鄰近既有礦山法隧道的盾構始發端頭加固技術

羅桂軍，劉 旭，肖 超，劉建民，李星霖，張 聰

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004；2.中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410004)

近年來，隨著我國城市建設的快速發展，地鐵建設也進入了蓬勃發展時期，盾構法具有掘進速度快、對周圍環境擾動小等優點，廣泛應用于地鐵隧道建設中。盾構始發是盾構施工關鍵環節，也是施工的難點之一。盾構始發對地層擾動可能使其脫離始發基座，造成隧道塌陷和地表沉降等事故，所以必須采取可靠的措施對盾構端頭進行加固。

近年來，國內外學者們針對盾構始發端頭加固開展了廣泛的研究，取得了豐富的研究成果。雷金山等人采用理論解析、數值模擬方法，推導出了盾構端頭的合理加固范圍。石泉彬、陸東生等人采用凍結技術對盾構始發端頭土體進行了加固，并且通過探孔實測凍結效果驗證了凍結方法的可行性。趙合全提出一種三軸攪拌樁、高壓旋噴樁及局部垂直凍結相結合的聯合加固方法，并系統介紹該方法加固參數的確定以及加固效果評價。以上學者們的研究成果主要集中在盾構始發端頭加固范圍、加固方案方面，且取得了較為豐碩的研究成果。在實際施工過程中，后行線往往會臨近先行線，且后行線的施工極易對先行線造成影響，但目前針對鄰近既有礦山法隧道的盾構始發端頭加固的相關研究則較少，仍有待進一步探討。

鑒于此，本文依托西安市軌道交通8 號線曲江池西-曲江池·寒窯區間工程，提出左線盾構始發端頭洞內超前注漿加固和左、右線之間設置隔離樁的施工方案，來降低左線盾構始發造成的地表沉降以及對已建的右線礦山法隧道初支結構變形的影響。

1 工程概況

西安地鐵8 號線曲江池西-曲江池·寒窯區間沿雁南四路向東，下穿曲江池至寒窯路，全長977.283m，左右線中心距離13.0～17.2m。其中，左線隧道采用盾構法施工，區間長度為978.361m，右線隧道里程YDK7+082.460～YDK7+141.440采用礦山法施工，其余段落均采用盾構法施工，圖1 為曲江池西-曲江池·寒窯區間示意圖。現場勘察顯示，施工地層由上到下依次為：素填土、雜填土、老黃土、古土壤，圖2 為隧道施工地層分布圖。

圖1 曲江池西-曲江池·寒窯區間示意圖

圖2 曲江池西站-曲江池·寒窯站地層分布圖

2 施工重難點分析

1）地質因素 曲江池西站-曲江池·寒窯站區間穿越地層條件復雜，主要以雜填土、素填土、新黃土、古土壤、老黃土為主。根據文獻調研，在黃土地區修建隧道工程，特殊的黃土地層以及干旱、半干旱氣候地區特殊的地形地貌及地質環境會對隧道結構形成潛在的威脅。此外，由于黃土受水浸濕后，強度會隨之降低，表現出“濕陷性”特征。根據以往施工經驗，當隧道穿越濕陷性黃土地層時，施工過程中極易出現因黃土浸水濕陷而導致的隧道塌陷、地表沉降過大等問題。因此，在該類地層采用盾構法修建隧道時應進行盾構始發。

2）環境因素 根據設計方案，左線采用盾構法施工，右線里程YDK7+082.460 至YDK7+141.440 采用礦山法施工，左、右線中心距離為13.0～17.2m。此外，右線礦山法段先于左線施工，故左線盾構始發對鄰近的右線礦山法隧道可能會造成擾動。因此，需考慮左線盾構進洞時對臨近右線既有的礦山法隧道的影響，采取措施降低盾構始發時對右線的擾動，并需要在左線盾構施工中實時監測右線礦山法隧道初支結構的變形。

3 盾構始發端頭加固施工方案

西安市市軌道交通8 號線曲江池西-曲江池· 寒窯區間左線采用盾構法，為避免施工中對已建的右線礦山法隧道初支結構造成破壞，采取了左線盾構始發端頭洞內超前注漿加固和左、右之間設置隔離樁的綜合施工方案。

3.1 超前預注漿

根據曲江池西-曲江池·寒窯區間工程所處環境及地質情況，確定洞內超前注漿加固范圍：深度為結構下方3m，寬度為結構側邊3m，上部加固范圍為結構上方3m，沿隧道方向縱向長度為8m，注漿加固范圍為開挖輪廓線外2.5m。為了便于過程控制及保證加固效果，漿液擴散半徑為1.2m，注漿壓力0.5～0.8MPa。為避免鉆孔過程地下水及地層介質的大量流失，采用后退式分段注漿工藝，注漿孔徑?90mm，孔口安設100mm PVC 管并通過水囊式止漿塞進行孔口止漿、注漿作業。為了提高地層的整體抗變形能力，必要時在注漿結束后，可在注漿孔內放入PE 管，達到支護和錨固作用，作為安全儲備，更好地控制既有線沉降變形。洞內超前注漿具體設計如圖3、圖4 所示。

圖3 注漿孔位布置

圖4 洞內超前注漿縱剖面圖

3.2 隔離樁

為避免左線盾構掘進過程中對右線礦山法初支結構造成破壞，設計在里程YDK7+082.460～YDK7+141.440 區間左線 盾構段與右線礦山法段之間設置隔離樁。其中，隔離樁直徑為800mm，布置間距為1350mm，數量一共21 根，距離隧道結構1.5m 布置，隔離樁施工時加大樁體跳做間隔，減少對土體的擾動。隔離樁深入盾構隧道底以下6m，盾構隧道頂以上7m，樁長19.2m，樁中心距離盾構隧道凈距1.5m，鉆孔灌注樁范圍為左線區間隧道底以下6m，隧道頂以上7m，總長19.2m。隔離樁鋼筋保護層50mm，采用C30 混凝土。隔離樁布設如圖5 所示。

圖5 隔離樁布設圖

4 現場施工及效果評價

4.1 現場施工

4.1.1 超前預注漿施工

為保證左線盾構進洞安全，需要在洞口段進行超前注漿加固以確保盾構順利始發。洞內超前注漿施工工藝流程如下，具體如圖6 所示。

圖6 洞內超前注漿施工流程

1）鉆孔 鉆機采用HM90 型，根據設計圖在工作面上用油漆標定鉆孔位置，調整鉆桿，移動鉆機至鉆頭對準孔位處。

2）制備水泥漿液 注漿材料采用PC42.5R早強型復合硅酸鹽水泥，制漿機制備水灰比0.6～0.8 的均勻漿液，隨攪隨用，并在漿液初凝前使用完。

3）綁設注漿管 采用抗壓大于3MPa 的高壓纏絲橡膠壓漿管，壓漿接頭保持密閉，不漏漿、不泄漿，綁設牢固不脫落。

4）注漿 采用后退式分段注漿施工工藝，采用后退式分段注漿工藝，注漿孔徑90mm，孔口安設100mmPVC 管并通過水囊式止漿塞進行孔口止漿、注漿作業。采用壓漿泵壓漿，壓漿開始時用清水或稀漿走孔，結束時用濃漿封孔，灌漿壓力控制在0.2～0.5MPa 左右。當發生壓力急劇上升或壓漿管劇烈抖動時，壓漿立即停止，迅速打開回漿閥門，以免漏漿、爆管。

5）場地清理 封孔完成后進行場地清理，對殘留材料清除出場，場地平整、夯實。

4.1.2 隔離樁施工

為保證左線盾構始發施工安全以及降低盾構始發對鄰近右線礦山法隧道的擾動，施工中在左線盾構始發區間與右線礦山法隧道之間設置隔離樁。隔離樁采用鉆孔灌注樁，布置范圍為左線區間隧道底部以下6m，隧道頂部以上7m，總長19.2m。隔離樁施工流程如圖7 所示。

圖7 隔離樁施工流程

1）定位、鉆孔 ①根據軸線及樁位布置情況，在場地內建立測量控制網，然后依據控制網測放各樁位中心點，并設置護樁，護筒直徑應比樁孔直徑大200mm，護筒埋設的傾斜度控制在1%以內，護筒埋設偏差不超過30mm，護筒四周用黏土回填，分層夯實；②采用拌漿機在泥漿池拌制足夠的護壁泥漿，先在護筒內注入泥漿，開始緩慢鉆進，要注意通過控制盤來監控垂直度，根據不同地質情況調整泥漿指標和旋挖速度，設計要求控制成孔深度。

2）鋼筋籠制作 鋼筋籠在鋼筋加工廠采用滾焊機集中加工，主筋采用幫條焊或同軸焊，部分位置主筋采用直螺紋機械連接，機械連接直徑28～32mm，擰緊力矩為320Nm。樁縱筋搭接采用焊接，搭接長度10d，定位加勁筋直徑20mm，間距2000mm，與縱筋全部焊接。

3）灌注混凝土 采用普通C35 水下商品混凝土，運輸罐車運輸，導管法灌注。水下灌注樁坍落度宜為180～220mm，開始灌注混凝土時，導管底部至孔底的距離宜為300～500mm；導管一次埋入混凝土灌注面以下不應少于0.8m。

4）回填 混凝土灌注施工完畢后，選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑進行回填、平整場地。

4.2 施工效果評價

根據GB 50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》及現場施工監測方案，在盾構始發端頭工作井和右線礦山法隧道布設監測點，用于盾構始發過程中監測地表沉降量和右線礦山法隧道初支變形，現場施工監測數據如圖8 所示。

圖8 盾構始發掘進10m后地表沉降量

現場監測結果顯示，盾構始發掘進10m 后最大沉降量為2.8mm，沉降速率為2.2mm/d，小于預警值2.8mm/d。同時，右線礦山法隧道初支結構拱頂沉降量為2.5mm，且沉降速率小于施工控制值。本工程進行的盾構始發施工過程總體安全，并且未遇到隧道塌陷、土體失穩等問題，較好地避免了對右線礦山法隧道初支結構的擾動，盾構端頭加固效果良好。

5 結語

以西安地鐵8 號線曲江池西-曲江池·寒窯區間工程為背景，結合該工程的地質情況以及左、右線的相對位置情況，提出了“洞內超前注漿+隔離樁”的盾構始發端頭施工方案，即通過對左線盾構隧道進行端頭注漿加固和左、右線之間設置隔離樁。現場施工效果表明，洞內超前注漿加固后端頭土體加固效果良好，盾構始發后地表沉降量小于控制值。此外，在左、右線之間設置的隔離樁降低了對右線既有礦山法隧道初支結構的影響，保證了左線盾構的順利始發。隨著類似工程的增加，本文提出的“洞內超前注漿+隔離樁”的盾構始發端頭施工方案具有廣闊的應用前景。