcd为管片抗压强度设计值32.7 MPa；Γ为安全系数，取值1.1。

FRdu>FED，管片受力状态在安全范围内。

4 环境影响与经济性分析

4.1 施工工艺、加固效果及经济性对比

盾构始发端头常用的地层加固工法包括注浆法、旋喷桩法、冻结法等，各工法工艺特点及适用性有所不同。地下连续墙的施工简单、工艺成熟，其主要工艺流程有导墙制作，槽段开挖、钢筋笼吊装、浇筑墙体。沟槽开挖、钢筋笼吊装、墙体浇筑均是分段进行的，需满足分段制作衔接工艺的精度要求。混凝土和钢筋笼均可提前预制，可缩短整体工期。如图11所示，分段墙体设计了首尾凹、凸衔接块，保证了墙体的整体连接刚度。以本工程的工程量为基准，各种工法的工艺水平、加固效果及成本对比如表2所示。

表2 端头加固工法对比

图11 地下连续墙的分段衔接设计

4.2 地下水降水量对比

近年来，人们越发重视环境保护，施工环境影响评价指标也愈发严格。大量抽排地下水，会使得地下水位降低，引发地面沉降与生态环境的恶化[20-21]。在一些富水地层隧道工程中(如大西铁路客运专线干庆隧道[22]、上海长江西路隧道[23])需大量抽排地下水，在工程结束后会进行地下水回灌以进行生态修复。这样的生态修复措施会增加工程成本，本工程只需一次降低井内地下水位，对环境影响小，同时节省施工成本。

为体现密封井加固法的经济性、环保性，将不采取密封井时的地下水降水量以及降水成本进行对比。直接井点降水的地下水总涌水量为

所需井点数n2=1.1·Q2/Qcapacity≈5

将地下水位降到目标水位所需时间

2周内总降水量为

V2总=n2·Qcap·t≈39 312 m3

如采用直接降水，需设立5口降水井，抽水98.6 h能将地下水位降低到设计水位，先行隧道始发工期按2周考虑，地下降水总量为39 312 m3。此外，在后行隧道始发时需再次降水，降水成本加倍。因此，与传统井点降水法相比，密封井加固法能大幅减小地下水降水量，对环境影响更小，更加经济适用。

5 结论

依托以色列特拉维夫红线5、6号线始发工程，对双线微小间距盾构隧道在富水地层始发的地下水处理、端头加固的方法进行研究，得到以下结论。

(1)与旋喷桩、注浆加固等传统盾构始发端头加固方式相比，密封井加固法工艺简单、经济适用，更能有效隔绝地下水对盾构始发的影响，确保盾构在密封井内顺利始发。

(2)在富水地层中进行盾构始发，采用密封井加固法，只需一次抽排井内地下水，无需重复降水，能最大程度降低抽排地下水量，相比直接降水，可减小约97%的地下水降水量，大幅节约施工降水成本，对环境影响小。

(3)设立于隧道之间的地下连续墙克服了近距离双线隧道施工后行盾构掘进对先行隧道的扰动影响，很好地保护了先行隧道的管片安全和成型质量，其加固工艺简单，不必对先行隧道内部进行加固，不影响近距离段隧道施工时先行隧道的正常掘进。

本工程采用的密封井和中隔墙加固法，克服了富水端头盾构始发和近距离隧道施工的难题，特别是实现了最大程度降低地下水抽排量，对环境影响小，在越来越重视施工环保性的今天，可在富水地层盾构始发、小间距隧道等相关工程中推广应用。