地铁盾构进出洞封门形式及土体改良加固技术

李 轲

（中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100060）

盾构法作业是现阶段国内地铁隧道施工中常用的一种方法，利用土压平衡式盾构机旋转切削土体，并在推力作用下不断向前掘进，从而完成地铁隧道施工任务。相比于明挖法作业，盾构施工具有施工效率高、对地面建（构）筑物影响小等一系列优势。但是在盾构机进出洞口时，容易造成洞口岩石开裂、土体崩塌。因此在盾构机作业过程中，需要在地铁车站的端头采取必要的封门措施；如果洞头地质条件较差，还需要使用土体改良加固技术，避免洞口出现坍塌等工程事故。基于此，选择合适的地铁盾构进出洞封门形式以及做好洞口土体改良加固处理成为盾构法地铁施工管理中的要点。

1 地铁盾构进出洞封门形式

1.1 钢板桩封门

在盾构法施工中，如果选择沉井施工法建设工作井，可以用钢板桩来封闭地铁车站的洞口。具体操作方法分为两种：一种是将准备好的封门钢板桩，直接嵌入到沉井内的洞圈中，并使用水泥浆砌筑的方式予以加固。该方法适用于盾构机进出洞速度较快的情况，可以根据现场施工需要快速、方便的完成封门，然后共同下沉到施工位置；另一种则是先将沉井预留的洞口进行封闭，等到下沉到施工位置后，从靠近沉井外侧井壁的一侧打入封门钢板桩，完成封门，见图1。

图1 钢板桩封门示意图

1.2 型钢水泥土搅拌桩封门

结合地质勘测结果，如果工程施工区域存在地下水丰富并且岩层裂隙发育等特点，则需要使用SMW（型钢+水泥搅拌桩）工法封门。紧贴着工作井的外侧井壁，从地面开始垂直向下钻孔，保证钻孔深度超出掘进设备基座的标高。钻孔过程中，使用专门的多轴搅拌机切削土体，使土体变得松软、多孔，同时注入水泥浆。在钻头的旋转作用下，使得水泥浆和土体充分混合。在水泥土混合物尚未完全硬结时，将一根H 型钢插入到钻孔内。等到水泥土混合物硬结以后，形成的SMW 工法桩不仅具有较大的强度，起到了支撑、加固洞口的效果，而且还具有较强的防水抗渗能力[1]。SMW 工法桩即可适用于盾构机进洞时的封门处理，也可用于出洞时的封门处理，是一种常用的车站隧道洞口及周边土体加固技术。

1.3 地下连续墙封门

在地铁隧道工程中，如果选择地下连续墙法建设工作井，那么盾构机进出洞时可以选择地下连续墙封门。具体施工方法如下：根据施工设计图纸，提前开挖导墙槽，进行槽底、槽壁的整平处理后，向导墙槽内浇筑混凝土。根据地下连续墙的设计宽度，确定内导墙与外导墙之间的间隔距离。在地下连续墙施工时，按照逐段挖槽、分段注浆的方法进行作业，直到开挖到设计深度。将钢筋笼放入槽内，固定后开始浇筑混凝土，并替换原来的泥浆，等到混凝土凝固后即可得到钢筋混凝土地下连续墙。成型后地下连续墙有较大的刚度，可以保证盾构机在进出洞时不会对洞口造成破坏；同时由于地下连续墙是一个覆盖范围较广的整体，也能确保洞口周围土体的稳定性。地下连续墙与内衬相结合，还能发挥理想的阻水效果，也是地铁隧道盾构进出洞封门中常用的一种形式，见图2。

图2 地下连续墙封门示意图

2 地铁盾构进出洞土体改良加固技术

2.1 注浆加固技术

在洞口土体松软、岩层裂隙发育的情况下，选择注浆加固技术能够显著提升洞口岩土结构的整体性和稳定性，对预防局部塌陷有显著效果。注浆加固处理的技术要点如下：首先是整平作业面，并按照设计方案测量放线，标记出各个注浆孔的位置。其次利用钻机垂直于作业面向下钻孔，至设计深度。现场制备水泥浆，将水泥浆倒入注浆泵中，设置好注浆压力等参数。注浆管的一端连接注浆泵，另一端插入钻孔内。启动设备后，加压到设定好的压力，然后打开注浆管口向钻孔内压入浆液。在压力作用下，水泥浆会渗透到土壤颗粒间或岩石裂隙中，起到了填充空隙、封堵裂缝的效果。等到水泥浆液凝固后，洞头土体的强度、刚度、抗渗性均可以得到不同程度的加强。注浆加固法的示意图，见图3。

图3 注浆加固法示意图

2.2 深层搅拌桩加固技术

该技术主要适用于软土地基的土壤改良加固，经过技术处理后还能发挥防水、防流沙的效果，对提高洞口土体稳定性有显著效果。在隧道洞口使用深层搅拌桩改良加固土体时，选择水泥和添加剂（通常为固化剂、减水剂），将两者按照一定比例混合后加入清水充分搅拌，得到水泥浆。然后利用专门的设备一边切削土体一边注入泥浆，让原位土和水泥浆能够充分混合，凝结固化后得到桩体或墙体[3]。深层搅拌桩加固的流程见图4。

图4 深层搅拌桩加固示意图

结合上图可知，在深层搅拌桩施工中依次经过预搅、搅拌、复搅等工序，通过反复多次的搅拌，保证了水泥浆与原位土之间可以充分的混合，这样形成的搅拌桩整体性更好，凝固后可以获得更强的承载力和稳定性。

2.3 冻结加固技术

该技术适用于含水量较高、流变性较强的淤砂层、砾石层等地质条件下。在作业面上测量放线，按照设计方案确定冻结管的位置。首先从地面开始钻孔，保证孔径大于冻结管直径2～3 mm。然后自上而下插入冻结管，确保冻结管的下端伸入到冰冻拱棚中。在冻结管的作用下，冰冻拱棚内的土体因为温度持续降低，土壤中的水分开始结冰，形成了冻结加固土体，强度和刚度均有明显提升。这样在盾构机进出洞口时，就不容易出现冻土土体变形或坍塌的情况。冻结加固施工示意图见图5。

图5 冻结加固法示意图

在应用冻结加固技术时，由于土体中水分结冰析出导体土体发生不同程度的膨胀，可能会引起地表变形。因此在工程实践中，可以配合使用热水循环、强制消冻等措施，在满足洞口土体改良加固效果的前提下，尽量避免土体变形问题的发生[4]。

2.4 降水加固技术

该技术同样适用于土质松软且含水量较高的地质条件。相比于冻结加固技术，该方法的操作更加简单、成本相对较低，在岩土结构较为完好的洞口土体改良加固中有着广泛的应用。降水加固施工的主要步骤为：探明施工区域的地质情况后，从地面钻井，保证降水井的深度低于地下水3～5 m。在重力作用下，地下水逐渐汇集到降水井内。降水以后，原本松软的土体在重力挤压作用下变得密实，从而达到加固效果。根据地下水含量的不同，可以灵活设计降水井的位置和布设密度，保证取得理想的降水加固效果[5]。在工程实践中，使用降水加固技术可能会引起地表的沉降，因此对于降水加固方案应当开展充分论证后方可使用。

2.5 置换土层加固技术

如果盾构进出洞口的土体以淤泥质等不良土体为主，采用上述的加固处理技术不仅很难取得理想的改良加固效果，而且还会导致施工成本的上涨。这种情况下可以选择置换土层加固技术，直接将盾构进出洞口周围的不良土体全部挖出，然后重新填入稳定性良好的砾石、素土，并使用工具或设备夯实，得到新的稳定的土体。根据置换材料的不同，又可将该技术分为土层置换、砂石置换、复合土置换等类型[6]。在应用该技术时，需要根据地质勘察结果确定不良地质的范围，然后在边缘处打入分隔桩或修建隔墙，将不良地段与其他地段隔离开来，这样在隔墙内部就形成了回填区域。然后使用挖掘机将不良土体挖出，并按照分层回填、层层压实的方法，将新的粘土、砾石或复合土回填。

3 盾构进出洞封门与土体加固技术的应用实例

某市地铁3 号线II 期工程共有一站两区间，车站整体呈南北向布置，全长967.4 m。结合地质勘查资料，自上往下土体类型主要为人工杂填土（厚度1.9 m）、粉质粘土（厚度2.6 m）、黄褐色细中砂（厚度3.3 m）、杂色密实卵石（厚度2.6 m）。另外测得该工程地下水可分为2 层，第一层水位埋深7.2～14.1 m，水位标高23.6～26.8 m；第二层水位埋深7.1～23.3 m，水位标高12.5～14.0 m，为潜水。根据水文地质勘察结果，技术人员综合对比各类洞口封门形式和土体改良加固技术，最终选择SMW 工法封门，该方法的机械化程度较高，由型钢与混合土体相结合形成的复合结构，能够大幅度加强洞门稳定性，为盾构机顺利进出洞提供了良好条件。洞口土体改良加固采用了注浆加固技术，在始发端加固厚度为6.6 m，在接收端加固厚度为8.3 m，加固长度统一设定为15 m。完成加固处理后测量洞口两侧围岩的抗压强度，达到了1.1 MPa，渗透系数＜1×10-8cm/s，很好地满足了施工要求。

4 结论

地铁隧道的盾构法施工中，洞口封门与周边土体加固是施工管理的重点。根据现场施工条件和水文地质特点，选择钢板桩或SMW 工法桩等封门方法，可以保证盾构机在进出洞口时不会出现洞口变形等问题。除此之外，盾构机进出洞口也容易对周边土体造成扰动，特别是遇到富水的软土地质或者岩层裂隙发育的地质，还有可能发生坍塌事故。采用注浆加固法或冻结加固法，能够有效提升土体稳定性，从而切实保障地铁隧道施工的顺利和安全进行。