常见的盾构进出洞土体加固技术

孟随随

天津市市政工程设计研究院天津300380

摘要：盾构进出洞施工时，洞口土体易流失和坍塌,造成安全事故。盾构始发和接收前应根据地质条件进行端头加固[1]，确保洞口暴露后正面土体的稳定。当前常见的土体稳定技术有降水法、高压旋喷桩、深层搅拌桩及冻结法等。

关键字：盾构进出洞、土体加固技术、降水法、高压旋喷桩、冻结法

引言：盾构的进出洞施工技术必须根据工程所处地层的土质、水文、环境条件和环境保护要求的等级而制定，如何科学、合理地运用各种不同的进出洞土体加固技术，使其符合各工程的特定工况条件要求，是一项值得研究、探讨的课题。

1、盾构进出洞施工中易发生的事故

1.1洞门处土体涌入井内

洞口封门拆除后，井外土体不能自立，井内洞圈的密封装置还不能阻挡洞外的土体，所以洞口外土体随之进入井内，造成地面沉陷，影响附近地下管线和地面建筑物的安全使用，如情况严重，则造成井下无法施工。

1.2洞口周圈涌泥水

由于在出洞施工时会损坏洞口密封装置，盾构出洞后没有及时做好洞口防渗漏处理，因此在盾构未全部通过工作井洞圈或已经脱出洞圈时，井外泥水不断从洞圈与盾构之间的间隙涌入井内。如不及时处理，将导致地面沉陷和洞口处已建设好的隧道产生过量沉降。

1.3盾构出工作井洞口时上抬或下沉

盾构出工作井洞口后，就失去了基座的支撑，若在施工中对正面平衡压力值的设定和控制不当，则极易产生盾构的上抬或下沉，这将使刚建成的隧道偏离设计轴线，甚至无法正常施工。进土部位和进土量控制不当，易使盾构上抬，于是地面也随之隆起；正面土体流失过量，超量出土，易使盾构产生下沉。

1.4管片不良现象

盾构进出洞处管片易产生破碎、环面不平、环向旋转、内外张角严重、纵缝喇叭大等现象。

2、进出洞土体加固技术

盾构进出洞时需采取土体稳定措施。洞门外土体能稳定自立相当长一段时间后，可安全拆除封门。但在施工时必须对加固处理后的土体实际性能作检测，确认其达到施工所规定的要求，方可拆洞口封门[2]。当前常见的土体稳定技术有降水法、高压旋喷桩、深层搅拌桩及冻结法等。

2.1降水法

在软土的含水地层中建造隧道，用降水法排除地下水，稳定开挖面的土体，是防止地下施工流砂产生的有效措施。人工降低地下水是在施工范围内埋设一定数量的滤水管，用抽水设备抽其井内水，降低地下水到影响工程施工面以下，而在施工过程中仍保持不断抽水，使工作面土体始终保持干燥，从根本上防止流砂现象的发生，同时，由于抽去土中水后，动水压力减小或消除，土体树立面更加稳定。

采用降水法一般为地面向下打井点，所以其使用的范围、地区受到了限制，但在盾构施工进出洞阶段，这是一个主要方法，并经常使用。用人工降低地下水位方法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、深井井点等。而具体采用哪一种方法应根据土的渗透系数，要求降低水位的深度、工程特点、设备条件及现场施工条件而选择。

降水法的适用范围：盾构工作井施工中，防止井内涌泥或产生流砂；盾构隧道施工中，稳定开挖面土体；井点降水尤其适用盾构的进出洞施工。

2.2高压旋喷桩

高压旋喷桩有单管法、二重管法、三重管法以及近些年出现的多重管法。其在地基加固、提高地基承载力、改善土质进行护壁、挡土、隔水等方面起到了很好的作用。

高压旋喷桩特点：高压旋喷桩可指定加固某一深度的土层；可以克服渗透系数很小的细颗粒土层中无法进行灌注浆液的土体加固，并且浆液灌注均匀，范围可调节控制；在上方公用管线间距狭小或构筑物仅有小狭缝的场合，可进行加固土体；结合定喷法，可有效地形成垂直向隔水墙、水平向隔水墙或封闭式的隔水帷幕；使用方便，移动灵活。既可形成单排桩体，又可形成多排桩体，桩径可适当调节；对排出泥浆可回收利用，改善施工环境，节省外运费用。适用范围广，适用于砂土、粘性土、淤泥土及人工填土等土质。

工艺原理：利用工程钻机钻孔到设计深度，将一定压力的水泥浆液和空气，通过其端部侧面的特殊喷嘴同时喷射，并强制与喷射出来的浆液混合，胶结硬化。喷射的同时，旋转并以一定速度提升注浆管，即在土体中形成直径明显的拌和加固体。桩间叠合就形成了隔水、挡土的护壁墙。

2.3深层搅拌桩

深层搅拌桩是软土地基加固和深基坑开挖侧向支护常用的方法之一。我国于1977年开始试验研制和试用，后于1980年由冶金部主持通过部级技术鉴定，推广应用于地基加固工程。

深层搅拌桩特点：固化桩与原地基构成复合地基，改善了地基的承载力和变形模量；能自立支护挡土，不需要支撑和拉锚；桩体连接成壁后有隔水帷幕作用；施工中无振动、无噪音、无污染，对周围建筑物和地下管线影响小；施工机具简单，操作方便，造价低，为文明施工创造了较好条件，尤其在场地较小的地方采用更加合理。

适用范围：软土地基加固；侧向挡土支护结构，而且对临近建筑物有良好的保护作用；隔水、防流砂的良好帷幕。工艺原理：利用深层搅拌机械，用水泥作为固化剂与地基土进行原位的强制粉碎拌和，待固化后形成不同形状的桩、墙体或块体。其计算理论按重力式刚性挡土墙计算，同时按刚性挡土墙计算方法验算变形。

2.4冻结法

当用其他方法难以达到稳定开挖面土体时，采用冻结法可取得较好的效果。冻结法的主要功能：使不稳定的含水地层形成强度很高的冻土体；能够形成完整的防水屏蔽，起到隔水作用；能起到良好的挡土墙作用，以承受外来荷载。

冻结法适用于各类淤泥层、砂层、砂砾层[3]。冻结法的冻土强度和止水性高,通过测量地下温度，可确认冻土形成状态；通过加强施工监测管理，冻结法可以得到高可靠性。此外，冻土墙能确保长期处于稳定状态。但是对于动水层，质量不易保证：有地下水流动时，因其阻碍冻结的进行，施工前必须确认地下水流的存在及其流向和流速,能否按计划冻结。并根据水流情况，采取必须的措施。对于地下水丰富、透水性大的砂层和砂砾层，必须注意地下水流的存在，在有些情况下，可以考虑采用化学注浆法等手段截断地下水或降低流速。当水流流速大于10m/d,冻土扩展受到抑制，冻土形状不规正，水流流速大于40m时，冻土帷幕扩展困难。另外，对于含水量低的地层该法不适用。我们也要注意，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。控制解冻引起的地基沉降还有一种是使温水循环，强制解冻，用化学注浆工程填充孔隙的方法。冻融效应持续时间很长，还会影响到管片后期沉隆变形，注浆液的选用要具备抗冻性能，冻结法附近的管片配筋应采用加强管片，后期管片还需进行二次注浆等处理。

3结论

盾构法隧道施工中，盾构进出洞土体加固是盾构机始发、到达技术的一个重要组成部分，盾构进出洞土体加固的成功与否将直接关系到盾构机能否安全始发、到达。因此，盾构始发和接收前应根据地质条件和周围环境进行端头加固，合理的选用土体加固措施。

参考文献：

[1]TB10181-2017.铁路隧道盾构法施工技术规程[S].中国铁道出版社.2017.

[2]GB50446-2017.盾构法隧道施工与验收规范[S].中国建筑工业出版社.2017.

[3]李大勇，王晖，王腾．盾构机始发与到达端头土体加固分析[J].铁道工程学报，2006，91(1)：87-90.