wh3盾构施工端头加固技术广州市地下铁道设计研究院广州地铁设计院盾构技术研究所王晖14:49
幻灯片 1wh3 121212121王晖, 2004-11-1
前言端头加固的概念。端头加固是盾构始发、到达技术的一个重要组成部分，端头加固的成功失败直接影响到盾构能否安全始发、到达。而盾构始发、到达是最容易发生事故的，端头加固的失败又是造成事故多发的最主要原因。因此，合理选择端头加固施工工法，是保证盾构顺利施工的非常重要的环节。14:49
一、端头加固的目的二、端头加固方案确定前的准备工作三、几种主要端头加固方法的原理及计算四、端头加固的施工方法及其适用案例五、端头加固效果检测六、事故多发因素七、端头加固中的重要注意事项14:49
一、端头加固目的改良端头土体，提高端头土体强度，堵塞颗粒的间隙和地层的水，确保盾构机始发和到达的安全。与一般地基加固的不同之处是不仅仅要有强度要求，还要有抗渗透性要求。14:49
1、控制地表沉降，端头不坍塌。始发、到达前往往需要凿除洞口井壁的混凝土，割断钢筋，以满足盾构顺利进出洞，而洞口的井壁混凝土有时要达到800mm或更厚，凿除时间长，要避免凿除过程发生坍塌，更要避免因开挖面暴露时间过长而坍塌或造成过大地表沉降。14:49
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2、控制水土流失。盾构始发进入加固体，或盾构到达穿过加固体时，在含水量较高、水平渗透系数大的含砂层、卵石层等地层，盾构进出洞容易造成水土流失。采用泥水盾构时，泥水压力的作用也会使加固体发生水土流失，导致无法达到泥水平衡状态，如果土体不具备一定强度，很容易坍塌。14:49
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3、重型机械作用时土体的承载力由于盾构吊装或拆卸时，重型吊机往往作用在端头位置，为防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌，或对已成形隧道安全造成不利影响，对地表的软弱地层进行加固。14:49
4、周边建、构筑物安全当端头有房屋、管线和道路时，必须采取保护措施，如果具备改移条件的，尽量改移，对于房屋一定要进行鉴定，并进行录像、拍照等获取第一手资料。14:49
环境调查二、加固前的准备工作盾构始发或到达前，必须充分理解工作井洞口周围地层的土质情况，掌握各层土的主要物理力学性能指标。根据各种土层的特性，认真分析不同的施工方法，预测可能发生出洞和进洞施工时的复杂变化，对于盾构工作井施工期间所引起洞口周围的变化更是不能掉以轻心，必须认真分析和检查，避免因此而导致施工险情及不利于工程质量局面的情况发生。14:49
调查方法1、除了工程地质勘探报告外，采用补充勘探的方法对端头土体的以下特性进行了解：土体强度（c、Φ、N值）、渗透系数（水平、竖直），土质情况（砂粒、粘粒、粉粒含量）2、盾构工作井施工期间暴露的全断面土体情况，观察和详细了解，掌握土壤分类分层的确切位置，为盾构进、出洞施工方案提供可靠的工程地质依据。14:49
3、所影响区域的地面、地下建筑物、构筑物、公众设施、地下管线等。通过实地调查了解，并与相关单位密切联系，以控制沉降量和制定相应监护措施。（危房的鉴定工作）。4、非正常性的地下水来源非正常性的地下水源对洞口土体稳定不利，会引起土体流失。主要是由于地下上下水道管线破裂及非正常的地面排水系统所致。要提前发现并及时封堵。14:49
5、洞口处的地下障碍物如桥台、木桩、钢筋混凝土桩、回填的大石块、废钢材等。这些障碍物埋深大小不等，如果在盾构通过的位置上，则必须人工进入盾构开挖面将其排除。遇到形状大、重量重、长度长的障碍物，地面挖孔人工处理困难的，还需在开挖后人工进仓处理。14:49
加固体设计还要考虑的因素（1）加固体强度不能过高，主要考虑到盾构机刀盘的配置，能否保证盾构机顺利切割加固体。（2）加固土体的抗渗性能。抗渗指标、水流量（3）承载能力要求：要保证盾构机吊装的地基承载力。（4）盾构类型，泥水or土压14:49
（5）经济性加固长度、宽度、加固方法的选择多种多样，不同的端头加固方法均可以选择安全始发或者到达的目的，但还必须考虑经济合理，加固方法是否风险性过大，或过于保守，加固范围过大，等等。目前大多数的承包商往往在端头加固的一项的报价较低，如何采取经济合理、安全可靠的加固方法，是我们共同面对的一个课题。14:49
三、几种主要端头加固方法的原理及计算1、注浆加固：将浆液注入地层改善地基强度和止水性。该方法对强度的改良有限，主要是增强凝聚力，注浆材料的种类多种多样，按浆液固结状态分类主要有填充注浆、渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆等。按注浆管形式分为钻杆注浆（单、双管）、花管、双层管双栓赛注浆法14:49
（1）渗透注浆：浆液在压力作用下，渗入土的孔隙和岩石裂隙中，将孔隙中自由水和空气排挤出去，但不改变土体结构和原状。浆液凝固后将土颗粒粘结在一起，使土层的抗压强度和抗渗性提高，只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。固结状态是球形。（2）劈裂注浆：浆液在较高压力作用下，劈入土层（通常土颗粒粒径小于），浆液的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络。固结形态呈扁平球体和板状固结。14:49
（3）压密注浆：用一定的压力注入粘稠的不易流动的浆液取代并挤压周围土体，凝固形状多为柱体或球体占据一定的空间，同时压密土体。14:49
盾构始发注浆加固计算模型:对于注浆加固，由于不能形成高强度土体，作为惯用的计算方法，是以改良后地基的抗剪阻力阻挡拆除临时墙时有可能进入竖井的土块的计算模型来研究的。盾构机CpC注浆范围p: 侧压力c：粘着力t：改良土厚度14:49
2、旋喷桩、搅拌桩施工由于采用旋喷桩、搅拌桩可以获得均质、高强度的加固体，因此，可以通过土质和结构力学计算，确定加固土体厚度。RγHγttlnR+=+lnα2c2cC：加固体凝聚力R：到塑性范围外的距离H：隧道中心深度γ：土比重t塑性领域 改良断面的研究14:49
将加固体看作是作用竖井挡土墙支撑的圆板来进行结构计算，确定加固体宽度t。水平土压力考虑为静态土压力或主动压力，水压以调查结果为主，砂土中进行水土分算，透水性差的粘土进行水土合算。ppWw土压水压W=p + pwn14:49
22σ=±β*w*r/t≤σ/kmaxt1β=3/8*（3+μ）τ=3*w*r/4/t≤τ/ kmaxc2其中：r——工作井端墙开洞的半径，r=D/2；t——加固土体的长度；σ—加固土体的极限抗拉强度，一般可取其极限t抗压强度的10%，即σ=q/10；tuk、k——安全系数，一般取K=；12w——作用于洞门中心处的侧向水土压力；μ——加固后土体的泊桑比；τ——加固后土体的极限抗剪强度.c14:49
加固土体在地面荷载p和上部土体作用下可能沿某W'滑动面向洞内整体滑动，假定滑动面是以端墙开洞C0外顶点O为圆心，开洞直径D为半径的圆弧面.假定拆除临时挡土墙时形△C成圆弧滑动面来检验加固体整体稳定性。14:49H
滑动力矩M=M+M+M1232其中：M——地面荷载P引起的下滑力矩M=P*D/2；11M——上覆土体自重引起的下滑力矩，M2=Q*D/2；2上3M——滑移圆环线内土体的下滑力矩，M3=γ*D/3，3t3γ为加固后土体的重度，一般可取γ=20kN/m；tt抵抗下滑力矩为M=M+M+M123M——滑移圆弧线AB段的抗滑力矩，M=C*H*D；11u2M——滑移圆弧线BC段的抗滑力矩M=C*D*(π/2-φ)22u2M——滑移圆弧线CD段的抗滑力矩；M=C*D*θ，33ut-1θ=sin(t/D)其中，C——加固前土体的粘结力；H——上覆土体的u高度；C——加固后土体的粘结力，ut14:49
加固范围：主要根据加固方法和地层情况、始发或到达端头决定。采用一般搅拌桩等加固方法的情况下，始发加固厚度t一般不小于6m，到达加固长度一般不小于3m。但在特殊地层始发时，考虑到抗渗等因素，加固宽度须增加，如在粉细砂层中始发增加为10m，到达增加为9m。加固深度一般是洞门上部3m和下部2m范围，砂层中底部深度还应增加，防止出现管涌。14:49
出发部到达部 地基加固2排GL最小厚度：加固高度盾构外径地基加固（设计最小厚度：加固厚度2排加固厚度=t 上需要的厚度）切去四角的加固方法GL加固宽度最小厚度：最小厚度：盾构机外径nt 加固高度RLn 说明图 地基加固范围实例（出发·到达）14:49
采用旋喷或搅拌桩的最小加固厚度最小厚度H15≤D<8D()D1≤D<33≤D<:49
设计强度及安全系数：设计强度根据土质情况和胶凝材料不同、施工方法不同进行分类。一般旋喷桩加固土体强度可以在1MPa以上甚至大于10MPa，而搅拌桩加固土体强度大于。安全系数根据改良目的、改良效果的期望值、施工环境等进行综合判断，一般安全系数选取为。14:49
3、冻结施工冻结施工是将自然状态下不均匀的地基通过冻结变成具有均匀力学性质的材料。分为盐水冷冻方式（间接冻结）和液氮冷冻方式（直接冻结）。盐水方式使用冷冻机将盐水冷却到－20～－40℃，用循环泵将冷却的盐水输送到冻结管，冷却周围的地基，因地基内的热量、盐水温度上升，便再次用冷冻机冷却。通过冷冻装置使冷却的盐水在冷却管内循环，使地基冻结固化。14:49
盾构工程的冻结规模大，一般广泛采用的是盐水方式。液氮冷冻方式需要油罐车从工厂运到施工现场，再通过在冻结管中气化而使冷冻管周围地层的土壤冻结，气化后的氮气放入大气，液氮会在大气中释放损耗，只限于冻土量为150m3，以下的小规模工程。14:49
计算方法：垂直荷载按静态土压和水压考虑，冻土将端头水土全部牢固地粘结在一起，始发端头可以当做周边被竖井墙固定的圆板来解析计算，到达端头可以作为被竖井固定、被盾构机支撑的梁或者水平圆筒来计算。nppWwW=p + pwn432 冻土施工法计算模型11－挡土墙；2－冻土；3－土压；4－水压14:49
设计强度和安全系数：冻土强度取决于土质（颗粒、含水量）、温度及盐分浓度（液氮）。在地下水中含盐量较高的海岸线和填筑地设计中，应预先调查盐分浓度，然后以相应的强度用于设计中，作为设计标准。砂质冻土的抗压强度一般为6MPa，粘土的抗压强度为1～4MPa。根据上海地区的软土冻结经验，冻土单轴抗压强度－6度时，－10度时。一般安全系数按Fs≥2。14:49
冻土断面：若f>D/5，则认为满足周围固定条件，但f'f在实际设计中，考虑到竖井墙背面地基扰动，临时墙施工时对D竖井墙体有加热影响等，所以对冻土厚度T，取f>T/2，冻结附f'着长度取f’>。14:49
冻结管直径及埋设间距：冻结管直径根据钻孔直径和施工特性采用，多为3寸或4寸管，埋设间距根据施工特性和经济性一般定位60cm～100cm。始发多采用从地面垂直冻结的方式，到达多采用从竖井水平冻结的方式。14:49
四、端头加固的施工方法及其适用案例端头加固可以单独采用一种工法或多种工法相结合的加固手段，主要取决于地质情况、地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机型、施工环境等因素。同时考虑安全性、施工方便性、经济性、进度等。14:49
盾构始发加固实例a）化学注浆施工法 b）高压喷射搅拌施工法 c）冻结施工法（垂直钻孔） 洞口密封圈 洞口密封圈加固范围洞口密封圈加固范围冻土e）芯材拉拔施工法 f）墙壁体开挖施工法 d）冻结施工法（水平钻孔）工字钢出发时拉拔洞口密封圈 洞口密封圈洞口密封圈冻土直接开挖墙体出发 按需要 加固地基泥水固化墙14:49说明图421各种出发防护工程实例
盾构到达实例（b）高压喷射搅拌施工法（c）冻结施工法（垂直钻孔）a）化学注浆施工法 接口部冻结土接口部接口部冻结土 加固范围（d）冻结施工法（水平钻孔）（ e）墙体开挖施工法直接开挖墙体接口部接口部冻结土按需要加固地基等14:49有时也同时使用竖井内隔墙
1、搅拌桩施工工法软土地层最常用的端头加固方法之一。通过搅拌桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加固效果差，须与旋喷桩等工法配合使用。该方法受国产设备性能限制，一般在14m深度以下加固效果即很差。它的优点是工程造价低。易出问题：加固不连续，加固体强度偏低，掉钻头。14:49
2、旋喷桩施工工法对于砂层改良效果好，也适用于淤泥、粉土、粘土层，但砂砾地基和粘着力大的粘土有时不能形成满意的改良桩，施工深度在40m以下时，效果较差。由于其造价偏高，施工单位往往不愿采用，但在围护结构与加固体的间隙加固以及角部加固经常被采用。有三种主要工法选择：单、双、三重管。14:49
3、注浆适用于多种地层，尤其是深度较深的砂质地层、砂砾层，地层较好的地段或与搅拌桩等工法相结合，对于水量不大的地段进行加固止水。可进行单液和双液注浆，同时可进行跟踪注浆；浆液种类较多，经济性和可施工性好，材料和施工方法多种多样，需根据地下水、地质、施工环境等来确定，同时要考虑因灌浆而引起地基隆起等的处理对策。14:49
4、SMW(soilmixing wall)水泥类悬浊液在原地层中与土体搅拌混合形成墙体的技术。作挡土墙使用时，一般使用H型钢芯材。桩机为三轴或五轴搅拌桩机。隔孔布置全孔布置隔孔和全孔布置组合14:49
适用于砂层、淤泥、粘土层，加固宽度小，造价较低，是此类地层最安全可靠的加固方法之一。该方法成桩效果好，止水性好，对周围地层影响小。该工法的优点：加固质量高，桩体连续、强度高（粘土中～1MPa，砂和卵石中～3MPa），适用于各类软土地层，但造价偏高，目前主要采用国外进口的三轴搅拌桩机。对于上软下硬地层不适应。14:49
5、连续墙、钻孔桩、挖孔桩等素桩始发井的挡土墙作为双层结构的方法，对于土层相对较硬，但渗水量偏大的地层适用。需要注意的是：（1）连续墙、钻孔桩、挖孔桩上部的充填；（2）夹层的处理。14:49
6、冻结法适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层，该施工法的冻土强度和止水性高，通过测量地下温度，便可确认冻土形成状态；加强施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，冻土墙还能确保长期处于稳定状态。对于动水层，质量不宜保证：对于含水量低的地层不适用。14:49
冻土会产生的冻胀和融沉效应，对地面沉隆控制和周边建筑物影响较大。冻胀和融沉因地基条件、冻结时间、冻结规模、解冻速度、荷载条件等而异，一般在砂和砂砾层上小，在粘土、粉砂、亚粘土层大。当可预测到地基冻胀、解冻沉降对周围结构物有不利影响时，必须根据其容许变位量和冻胀与解冻沉降的防护工程的必要性，研究是否需要采取冻结施工法。。14:49
7、降水降低地下水位施工法，在有些土质条件下，往往会产生地基沉降和水井地下水位下降等现象，必须事先周密研究地下水位下降对周围地基等的影响。因此，一般在地层较好，周边环境适应，对建、构筑物影响范围小时采用。且主要应用于始发时，盾构到达时要考虑降水对隧道的影响，须与其他加固措施相结合。主要采用井点降水方法。14:49
8、直接切割工法（Shield Earth retaining Wall system）. 将FFU制成的挡土墙装到竖井盾构机通过的部分，是划时代的密封直接掘进施工法。盾构机可直接切削挡土墙，能够缩小地基改良范围，缩短工期，对于软土地层、不具备加固场地的地层相当有用，但造价相当高。玻璃纤维混凝土竹筋混凝土14:49
案例1：某软土地层车站端头搅拌桩加固14:49
案例2：某到达端头旋喷桩加固地质条件：全断面粉细砂层，上部有粉土，粘粒含量极少，且水流动性很高。原加固：旋喷桩6m，土体加固强度在以上，水平探孔无水超挖间隙盾构机14:49δ
案例3：某到达端头搅拌与旋喷加固 ～～～～～～～～～～～～～～～～～～:49
案例4：某盾构到达多种加固方法结合 :49
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加固断面图14:49
补充冻结加固设计冷冻法冻结孔按水平角度布置，冻结孔数57个。圆柱体冻结孔沿开洞口φ圆形布置，开孔间距为（弧长），冻结孔数32个，长度为。板块冻结孔在洞门上沿凿洞门方向φ、φ圆形布置，开孔间距分别为1m和（弧长），冻结孔数24个，冻结孔长度按和相间布置。开洞口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度。14:49
冻结孔施工平面图14:49
案例5 ：到达端头人工挖孔桩加固14:49
原有护壁拆除原有护壁说第一轮人工挖孔方桩人工挖孔方桩1护壁拆除清留原回填粘土凹围原2护支原原原桩护支支3人护护砼护壁护壁工人人4挖工工较孔挖挖拆桩孔孔方方盾桩桩构内留止水凹槽护壁出衬洞墙1200口第二轮人工1000120010001200平面位置图第一轮人工挖孔方桩示意图第二轮人工挖孔方桩示意图14:4966205x1500=750015001500150015001500150010580100018200
案例6：某软土地层车站端头搅拌桩和冻结加固深层搅拌桩加固区域3200东侧沿路方向15米2324214215216范围内有380V的电2112122132220820921020520620720220320421缆一根，15米左右19920020119619719820193194195190191192有Φ900的下水管一18718818919184185186181182183盾构施工孔18根。端头井的南侧17817918017517617717172173174169170171沿路方向15米范围16616716816163164165160161162330015157158159内有380V的电缆一1541551561511521425148149根，Φ1200的上水1145146压密注浆132612管一根，Φ150的上13914014114214314413313413513613713811127128129130131132121122123124125126水管一根。1151161171181191201010911011111211311410310410510610710899798991001011029192939495968586878988990798081828384说明：7374757677787盾构施工孔676869707172 1.本图单位：mm（除非特别注明）。61626364656626 2.深层搅拌桩每根桩截面积 ,桩长555657585960495051525354 ，桩顶（绝对）标高，桩底（绝4344454647485373839404142 对）标高；注浆水灰比为。3132333435364252627282930 3.深层搅拌桩在施工过程中，由于遇到硬物有1920212223241314151617183 三根桩未能打至设计深度，因此深层搅拌桩78910111212345621 共施工213根。 4.压密注浆深度为，桩顶（绝对）标高6200 ，桩底（绝对）标高;水灰比为 ，共施工26根。:491270012700
盾构地连墙内衬墙深层搅拌桩冻土墙地连墙内衬墙盾构冻结孔测温孔冻结孔深层搅拌桩冻土墙14:49
案例7：某泥水盾构始发端头加固14:49
粗砂14:49
案例8：某始发端头注浆加固设计及变更14:49
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案例9：某地铁工程始发竖井注浆加固加固长度：+214:49
案例10：某区间盾构始发连续墙加固隧道基本穿越5z-2残积土层，局部6z。顶部为杂填土和淤泥14:49
案例11 某区间始发端头挖孔桩加固<1>号素填土、<4>号冲积-洪积土层、<5-1>号可塑或稍密状残积层、<5-2>号硬塑或中期密状残积层，<7>号强风化岩，下部为<8>号中风化岩和<9>号微风化岩，隧道洞身范围主要为<7>号地层。右线端头附近地层从上到下为：<1>号素土、<4>号冲积-洪积土层、<5-1>号可塑或稍密状残积层、<5-2>号硬塑或中密状残积层、<7>号强风岩，下部为<8>号中风化岩，隧道洞身范围主要为<7>号和<8>号地层。14:49ZDK4+136.
车站围护支衬φ1200人工挖孔桩1地面桩芯回隧道填部分1桩芯砼隧道1-1剖面14:49
案例12：某盾构到达冻结法加固地质情况：杂填土、粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粘土。地下水位－，地层含水量35～50％，孔隙比大（～），强度低（60～100kPa）。盾构为泥水盾构，直径11m，覆土厚度～5m，道路下有煤气管、自来水管、下水管和众多电缆。冻结方法：垂直冷冻，冻结管间距，盐水最低温度－24，冻土温度－10，抗压强度－。14:49
盾构到达冻结法加固14:49
加固断面：加固长度37m，宽度轴线两侧。冻土扩展速度2～3cm/日，冻结30d交圈。14:49
冻结拱棚顶部最大拉应力335kPa。14:49
案例13：采用SEW工法加固的某始发端头案例14：采用纤维混凝土加固的某始发端头14:49
案例15：某采用芯材拉拔工法和搅拌桩结合加固的端头事故。14:49
端头加固实施及检测情况车站围护结构为SMW桩，深度33m。端头加固采用Φ850三轴深层搅拌桩进行地层加固。搅拌桩施工完成后，对搅拌桩与围护结构结合部分20cm左右采用Φ600二重管高压旋喷桩加固。加固范围为盾构轮廓线外3m，加固长度为9m。搅拌桩加固3月27日开始，4月3日结束，空搅区水泥掺量为7%，加固区水泥掺量为18%。高压旋喷桩加固4月4日开始，4月15日结束。在端头地层加固施工完毕之后，对加固区域进行了垂直取芯以及在洞门处均匀布置5个水平探孔，经检测结果表明加固强度达到设计要求；最终水平探孔均没有渗水，满足设计要求，满足盾14:49构始发的条件。
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四、事故原因分析型钢过早拔除导致承压水上升，击穿洞门密封，继而掏空隧道周边土体。洞门密封固定不牢固。14:49
五、端头加固效果检测加固体的检测方法多种多样，如标准贯入试验、静力触探、旋转触探、弹性波检测、电探、化学分析等等，但端头加固的主要检测手段如下：。（1）竖向抽芯检测：目测判断加固体强度可否满足设计要求，是否连续（抽芯率）；试验判断加固体强度、抗渗性能。在砂层中，特别注意加固体连续性是否良好，抽芯率要达到90％以上。抽芯位置一般选取在桩间咬合部位。（桩体垂直度的控制）抽芯数量按规范选取，且每个端头不应少于1根。14:49
（2）水平抽芯检测：沿洞门四周加固体范围内打数个水平探孔，观察渗水情况。探孔数量不少于6个，中间和四周均布。张府园站南端头（3）挖孔桩检测：在粉细砂地层，加固后效果可以采用挖孔桩代替竖向抽芯进行检测。（4）冻结法测温检测：确定冷却速度、厚度等等参数。（5）水位观测井检测。14:49
六、事故多发因素桩身垂直度不够，桩身偏斜，加固体不连续，桩间不咬合；加固时注浆管或钢筋等异物落入隧道范围内。砂层中施工参数选取不合理，达不到预想的加固效果。可通过试桩和调整施工工艺解决。如三重管旋喷、二重管旋喷和单管旋喷的控制。14:49
夹层的处理措施不当。过早破除围护结构，使掌子面暴露时间过长，或拆除墙体方法错误。洞门密封措施选用不得当。始发注浆等辅助措施不合理抽芯后未回灌砂浆密实。冻结施工过程的冻结管渗漏。未处理好承压水层的降水等工作。14:49
七、端头加固中的注意事项1、加固时间：根据加固方法不同而异，但一般应提前至少3个月进行，考虑1个月的工期、1个月的龄期、检测后的补充加固等因素。如果是连续墙或挖孔桩、钻孔桩作业，最好和围护结构施工同时进行。2、加固方案的审查、加固工艺的确定3、加固过程的检查：工艺参数的合理性、垂直度的控制等4、抽芯方法的选择：竖直抽芯过程：孔位、深度、连续性判断抽芯孔封堵的效果水平抽芯孔的确定，检查、及时封堵14:49
总而言之，任何地层的端头加固手段都是多种多样的，具体采取哪种加固方式，要根据地质条件、周边环境影响、盾构机形式，综合评价经济性、安全性，多方案比较选取最优加固方法。14:49
谢谢！14:49
