盾构端头土体加固探讨

摘要：盾构端头包括始发端头与到达端头，端头土体加固是盾构始发、到达能否保障安全的重要环节。本文就盾构端头土体加固的目的，加固范围，要解决的土工问题进行了探讨，并讨论了水泥土桩在端头土体加固中的运用。

关键词：盾构始发端头 到达端头 土体加固 搅拌桩 旋喷桩

1、 概述

盾构始发是指盾构由工作井进入洞门开始掘进直至拆除反力架及负环管片的整段施工过程。盾构到达是指盾构在区间隧道贯通前100m至盾构机出隧道到达区间车站的整个施工过程。由于盾构始发与到达时均需拆除竖井挡土构筑物，其端头土体的结构、作用荷载和应力将发生变化，对失去了支挡的端头土体如不进行加固，将直接导致盾构始发、到达事故。因此，合理选择端头土体加固施工工法，是保证盾构法隧道顺利施工的极重要环节。

2、 盾构始发与到达的岩土问题及端头土体加固目的

2.1盾构始发与到达的岩土问题

盾构隧道一般埋深较大，盾构始发及到达竖井在局部拆除挡土构筑物后，端头土体临空面主动土压力失去支挡平衡，极易产生坍塌；此外在深层高水头动水压作用的情况下，还会产生严重的水土流失。如果端头土体（尤其是软土地层及砂土层）未经加固及止水处理，这些作用综合将使地面产生地面沉陷、隧道坍塌。 2.2端头土体加固的目的 ⑴、防止开洞门时土体坍塌

洞门支挡结构拆除前，端头加固的土体必须达到设计要求的强度、整体稳定性，使端头土体满足自立性要求。 ⑵、防止水土流失

端头加固土体不仅要满足强度、整体稳定性要求，还必须满足均匀性、止水性要求。以防止在盾构始发时水土从盾尾流失、盾构到达时水土从刀盘处流失。 ⑶、满足端头土体地面活荷载承载力要求

端头土体与盾构工作井紧邻，盾构重型设备的吊装及拆卸工作往往处在端头位置，这就要求端头土体有良好的地面承载力，一方面可保障吊机的安全，另一方面可有效扩散附加应力，有利于深层端头土体的稳定。

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3、 端头土层加固范围探讨

洞门处端头土体受力情况非常复杂，计算方法有传统的静力学法，最新提出的弹性薄板理论法等。不论何种计算方法均经过简化处理，并结合实践经验以确定加固范围。 3.1横向加固范围

横向加固范围包括垂直隧道走向范围、隧道埋深方向范围，即隧道的环向。根据理论分析及实践经验，洞门处土体最小加固宽度和高度可以参看下表：

土体加固最小尺寸表 隧道直径D(m) D<1 1.0 1.0 1.0 1≤D<3 1.0 1.5 1.0 3≤D<5 1.5 2.0 1.0 5≤D<8 2.0 2.5 1.0 B(m) H1(m) H2(m)

注：上表取自《地下工程与隧道》1993.04 张庆贺等

以上参数B、H1必须满足强度及抗渗性双重要求，当对端头土体地面承载力有要求时，H1加固厚度可从隧道顶直达地面；参数H2主要满足抗渗性要求，因而加固厚度没有变化。 3.2纵向加固范围

纵向加固范围为沿隧道走向范围，即隧道的径向加固长度。径向加固长度除了满足理论计算中强度及抗渗性要求外，还应根据盾构始发与到达的工况，特别是在流砂层中防止盾构始发时水土从盾尾流失、盾构到达时水土从刀盘处流失的工况加以确定。

在无水工况下（粘性土层中），根据实践经验，始发端头加固长度不小于6m。到达端头在地质条件较差时加固长度不小于3m；较好时可以不加固，但应控制好盾构掘进参数及拆除洞门的时机。

在有水工况下（砂砾层、粉砂层等），则为防止盾构始发时水土从盾尾流失、盾构到达时水土从刀盘处流失，加固土层长度应大于盾构主机长度（刀盘至盾尾的长度）1m以上，以使盾尾管片及壁后注浆体与加固的端头土体形成封闭的环境。

4、 水泥土桩加固应用

4.1水泥土桩的适用性

水泥土是一种将水泥作为固化剂，通过专门机械将水泥浆与软土强制拌合，使软土硬

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结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥土，当拌合土为砂性土时，则为水泥砂浆。

水泥土桩成桩工法包括高压旋喷工法及深层搅拌工法，都是非常成熟与可靠的施工工艺。由于水泥土桩不仅可改良软土的物理力学性能，而且其成桩工法具有可搭接性，成片搭接的水泥土桩具有良好的防水截水功能。因而水泥土桩已广泛运用于软土地基处理工程，基坑支护、水坝的止水帷幕工程等。结合盾构端头土体加固要求加固土具有一定强度及止水性的特点，水泥土桩是非常适合的加固手段。 4.2水泥土桩的优缺点 ⑴、搅拌桩工法

搅拌桩工法适用于加固淤泥、淤泥质土、可塑以下的粘性土、松散-稍密的砂土、粉土。而对于有机质土、泥炭土、塑性指数大于25的粘土则应慎用。

搅拌桩工法的优点是：造价低，最大限度地利用了原土；施工桩径有保障，可控；施工对周围土体扰动小，利于保护周边原有管沟及构筑物；施工噪音低、无污染；加固型式多样，可根据情况灵活采用柱状、壁状、格栅状、块状等。

其缺点是：受现有施工机械限制，其加固深度有限，一般小于20m；在砂层中运用时搭接处容易开叉；大于15m深层拌合时垂直度难以保证，可导致分叉；分段施工时，节点处搭接难以形成。 ⑵、旋喷桩工法

旋喷桩工法适用于加固淤泥、淤泥质土、可塑以下的粘性土、松散-稍密的粉土、碎石土、中密以下的砂土。而对于有机质土、泥炭土、含大量较大块石或植物根茎土则应慎用。

旋喷桩工法的优点是：有单管、双管、三重管三种工艺可选，桩径最大可达2m以上；工法灵活，可在同一桩孔内任意改变桩体直径，偶遇障碍物也可成桩；因高压喷射置换土程度高，桩身强度高；加固深度较大，可达30m以上；施工噪音低、无污染；在埋深较大的隧道端头还可以选择采用水平旋喷桩工艺，突破加固深度限制。

其缺点是：高压喷射置换土程度高，孔口返浆损失浆液，水泥用量大，造价远高于搅拌桩；不利于保护邻近原有管沟；当加固深度在30m以上时，桩径难以保证。 4.3水泥土桩加固应用

用水泥土桩加固端头土体的实际应用中，通常是优先选用搅拌桩，并在搅拌桩加固体与支挡结构间无法加固的区域、搅拌桩难以搭接的节点处采用旋喷桩补充加固。当搅拌桩不能满足加固深度要求或遇填石层、碎卵石层搅拌桩无法穿越的地层，才单独选用旋喷桩加固。

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目前水泥土桩在端头土体加固应用中还有一个很大的误区，就是试图用以加固硬可塑～硬塑的残积土层、密实的强风化土层，这往往得不到理想的效果，设计桩径常常在施工中难以达到。由于这类土层本身具有较高的强度及稳定性，因此当端头土体为这类土层时，应把重点放在控制裂隙水上，因地制宜的选用高压注浆工艺用以封闭土层裂隙。

水泥土桩在实际施工中还有一点特别重要。当洞门处支挡构筑物止水帷幕效果不好，已经形成渗流或涌水的情况下，应避免直接进行水泥土桩的施工（尤其是旋喷桩），这是因为注入浆液很可能在未固化前即随渗流流失，导致加固失败。在这种情况下应先采取控制渗流的措施（如局部注入化学混合浆液速凝堵塞渗流）再进行加固。为避免这种情况发生，最好是在盾构竖井或车站支护结构施工的同时即进行端头土体加固施工。 4.4加固效果检测

比较通用的检测手段是钻芯法检测，可以直观地从芯样情况判断水泥土桩加固效果。当地面有承载力要求时可结合静载试验检测。目前还没有一种有效的手段可以检测加固桩体的搭接效果，这一方面要求设计充分考虑土层情况，采用合理的施工工艺，适当的桩径；另一方面要求施工严格按设计及规范要求施工。

5、 结语

端头土体加固是盾构始发、到达技术的一个重要组成部分，也是盾构始发、到达事故多发地带，因此合理选择端头土体加固工法非常重要。工程实践中水泥土桩在端头土体加固中应用最广泛，效果最佳。冷冻法虽也有运用，因其造价高及加固中有冻胀与融陷的缺点，一般是在不得已的情况下才采用，如地表有不易移除的管线及构筑物等。注浆工法一般用于以上两种加固法的辅助工法，

无论选用何种工法加固端头土体，其它工序也应作充分配合，比如：合理选择开洞门时机，使洞门暴露时间不要过长；严谨安装洞门密封，优选始发、到达盾构掘进参数，以期在盾构未建立真正的土压平衡情况下减少土层损失；必要的时候设置降水井降低深层土体内的水压等。这些工序配合得当，有利于优化端头土体加固设计。

参考文献：

[1] 陈馈等 盾构施工技术 人民交通出版社 2009 [2] 建筑地基处理技术规范JGJ79-2002

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