地鐵盾構進出洞封門形式及土體改良加固技術

李 軻

（中電建鐵路建設投資集團有限公司，北京 100060）

盾構法作業是現階段國內地鐵隧道施工中常用的一種方法，利用土壓平衡式盾構機旋轉切削土體，并在推力作用下不斷向前掘進，從而完成地鐵隧道施工任務。相比于明挖法作業，盾構施工具有施工效率高、對地面建（構）筑物影響小等一系列優勢。但是在盾構機進出洞口時，容易造成洞口巖石開裂、土體崩塌。因此在盾構機作業過程中，需要在地鐵車站的端頭采取必要的封門措施；如果洞頭地質條件較差，還需要使用土體改良加固技術，避免洞口出現坍塌等工程事故。基于此，選擇合適的地鐵盾構進出洞封門形式以及做好洞口土體改良加固處理成為盾構法地鐵施工管理中的要點。

1 地鐵盾構進出洞封門形式

1.1 鋼板樁封門

在盾構法施工中，如果選擇沉井施工法建設工作井，可以用鋼板樁來封閉地鐵車站的洞口。具體操作方法分為兩種：一種是將準備好的封門鋼板樁，直接嵌入到沉井內的洞圈中，并使用水泥漿砌筑的方式予以加固。該方法適用于盾構機進出洞速度較快的情況，可以根據現場施工需要快速、方便的完成封門，然后共同下沉到施工位置；另一種則是先將沉井預留的洞口進行封閉，等到下沉到施工位置后，從靠近沉井外側井壁的一側打入封門鋼板樁，完成封門，見圖1。

圖1 鋼板樁封門示意圖

1.2 型鋼水泥土攪拌樁封門

結合地質勘測結果，如果工程施工區域存在地下水豐富并且巖層裂隙發育等特點，則需要使用SMW（型鋼+水泥攪拌樁）工法封門。緊貼著工作井的外側井壁，從地面開始垂直向下鉆孔，保證鉆孔深度超出掘進設備基座的標高。鉆孔過程中，使用專門的多軸攪拌機切削土體，使土體變得松軟、多孔，同時注入水泥漿。在鉆頭的旋轉作用下，使得水泥漿和土體充分混合。在水泥土混合物尚未完全硬結時，將一根H 型鋼插入到鉆孔內。等到水泥土混合物硬結以后，形成的SMW 工法樁不僅具有較大的強度，起到了支撐、加固洞口的效果，而且還具有較強的防水抗滲能力[1]。SMW 工法樁即可適用于盾構機進洞時的封門處理，也可用于出洞時的封門處理，是一種常用的車站隧道洞口及周邊土體加固技術。

1.3 地下連續墻封門

在地鐵隧道工程中，如果選擇地下連續墻法建設工作井，那么盾構機進出洞時可以選擇地下連續墻封門。具體施工方法如下：根據施工設計圖紙，提前開挖導墻槽，進行槽底、槽壁的整平處理后，向導墻槽內澆筑混凝土。根據地下連續墻的設計寬度，確定內導墻與外導墻之間的間隔距離。在地下連續墻施工時，按照逐段挖槽、分段注漿的方法進行作業，直到開挖到設計深度。將鋼筋籠放入槽內，固定后開始澆筑混凝土，并替換原來的泥漿，等到混凝土凝固后即可得到鋼筋混凝土地下連續墻。成型后地下連續墻有較大的剛度，可以保證盾構機在進出洞時不會對洞口造成破壞；同時由于地下連續墻是一個覆蓋范圍較廣的整體，也能確保洞口周圍土體的穩定性。地下連續墻與內襯相結合，還能發揮理想的阻水效果，也是地鐵隧道盾構進出洞封門中常用的一種形式，見圖2。

圖2 地下連續墻封門示意圖

2 地鐵盾構進出洞土體改良加固技術

2.1 注漿加固技術

在洞口土體松軟、巖層裂隙發育的情況下，選擇注漿加固技術能夠顯著提升洞口巖土結構的整體性和穩定性，對預防局部塌陷有顯著效果。注漿加固處理的技術要點如下：首先是整平作業面，并按照設計方案測量放線，標記出各個注漿孔的位置。其次利用鉆機垂直于作業面向下鉆孔，至設計深度。現場制備水泥漿，將水泥漿倒入注漿泵中，設置好注漿壓力等參數。注漿管的一端連接注漿泵，另一端插入鉆孔內。啟動設備后，加壓到設定好的壓力，然后打開注漿管口向鉆孔內壓入漿液。在壓力作用下，水泥漿會滲透到土壤顆粒間或巖石裂隙中，起到了填充空隙、封堵裂縫的效果。等到水泥漿液凝固后，洞頭土體的強度、剛度、抗滲性均可以得到不同程度的加強。注漿加固法的示意圖，見圖3。

圖3 注漿加固法示意圖

2.2 深層攪拌樁加固技術

該技術主要適用于軟土地基的土壤改良加固，經過技術處理后還能發揮防水、防流沙的效果，對提高洞口土體穩定性有顯著效果。在隧道洞口使用深層攪拌樁改良加固土體時，選擇水泥和添加劑（通常為固化劑、減水劑），將兩者按照一定比例混合后加入清水充分攪拌，得到水泥漿。然后利用專門的設備一邊切削土體一邊注入泥漿，讓原位土和水泥漿能夠充分混合，凝結固化后得到樁體或墻體[3]。深層攪拌樁加固的流程見圖4。

圖4 深層攪拌樁加固示意圖

結合上圖可知，在深層攪拌樁施工中依次經過預攪、攪拌、復攪等工序，通過反復多次的攪拌，保證了水泥漿與原位土之間可以充分的混合，這樣形成的攪拌樁整體性更好，凝固后可以獲得更強的承載力和穩定性。

2.3 凍結加固技術

該技術適用于含水量較高、流變性較強的淤砂層、礫石層等地質條件下。在作業面上測量放線，按照設計方案確定凍結管的位置。首先從地面開始鉆孔，保證孔徑大于凍結管直徑2～3 mm。然后自上而下插入凍結管，確保凍結管的下端伸入到冰凍拱棚中。在凍結管的作用下，冰凍拱棚內的土體因為溫度持續降低，土壤中的水分開始結冰，形成了凍結加固土體，強度和剛度均有明顯提升。這樣在盾構機進出洞口時，就不容易出現凍土土體變形或坍塌的情況。凍結加固施工示意圖見圖5。

圖5 凍結加固法示意圖

在應用凍結加固技術時，由于土體中水分結冰析出導體土體發生不同程度的膨脹，可能會引起地表變形。因此在工程實踐中，可以配合使用熱水循環、強制消凍等措施，在滿足洞口土體改良加固效果的前提下，盡量避免土體變形問題的發生[4]。

2.4 降水加固技術

該技術同樣適用于土質松軟且含水量較高的地質條件。相比于凍結加固技術，該方法的操作更加簡單、成本相對較低，在巖土結構較為完好的洞口土體改良加固中有著廣泛的應用。降水加固施工的主要步驟為：探明施工區域的地質情況后，從地面鉆井，保證降水井的深度低于地下水3～5 m。在重力作用下，地下水逐漸匯集到降水井內。降水以后，原本松軟的土體在重力擠壓作用下變得密實，從而達到加固效果。根據地下水含量的不同，可以靈活設計降水井的位置和布設密度，保證取得理想的降水加固效果[5]。在工程實踐中，使用降水加固技術可能會引起地表的沉降，因此對于降水加固方案應當開展充分論證后方可使用。

2.5 置換土層加固技術

如果盾構進出洞口的土體以淤泥質等不良土體為主，采用上述的加固處理技術不僅很難取得理想的改良加固效果，而且還會導致施工成本的上漲。這種情況下可以選擇置換土層加固技術，直接將盾構進出洞口周圍的不良土體全部挖出，然后重新填入穩定性良好的礫石、素土，并使用工具或設備夯實，得到新的穩定的土體。根據置換材料的不同，又可將該技術分為土層置換、砂石置換、復合土置換等類型[6]。在應用該技術時，需要根據地質勘察結果確定不良地質的范圍，然后在邊緣處打入分隔樁或修建隔墻，將不良地段與其他地段隔離開來，這樣在隔墻內部就形成了回填區域。然后使用挖掘機將不良土體挖出，并按照分層回填、層層壓實的方法，將新的粘土、礫石或復合土回填。

3 盾構進出洞封門與土體加固技術的應用實例

某市地鐵3 號線II 期工程共有一站兩區間，車站整體呈南北向布置，全長967.4 m。結合地質勘查資料，自上往下土體類型主要為人工雜填土（厚度1.9 m）、粉質粘土（厚度2.6 m）、黃褐色細中砂（厚度3.3 m）、雜色密實卵石（厚度2.6 m）。另外測得該工程地下水可分為2 層，第一層水位埋深7.2～14.1 m，水位標高23.6～26.8 m；第二層水位埋深7.1～23.3 m，水位標高12.5～14.0 m，為潛水。根據水文地質勘察結果，技術人員綜合對比各類洞口封門形式和土體改良加固技術，最終選擇SMW 工法封門，該方法的機械化程度較高，由型鋼與混合土體相結合形成的復合結構，能夠大幅度加強洞門穩定性，為盾構機順利進出洞提供了良好條件。洞口土體改良加固采用了注漿加固技術，在始發端加固厚度為6.6 m，在接收端加固厚度為8.3 m，加固長度統一設定為15 m。完成加固處理后測量洞口兩側圍巖的抗壓強度，達到了1.1 MPa，滲透系數＜1×10-8cm/s，很好地滿足了施工要求。

4 結論

地鐵隧道的盾構法施工中，洞口封門與周邊土體加固是施工管理的重點。根據現場施工條件和水文地質特點，選擇鋼板樁或SMW 工法樁等封門方法，可以保證盾構機在進出洞口時不會出現洞口變形等問題。除此之外，盾構機進出洞口也容易對周邊土體造成擾動，特別是遇到富水的軟土地質或者巖層裂隙發育的地質，還有可能發生坍塌事故。采用注漿加固法或凍結加固法，能夠有效提升土體穩定性，從而切實保障地鐵隧道施工的順利和安全進行。