富水軟土地層大直徑泥水盾構始發端頭加固技術

張晴

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211800）

1 引言

盾構法因其安全、效率高、對環境擾動小等優點，被廣泛應用于隧道建設[1]，實現了復雜地質條件下隧道的快速施工[2]。目前，盾構技術正向著大埋深、大斷面、長距離等方向發展，伴隨著跨河、跨湖、跨江、跨海的水下隧道建設需求，超大直徑泥水盾構應運而生。

受目前工藝限制，超大直徑泥水盾構的施工仍面臨許多挑戰，如盾構吊裝、始發、接收、泥水倉壓力計算、帶壓開倉等工序中存在眾多難點和風險點，其中盾構始發是最為棘手的問題之一，尤其是在富水軟土地層中進行超大直徑盾構始發，極易發生塌方、涌水等工程事故[3]。因此，盾構始發端頭加固方案的確定至關重要[4]。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

本文以濟南黃河隧道（濟濼路穿黃隧道）北岸盾構始發井基坑工程為依托，隧道位于濟南城市北部，采用市政道路與地鐵合建方案，為超大斷面盾構法隧道，刀盤直徑15.76m。

2.2 工程地質與水文地質條件

該隧道工程地處沖積平原，根據鉆孔揭露，地層主要為素填土、細砂、粉質黏土。盾構始發層位于粉質黏土層。

該基坑工程所處地貌單元為黃河I 級階地，地表水主要為黃河河水、水庫及水塘等，地下水埋深1.10～1.70 m。

3 加固方案選擇

為滿足盾構機吊裝及始發的需要，始發井基坑寬度設計為50 m，開挖深度為31.2 m，圍護結構設計為1.2 m 地連墻，深度51.5 m，采用水下C35 鋼筋混凝土澆筑，接縫處使用H型鋼連接，并配合φ800 mm@600 mm 的旋噴樁進行加固并作為止水帷幕，樁底伸入基坑以下14 m，內撐采用7 道鋼撐+混凝土撐。由于盾構吊裝時龍門吊和盾構組件的荷載較大，在上述加固措施基礎上，再采用裙邊+抽條對始發井進行加固，抽條寬3 m，凈距3 m。

盾構吊裝和始發前，需對始發端頭進行加固，結合洞門所處地層條件，經過研究，決定對始發端頭采用水泥系（三重管旋噴法）+凍結法的加固方法，能夠滿足富水軟土地層的加固要求和止水要求。加固區見圖1。

圖1 濟南黃河隧道工程剖面圖

4 三重管高壓旋噴加固

三重管高壓旋噴法即用3 層噴射管，同時向地層中高壓噴注水和空氣，低壓噴注水泥漿，水和空氣可切割土體，而后水泥漿注入土體的孔隙中，實現加固的效果。

始發端頭三重管旋噴加固設計指標為：（1）加固區邊緣距洞門≥5 m，長度為20 m；（2）無側限抗壓強度不小于1.0 MPa；（3）滲透系數k≤1×10-7cm/s。

具體流程見圖2。

圖2 三重管旋噴施工工藝流程

4.1 場地平整

施工前，首先應探明地下管線的分布，對管線進行改遷或者做好保護，然后將地面整平；其次，備好施工所需設備，提前做好線路的布設工作。

4.2 樁位放樣

場地平整完成后，采用全站儀進行樁位放樣，做好標記，嚴格控制樁孔中心偏差。

4.3 鉆機就位

將鉆機移至指定位置，進行調平和垂直度檢查校正，嚴格控制孔位偏差≤5 mm，嚴格控制垂直度偏差≤1/500；開機前檢查確保線路正確連接、設備正常運行。

4.4 成孔、清孔

準備就緒后引孔鉆進，鉆進過程中應注意垂直度的檢驗和矯正，確保成孔的垂直度、深度滿足要求，并及時清孔。

4.5 插入高噴管

鉆孔完成后，將巖芯管拔出，換上噴射注漿管，用塑料布包裹高壓水噴嘴，將注漿管緩慢插入孔中達到設計深度。在插管時，應小水壓邊射水邊插管，以防止泥砂進入管內，導致噴嘴堵塞。

4.6 旋噴提升

漿液制備完成，噴射注漿管就位后，便可以進行旋噴提升。為了提高樁底的成樁質量，開始旋噴后，速度不應過快，樁底部分可適當延長時間。提升鉆桿應連續進行，不能中斷，直至完成旋噴。

5 凍結加固

始發端頭盾構吊裝的荷載主要由高壓旋噴樁的加固體承擔，凍結法的作用主要是洞門鑿除時的止水作用。

始發端頭凍結加固設計指標為：（1）凍結加固區上、左、右邊緣距洞門≥5 m、下邊緣距洞門≥4 m，厚度≥2 m；（2）凍土平均溫度≤-13 ℃；（3）鹽水溫度-28～-30 ℃，鹽水去回溫差≤2 ℃；（4）洞門周邊水平探孔溫度≤-5 ℃。

5.1 鉆孔與下管

首先按凍結孔設計位置固定鉆機，用取芯鉆開孔，為了保證鉆孔精度，鉆進前要確認鉆桿垂直度、每鉆進5 m 進行一次垂直度的檢驗和矯正。鉆進時，應根據需要，做到勻速旋轉、鉆進。

鉆孔完成后進行下管工作。凍結管應在預先配組完成，并清除凍結管內的雜物。先將第一根管的底部進行焊接密封，然后逐一與后續鋼管焊接并下放，下放完成后，進行試壓并封堵管口，最后用土將凍結管周圍的空隙填實。

凍結孔最大偏斜值不超過250 mm。靠地連墻的第一排冷凍管控制外偏，外偏最大偏斜值不超過100 mm。如超過此規定，需逐一復核所有終孔間距，繪制終孔圖提交設計單位復核，如超過終孔間距的控制規定，應考慮是否增加凍結孔，作為施工措施予以補救。

5.2 測斜與測漏工作

測斜工作采用經緯儀燈光測斜法進行，燈光測斜是指將光源作為觀測標志。凍結管下管完成后，放入光源，用經緯儀的對點器分段觀測凍結管內燈光的位置，解析出鉆孔在某深度的偏距、偏向和偏斜率。

測漏工作采用加壓法進行。凍結管測斜工作完成后，需通過測漏對其密封效果進行檢驗。向凍結管里加入水，然后焊接密封測漏管，通過閥門加壓到0.8 MPa，壓力能夠穩定1 h 后則視為密封合格，如果不合格則應拔出凍結管重復上述工作，直至密封性達標。

5.3 供液管的施工

凍結管施工完畢后在凍結管內下入一長一短兩根鹽水供液管。施工時將短管底部切除一部分以增大回液面積，并將凍結管管口焊接密封。

5.4 管路連接

所有供液管下放完畢后進行管路連接工作。整個系統的管路分為去、回兩路，凍結管之間采用串并聯的方式連接，兩個孔串聯成一組，并根據組數在去、回的路上布置相應數目的進出液孔，各組并聯與去、回路連接。管路連接簡圖如圖3所示。

圖3 管路連接簡圖

5.5 管路保溫

鹽水箱、鹽水管路采用保溫板包裹形成保溫層進行保溫，厚度≥50 mm，保溫層的外面包扎嚴實；用高壓膠管連接集配液圈與凍結管，每組凍結管的進出口各裝一個閥門，以便控制流量；冷凍機組的蒸發器及低溫管路采用棉絮進行保溫。

5.6 拔管方案

在盾構始發進入洞門圈后，刀盤頂部距離凍結壁20 cm時進行拔管作業，所有凍結管一次性拔除，拔除后用M15 砂漿回填凍結管孔洞，所有拔管工作需在24 h 內完成。

拔管采用熱鹽水循環局部解凍的方案，通過熱鹽水循環使得凍土融化至40～60 mm 時，進行拔管。操作步驟如下。

1）鹽水加熱：用電熱絲對鹽水進行加熱，加熱至40～50 ℃；

2）鹽水循環：利用鹽水泵進行熱鹽水循環，循環5 min 左右便可進行試拔，邊循環邊拔。

3）用千斤頂進行試拔，拔起約20 cm 時，停止熱鹽水循環，并將熱鹽水排出，然后用吊車快速拔出凍結管，邊拔邊轉動凍結管，如拔不動時，再進行一遍熱鹽水循環，直至拔管完成。熱鹽水循環及吹鹽水系統見圖4。

圖4 熱鹽水循環系統圖

6 結語

濟南黃河隧道盾構始發工程，在富水粉質黏土條件下，采用三重管高壓旋噴法+垂直凍結法對始發端頭加固，實現盾構安全始發，可有效降低洞門鑿除和盾構始發的風險，以期為類似工程提供參考。