富水砂層地質環境下城軌施工盾構端頭加固技術優化

高路恒 王斯海 錢野 吳凡

摘 要：本文提出了一種復雜地質環境下的軌道交通盾構端頭加固技術優化方案。研究表明，該優化方案有效滿足了富水砂層地質環境下的城市軌道交通土建加固工程施工需求，有利于城市軌道交通土建加固工程的順利推進。

關鍵詞：富水砂層;城市軌道交通;加固工程;凍結法

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0094-03

Abstract： In this paper， an optimization scheme of shield end reinforcement technology for Rail Transit under complex geological environment was proposed. The research shows that the optimization scheme effectively meets the construction requirements of urban rail transit civil reinforcement project under the geological environment of water rich sand layer， and is conducive to the smooth progress of urban rail transit civil reinforcement project.

Keywords： water-rich sand layer;urban rail transit;reinforcement project;freezing method

1 工程概況

北寺塔站位于江蘇省蘇州市孤蘇區人民路主干道，施工區域車流量大。車站周邊區域建筑物密布，環境復雜，西側為江蘇銀行，東南側為盆盆酸菜魚館，東側為工商銀行，北側橫跨香花河。該站土建為地下二層三跨框架結構（換乘節點段為三層三跨），采用半蓋挖順作法施工。車站外包總長204.10 m，標準段外包寬度21.70 m，標準段基坑開挖深度18.46 m，換乘段基坑開挖深度25.24 m。因北寺塔車站位于鬧市區，周邊建筑物密集且距離車站基坑較近，端頭加固范圍為15 m，加固體有效長度為9 m，三軸攪拌樁止水帷幕距周邊古建筑物1.5 m，大型機械設備運轉受限。同時，在市區，端頭加固施工需要分多期，三軸攪拌樁止水帷幕分期施工無法實現套打施工，影響止水帷幕效果，為盾構施工埋下安全隱患。

2 加固方案選擇

針對原設計方案無法施工的現狀，通過盾構端頭加固施工方法專家論證會，以盾構端頭地質勘察報告和設計圖紙為依據，結合以往的施工經驗，根據現場實際情況，端頭加固最大范圍為11 m，加固體有效長度為7 m，加固長度可滿足盾構始發及接收要求。

2.1 方案一：素混凝土地下連續墻+高壓旋噴樁

該方案主要包括800 mm素混凝土地下連續墻止水帷幕和7 m寬Φ850@600高壓旋噴樁加固區，止水帷幕距端頭邊線11 m，端頭加固與地下連續墻冷縫采用Φ600@300單排旋噴樁進行加固處理，共設置4口降水井[1]。將地下連續墻和高壓旋噴樁兩個獨立的施工工藝有效結合到一起，地下連續墻采用素混凝土作為止水帷幕，既滿足止水效果，又滿足盾構刀盤切割要求。該方案的技術特點是：止水效果不明顯，水泥摻量大（30%～40%），單臺設備施工效率低，施工周期長，影響盾構施工進度，但適用范圍廣，工法相對成熟。方案一端頭加固平面見圖1。

2.2 方案二：素混凝土地下連續墻+三軸攪拌樁

該方案主要包括800 mm厚素混凝土地下連續墻止水帷幕和7 m寬Φ850@600三軸攪拌樁加固區，止水帷幕距端頭邊線11 m，端頭加固與地下連續墻冷縫采用Φ600@300單排旋噴樁進行加固處理，共設置4口降水井[2]。將地下連續墻和三軸攪拌樁兩個獨立的施工工藝有效結合到一起，地下連續墻采用素混凝土作為止水帷幕，既滿足止水效果又滿足盾構刀盤切割要求。該方案的技術特點是：止水效果好，施工效率高，水泥摻量小（18%～22%），工法成熟，對其他工序無影響。方案二端頭加固平面見圖2。

綜上，技術方案二為最佳方案。經全方位考慮，對設計施工方案進行了優化變更，即采用Ф850@600三軸攪拌樁+連續墻止水帷幕的土體加固方法。三軸攪拌樁加固端頭井為車站圍護結構外7 m、隧道上下3 m區域，經加固的土體28 d無側限抗壓強度不小于1.0 MPa。

3 存在的問題及相應措施

第一，沉渣厚度控制。實驗室人員按照目標選用泥漿材料，設計泥漿配合比;選用配合比為新型鈉基膨潤土（優鉆100）泥漿，提高泥漿黏度比重，降低沉渣厚度;護壁泥配合比為膨潤土∶重質純堿∶中黏羧甲基纖維素（CMC）∶自來水=120∶4∶1∶960。調整泥漿配合比，增加泥漿護壁能力和懸浮沉渣能力，降低沉渣厚度，保證槽壁穩定，避免頸縮現象，沉渣厚度不大于100 mm。

第二，盾構機破地連墻控制。實驗室人員設計混凝土配合比;本次地連墻施工采用M5砂漿，設計配合比為水泥（PO42.5）∶粉煤灰（二級）∶水∶砂子=170∶37∶280∶1 520;M5砂漿入槽坍落度控制在18～22 cm[3]。混凝土配合比的設計要滿足設計強度、抗滲及施工要求;滿足盾構機刀盤10 MPa的破巖能力。

第三，素混凝土地連墻接縫控制。在混凝土澆筑前，將鎖口管置入槽段兩端預定的接頭孔位;用特制鋼絲刷刷壁器刷壁，反復刷數次，直至刷壁器上不粘泥為止。混凝土澆筑完成初凝前，用自動液壓拔管機將鎖口管拔出，形成凹凸口，延長滲水路徑，增強止水效果;提升接縫處混凝土密實度，保證混凝土強度，減小混凝土孔隙率，增強接縫處的止水效果。

第四，三軸攪拌樁水泥漿液水灰比控制。采用3 m3的標準水箱，按設計要求嚴格控制水灰比，每箱加入水3 000 kg，水泥2 083 kg;實樁區水泥摻入量20%，空樁區水泥摻入量7%，在施工中要求均勻、連續地注入拌制好的水泥漿液;施工人員用比重計測量每箱水泥漿液的比重，質檢人員對比重進行抽查，保證施工質量。水泥漿比重要達到1.38，保證加固區土體的均勻性和自立穩定性。

第五，主體圍護結構拐角處地連墻施做成T形，T形頭伸出部分尺寸不小于500 mm。

第六，盾構施工前對洞門進行水平注漿，使用孔徑為30 mm鉆機鑿穿地連墻，持續注入水泥漿，注漿壓力大于2 MPa，單孔注漿時間小于1 h，鉆孔數及注漿量視實際情況確定。

第七，止水帷幕施工冷縫采用3根Φ600@300高壓旋噴樁進行補強施工，包括止水帷幕與主體圍護結構冷縫，以及因交通疏解止水帷幕分期施工形成的冷縫[4]。

4 技術優化總結

火車站站北端頭位置處于下沉廣場下方，南端頭位置處于中央南北聯系通道下方，頂部為國鐵7、8號站臺，特殊的地面環境使盾構始發與到達風險性增大。通過具體施工條件和工法選擇，利用冷凍法凍結洞門進行接收，即采用“工作井內鉆孔水平凍結加固”接收的施工方案。

①針對盾構穿越區間建構物存在的安全風險，在盾構穿越建構物前，利用試驗段施工現場監測數據，結合數值模擬計算的研究方法，對其結構安全性進行模擬分析。

②對刀盤進行優化改造，使其既適用于在長距離富水軟土中掘進，又能穿越預留中間風井玻璃纖維墻障礙物。盾構機刀盤應用見圖3。

③對于刀具排布，工作人員嚴格遵循加強外緣部分的原則。這主要是因為外緣部分的直線距離、線速度均比中心部位要長、要快，所以其磨損速度較快。為了使邊緣部分的刀具與中心部分有相近的磨損量，研究者適當增加了外緣部分軌跡線上的刀具數量，以分散其磨損量，達到保護刀盤邊緣的目的。總的來看，刀具布置較密，刀間距為100 mm。每條軌跡線上確保2把撕裂刀;邊緣區共設8把邊緣刮刀、7把可更換式撕裂刀和6把焊接式撕裂刀[5]。

④盾構機穿越運營鐵路站場及鄰近古建筑沉降控制過程中，采用自動化監測技術，實現了盾構掘進參數的動態調整，軌道沉降控制在1 mm以內，具有較好的借鑒和指導意義。

⑤毗鄰古建筑端頭的加固通過優化原設計方案，首次采用三軸攪拌樁+連續墻止水帷幕端頭加固新方法，為類似工程提供了新思路，具有較好的借鑒和指導意義。

⑥采用盾構機內部調頭和臺車外部交叉轉場調頭，降低施工風險，確保施工進度、安全和質量，為類似工程提供了寶貴經驗。

⑦火車站項目及軌道交通2號線正常運營的情況下，采用洞門水平冷凍法加固，對盾構接收提出了更高的要求，研究了冷凍溫度控制、槽壁探孔（見圖4）、槽壁鑿除、凍結溫度監測施工工藝和質量控制，降低了盾構接收風險，確保盾構順利接收。

5 結語

綜合考慮富水砂層地質環境下的城市軌道交通盾構端頭加固施工痛點，本文公開了一種復雜地質環境下的軌道交通盾構端頭加固技術優化方案。該優化方案能有效滿足富水砂層地質環境下城市軌道交通土建加固工程施工需求，為行業提供借鑒。

參考文獻：

[1]馬高峰，朱金賢，曹丙柄，等.軟土地區盾構始發端頭合理加固范圍的研究[J].土工基礎，2021（2）：139-143.

[2]馮龍飛，楊小平，劉庭金.緊鄰地鐵側方深基坑支護設計及變形控制[J].地下空間與工程學報，2015（6）：1581-1587.

[3]寧超.基于空間效應的地鐵車站深基坑開挖與支護的力學機理分析[D].北京：北京交通大學，2012：18-19.

[4]萬利民，駱軍，黃立勇，等.珠江新城中心城區深基坑支護及巖土開挖技術[J].施工技術，2012（24）：13-16.

[5]邢民，崔磊，王述紅，等.沈陽地區明挖車站主要影響因素及其施工新方法[J].施工技術，2016（11）：65-68.

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