邻近既有矿山法隧道的盾构始发端头加固技术

罗桂军，刘 旭，肖 超，刘建民，李星霖，张 聪

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410004；2.中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410004)

近年来，随着我国城市建设的快速发展，地铁建设也进入了蓬勃发展时期，盾构法具有掘进速度快、对周围环境扰动小等优点，广泛应用于地铁隧道建设中。盾构始发是盾构施工关键环节，也是施工的难点之一。盾构始发对地层扰动可能使其脱离始发基座，造成隧道塌陷和地表沉降等事故，所以必须采取可靠的措施对盾构端头进行加固。

近年来，国内外学者们针对盾构始发端头加固开展了广泛的研究，取得了丰富的研究成果。雷金山等人采用理论解析、数值模拟方法，推导出了盾构端头的合理加固范围。石泉彬、陆东生等人采用冻结技术对盾构始发端头土体进行了加固，并且通过探孔实测冻结效果验证了冻结方法的可行性。赵合全提出一种三轴搅拌桩、高压旋喷桩及局部垂直冻结相结合的联合加固方法，并系统介绍该方法加固参数的确定以及加固效果评价。以上学者们的研究成果主要集中在盾构始发端头加固范围、加固方案方面，且取得了较为丰硕的研究成果。在实际施工过程中，后行线往往会临近先行线，且后行线的施工极易对先行线造成影响，但目前针对邻近既有矿山法隧道的盾构始发端头加固的相关研究则较少，仍有待进一步探讨。

鉴于此，本文依托西安市轨道交通8 号线曲江池西-曲江池·寒窑区间工程，提出左线盾构始发端头洞内超前注浆加固和左、右线之间设置隔离桩的施工方案，来降低左线盾构始发造成的地表沉降以及对已建的右线矿山法隧道初支结构变形的影响。

1 工程概况

西安地铁8 号线曲江池西-曲江池·寒窑区间沿雁南四路向东，下穿曲江池至寒窑路，全长977.283m，左右线中心距离13.0～17.2m。其中，左线隧道采用盾构法施工，区间长度为978.361m，右线隧道里程YDK7+082.460～YDK7+141.440采用矿山法施工，其余段落均采用盾构法施工，图1 为曲江池西-曲江池·寒窑区间示意图。现场勘察显示，施工地层由上到下依次为：素填土、杂填土、老黄土、古土壤，图2 为隧道施工地层分布图。

图1 曲江池西-曲江池·寒窑区间示意图

图2 曲江池西站-曲江池·寒窑站地层分布图

2 施工重难点分析

1）地质因素 曲江池西站-曲江池·寒窑站区间穿越地层条件复杂，主要以杂填土、素填土、新黄土、古土壤、老黄土为主。根据文献调研，在黄土地区修建隧道工程，特殊的黄土地层以及干旱、半干旱气候地区特殊的地形地貌及地质环境会对隧道结构形成潜在的威胁。此外，由于黄土受水浸湿后，强度会随之降低，表现出“湿陷性”特征。根据以往施工经验，当隧道穿越湿陷性黄土地层时，施工过程中极易出现因黄土浸水湿陷而导致的隧道塌陷、地表沉降过大等问题。因此，在该类地层采用盾构法修建隧道时应进行盾构始发。

2）环境因素 根据设计方案，左线采用盾构法施工，右线里程YDK7+082.460 至YDK7+141.440 采用矿山法施工，左、右线中心距离为13.0～17.2m。此外，右线矿山法段先于左线施工，故左线盾构始发对邻近的右线矿山法隧道可能会造成扰动。因此，需考虑左线盾构进洞时对临近右线既有的矿山法隧道的影响，采取措施降低盾构始发时对右线的扰动，并需要在左线盾构施工中实时监测右线矿山法隧道初支结构的变形。

3 盾构始发端头加固施工方案

西安市市轨道交通8 号线曲江池西-曲江池· 寒窑区间左线采用盾构法，为避免施工中对已建的右线矿山法隧道初支结构造成破坏，采取了左线盾构始发端头洞内超前注浆加固和左、右之间设置隔离桩的综合施工方案。

3.1 超前预注浆

根据曲江池西-曲江池·寒窑区间工程所处环境及地质情况，确定洞内超前注浆加固范围：深度为结构下方3m，宽度为结构侧边3m，上部加固范围为结构上方3m，沿隧道方向纵向长度为8m，注浆加固范围为开挖轮廓线外2.5m。为了便于过程控制及保证加固效果，浆液扩散半径为1.2m，注浆压力0.5～0.8MPa。为避免钻孔过程地下水及地层介质的大量流失，采用后退式分段注浆工艺，注浆孔径∅90mm，孔口安设100mm PVC 管并通过水囊式止浆塞进行孔口止浆、注浆作业。为了提高地层的整体抗变形能力，必要时在注浆结束后，可在注浆孔内放入PE 管，达到支护和锚固作用，作为安全储备，更好地控制既有线沉降变形。洞内超前注浆具体设计如图3、图4 所示。

图3 注浆孔位布置

图4 洞内超前注浆纵剖面图

3.2 隔离桩

为避免左线盾构掘进过程中对右线矿山法初支结构造成破坏，设计在里程YDK7+082.460～YDK7+141.440 区间左线 盾构段与右线矿山法段之间设置隔离桩。其中，隔离桩直径为800mm，布置间距为1350mm，数量一共21 根，距离隧道结构1.5m 布置，隔离桩施工时加大桩体跳做间隔，减少对土体的扰动。隔离桩深入盾构隧道底以下6m，盾构隧道顶以上7m，桩长19.2m，桩中心距离盾构隧道净距1.5m，钻孔灌注桩范围为左线区间隧道底以下6m，隧道顶以上7m，总长19.2m。隔离桩钢筋保护层50mm，采用C30 混凝土。隔离桩布设如图5 所示。

图5 隔离桩布设图

4 现场施工及效果评价

4.1 现场施工

4.1.1 超前预注浆施工

为保证左线盾构进洞安全，需要在洞口段进行超前注浆加固以确保盾构顺利始发。洞内超前注浆施工工艺流程如下，具体如图6 所示。

图6 洞内超前注浆施工流程

1）钻孔 钻机采用HM90 型，根据设计图在工作面上用油漆标定钻孔位置，调整钻杆，移动钻机至钻头对准孔位处。

2）制备水泥浆液 注浆材料采用PC42.5R早强型复合硅酸盐水泥，制浆机制备水灰比0.6～0.8 的均匀浆液，随搅随用，并在浆液初凝前使用完。

3）绑设注浆管 采用抗压大于3MPa 的高压缠丝橡胶压浆管，压浆接头保持密闭，不漏浆、不泄浆，绑设牢固不脱落。

4）注浆 采用后退式分段注浆施工工艺，采用后退式分段注浆工艺，注浆孔径90mm，孔口安设100mmPVC 管并通过水囊式止浆塞进行孔口止浆、注浆作业。采用压浆泵压浆，压浆开始时用清水或稀浆走孔，结束时用浓浆封孔，灌浆压力控制在0.2～0.5MPa 左右。当发生压力急剧上升或压浆管剧烈抖动时，压浆立即停止，迅速打开回浆阀门，以免漏浆、爆管。

5）场地清理 封孔完成后进行场地清理，对残留材料清除出场，场地平整、夯实。

4.1.2 隔离桩施工

为保证左线盾构始发施工安全以及降低盾构始发对邻近右线矿山法隧道的扰动，施工中在左线盾构始发区间与右线矿山法隧道之间设置隔离桩。隔离桩采用钻孔灌注桩，布置范围为左线区间隧道底部以下6m，隧道顶部以上7m，总长19.2m。隔离桩施工流程如图7 所示。

图7 隔离桩施工流程

1）定位、钻孔 ①根据轴线及桩位布置情况，在场地内建立测量控制网，然后依据控制网测放各桩位中心点，并设置护桩，护筒直径应比桩孔直径大200mm，护筒埋设的倾斜度控制在1%以内，护筒埋设偏差不超过30mm，护筒四周用黏土回填，分层夯实；②采用拌浆机在泥浆池拌制足够的护壁泥浆，先在护筒内注入泥浆，开始缓慢钻进，要注意通过控制盘来监控垂直度，根据不同地质情况调整泥浆指标和旋挖速度，设计要求控制成孔深度。

2）钢筋笼制作 钢筋笼在钢筋加工厂采用滚焊机集中加工，主筋采用帮条焊或同轴焊，部分位置主筋采用直螺纹机械连接，机械连接直径28～32mm，拧紧力矩为320Nm。桩纵筋搭接采用焊接，搭接长度10d，定位加劲筋直径20mm，间距2000mm，与纵筋全部焊接。

3）灌注混凝土 采用普通C35 水下商品混凝土，运输罐车运输，导管法灌注。水下灌注桩坍落度宜为180～220mm，开始灌注混凝土时，导管底部至孔底的距离宜为300～500mm；导管一次埋入混凝土灌注面以下不应少于0.8m。

4）回填 混凝土灌注施工完毕后，选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑进行回填、平整场地。

4.2 施工效果评价

根据GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》及现场施工监测方案，在盾构始发端头工作井和右线矿山法隧道布设监测点，用于盾构始发过程中监测地表沉降量和右线矿山法隧道初支变形，现场施工监测数据如图8 所示。

图8 盾构始发掘进10m后地表沉降量

现场监测结果显示，盾构始发掘进10m 后最大沉降量为2.8mm，沉降速率为2.2mm/d，小于预警值2.8mm/d。同时，右线矿山法隧道初支结构拱顶沉降量为2.5mm，且沉降速率小于施工控制值。本工程进行的盾构始发施工过程总体安全，并且未遇到隧道塌陷、土体失稳等问题，较好地避免了对右线矿山法隧道初支结构的扰动，盾构端头加固效果良好。

5 结语

以西安地铁8 号线曲江池西-曲江池·寒窑区间工程为背景，结合该工程的地质情况以及左、右线的相对位置情况，提出了“洞内超前注浆+隔离桩”的盾构始发端头施工方案，即通过对左线盾构隧道进行端头注浆加固和左、右线之间设置隔离桩。现场施工效果表明，洞内超前注浆加固后端头土体加固效果良好，盾构始发后地表沉降量小于控制值。此外，在左、右线之间设置的隔离桩降低了对右线既有矿山法隧道初支结构的影响，保证了左线盾构的顺利始发。随着类似工程的增加，本文提出的“洞内超前注浆+隔离桩”的盾构始发端头施工方案具有广阔的应用前景。