苏州一号线盾构隧道端头加固现场研究
2011-05-17 17:10
苏州地铁一号线盾构隧道端头加固方式现场调查研究
【摘 要】苏州地铁一号线建设期间，盾构进出洞施工为盾构隧道施工的关键，如何选择安全的盾构隧道端头的加固方式，已成为苏州地铁建设需要解决的关键课题。通过采用观察法、访谈法、资料法等现场调研方式，了解到一号线各标段盾构进出洞端头加固几乎都采用三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩的加固方式，归纳总结了端头具体加固范围和加固工艺，给出了几点体会与建议。
【关键词】苏州地铁盾构进出洞加固方式现场调研
已获批准的苏州都市发展区规划共有4条轨道线路，总长度141 km，地铁穿过复杂地层和复杂环境的情况将越来越多。苏州地铁一号线建设期间，盾构进出洞施工为盾构隧道施工的关键工程。如何选择安全的盾构隧道端头的加固方式，已成为苏州地铁建设需要解决的关键课题。为保证盾构进出洞施工的安全，须对盾构隧道端头周边土体进行加固，以提高土体强度、降低土层的渗透性。研究苏州地铁一号线盾构隧道端头的加固方式及其安全性具有重要工程意义和社会效益［1］。
1、调研概况
1.1调研目的
本次现场调研的主要目的如下:
1)掌握苏州地铁一号线各盾构隧道端头实际采用的加固方式、加固范围以及施工技术参数等详细信息。
2)了解苏州地铁一号线各盾构隧道端头在加固过程中出现的问题以及针对所出现的问题采用的应急措施，总结加固施工过程中的经验教训。
3)结合苏州地区现场施工情况，研究并提出适合苏州地区土层的端头土体加固方式。
1.2调研对象
本次现场调研的对象为一号线各盾构施工标段的施工单位及相关技术负责人。调研对象如表1所示。
1.3调研方式
本次现场调研采用的调研方式为观察法、访谈法和资料法。通过对施工现场的实地考察，与相关技术人员及工人的相互交流，以及收集具体的加固施工方案和图纸等，加深对苏州地铁一号线各盾构隧道端头实际采用加固方式的了解。
1.4调研时间
第一阶段:2009年5月24日—2009年6月7日。
第二阶段:2009年6月25日—2009年7月14日。
2、调研内容及结果
本次现场调研分为两个阶段，第一阶段实地调研了1标、2标、5标、7标和9标这五个盾构施工标段;第二阶段实地调研了11标、12标、13标、14标和16标这五个盾构施工标段。通过调研发现，玉山公园站—苏州乐园站区间、会展中心站西端头等盾构机已经顺利始发或到达;金枫路站东端头盾构机即将始发。图1为部分现场调研实地照片。
苏州地铁一号线全线共有24座车站，全部为地下车站，因此，共有48个盾构隧道端头，加上金鸡湖中间岛工作井东、西端头，一共50个盾构隧道端头。除了华池街站东端头与星湖街站西端头由于区间采用明挖法施工，以及钟南街站东端头不需要作加固处理之外，其余47个盾构隧道端头均需要作相应的加固处理，以确保盾构顺利进出洞。
这47个盾构隧道端头的隧道中心埋深在地表以下11～16 m。其中，养育巷站、人民路站、临顿路站和金鸡湖中间岛工作井的隧道端头埋深较深，在地表以下15～16 m，其余车站的隧道端头中心埋深均在11～13 m。
2.1苏州地铁盾构隧道端头所处地层情况
这47个盾构隧道端头所处地层自上而下大部分为:①填土层，③-1黏土层，③-2粉质黏土层，④-1粉土层，④-2粉砂层，⑤粉质黏土层。而②-1黏土层，②-2粉质黏土层只在木渎站东西端头地层中含有，④-3粉黏夹粉土层也只出现在南施街站东西端头、星塘街站东西端头和钟南街西端头的地层中。端头隧道所穿越的地层大部分为:④-1稍密粉土、④-2稍密～中密粉土～粉砂、⑤软塑～流塑粉质黏土。端头隧道底部大部分位于④-2稍密～中密粉土～粉砂、⑤软塑～流塑粉质黏土。
苏州地铁一号线盾构隧道端头所处地层情况及风险评价如表2所示。
2.2苏州地铁盾构隧道端头采用的加固方式
为保证盾构进出洞时隧道端头土体的自稳和防水要求，需在盾构进出洞前对洞口地基进行加固处理［2］。根据现场调研情况，一号线各标段盾构进出洞地基加固几乎都采用三轴搅拌桩加固。搅拌桩与车站围护结构(连续墙、SMW等)间夹心层采用双重高压旋喷桩作为止水帷幕止水，增加加固区与车站结构的整体性。
设计加固范围为盾构外径外侧、底、顶部3.0 m范围内为加固区，隧道顶部以上3.0 m至地面为弱加固区，即加固高度约为12.2 m，加固宽度为线间距+3.1m×2+3 m×2，加固长度为盾构始发9 m，到达8 m;左右线间用一排搅拌桩封闭。若洞门探孔检查有漏砂漏水等现象时，应设置降水井，井管深度为加固底面以下5 m。具体加固方式示意如图2。
盾构进出洞加固区采用Φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩加固，靠近车站端头夹心层采用单排Φ800 mm@600 mm双重高压旋喷桩加固，如图2所示。A区搅拌桩水泥掺入量取20%，B区搅拌桩水泥掺入量取15%，弱加固区搅拌桩水泥掺入量7%，采用P.O-42.5R级普通硅酸盐水泥。旋喷桩水泥用量取225kg/m。施工前进行试桩，并根据加固效果，调整施工工艺及各项施工参数。
经加固后的土体应保证良好的均质性、自立性，其中A区无侧限抗压强度不小于1 MPa，渗透系数应小于10－8cm/s;B区无侧限抗压强度不小于0.5 MPa，渗透系数应小于10－7cm/s［3］
2.3苏州地铁盾构隧道端头的加固工艺
2.3.1三轴深层搅拌桩施工
三轴搅拌桩施工采用Φ850 mm三轴搅拌桩机，桩间搭接250 mm，主要施工参数如表3所示。
三轴搅拌桩施工要点及技术要求如下:
1)开机前必须探明和清除一切地下障碍物，须回填土的部位，必须分层回填夯实，以确保桩的质量。
2)桩机行使道路不得下沉，桩机垂直偏差不大于1.5%。
3)施工前应进行水泥检验，并将检验报告报监理工程师审查。
4)水泥浆搅拌系统应配有可靠的计量装置，喷浆系统应配备流量表、压力计等检测装置;搅拌头下降、提升过程中应有速度控制装置和措施。
5)施工前应在监理工程师的旁站监督下，对浆液流量、喷浆压力、搅拌提升下降速度等进行标定。
6)成桩过程中，必须严格控制搅拌机的提升速度和搅拌次数，搅拌次数以二次喷浆二次搅拌为宜，且最后一次提升搅拌宜采用慢速提升，桩底应进行复喷。
7)桩搅拌头二次提升速度均控制在1 m/min以内。注浆泵出口压力控制在0.4～0.6 MPa。
8)桩与桩搭接时间不应大于10 h，相搭接宽度大于100 mm;如超过12 h，则在第二根桩施工时增加注浆量20%，同时减慢提升速度。
9)在成桩过程中必须有专人进行详细的施工记录，包括:测量定位、浆液配比、喷浆压力、浆液流量、搅拌机下沉和提升速度、成桩深度、复喷及复搅等。
2.3.2高压旋喷桩施工
高压旋喷桩采用双重管注浆法，注浆体为Φ800mm，桩体搭接200 mm，水泥掺量为25%(450 kg/m3)，采用P.O-32.5R级普通硅酸盐水泥。主要施工参数如表4所示。
高压旋喷桩(双重管)施工要点及技术要求如下:
1)水泥浆搅拌系统应配有可靠的计量装置，喷浆系统应配备流量表、压力计等检测装置;在喷浆过程中对提升速度应有速控装置和措施。
2)施工前应在监理工程师的旁站监督下，对浆液流量、喷浆压力、喷嘴提升速度等进行标定。
3)拆卸钻杆继续旋喷时，须保持钻杆有20 cm的搭接长度。成桩中钻杆的旋转和提升必须连续不中断。
4)注浆泵与钻机距离一般控制在50～80 m范围内，并根据施工场地调整。
5)发生故障时立即停止提升和旋喷，排除故障后复喷，复喷高度不小于50 cm。
6)水泥浆应在旋喷前一个小时内搅拌，旋喷过程中，钻孔中正常的冒浆量控制在20%以下。超过20%或完全不冒浆时，应查明原因采取相应措施。
7)在施工过程中必须有专人进行详细的施工记录，包括:测量定位、浆液配比、喷浆压力、浆液流量、喷嘴提升速度、成桩深度及复喷等。
2.3.3加固时机
在基坑开挖前，应施工三轴深层搅拌桩，待三轴深层搅拌桩加固区的强度和抗渗性等达到要求以后再进行基坑开挖;当基坑内主体结构做完以后，再处理加固区与基坑围护结构之间的接缝(俗称“夹心饼干”)。接缝的宽度应该控制在0.3～0.4 m。先在接缝的两端施工高压旋喷桩，待两端的高压旋喷桩强度达到要求以后再施工两端间的接缝［4］。
2.3.4应急措施
为了确保盾构进出洞的安全，推进前在洞门上开米字形探孔观察，未发现异常才能进行施工，否则应采取补加固措施。若探孔发现漏水漏泥现象，可采用以下应急措施:①启动在端头设置的降水井作为应急方案处理。②当降水深度因周围环境要求受限而无法实施时，采用垂直冻结在原加固区再次进行加固，情况紧急或严重的应采用液氮冻结。
3、结语与建议
苏州地区盾构隧道端头加固采用三轴深层搅拌桩+高压旋喷桩的加固方式，形成了自立性和抗渗透性较好的加固区;加固范围适宜，加固区起到很好的止水和稳定地层的作用;加固工艺合理，保证了盾构始发时的安全性和经济性。
根据现场调研情况，结合一号线盾构机成功始发或到达的工程经验，提出建议如下:
1)所有加固方案均应通过专家评审。
2)在盾构机将要始发或到达的时候，应该召集建设、施工、设计、监理、质检等单位以及相关专家，召开盾构始发或到达的节点验收专题会。
3)星明街站东西端头(④-1粉土、④-2粉砂层较厚)，金鸡湖中间岛工作井东西端头、养育巷站东西端头、人民路站东西端头(埋深达15～16 m，含水层厚)，风险大，应该高度重视。若采用三轴深层搅拌桩进行端头加固，高压旋喷桩进行接缝处理，经取芯检验加固效果不佳时，应考虑采用冻结法进行补充加固。金鸡湖中间岛工作井东西端头若无法实施Φ850 mm三轴深层搅拌桩时，也应考虑直接采用冻结法加固。
参考文献
［1］胡俊.苏州地铁盾构隧道端头加固方式及其关键问题研究［D］.南京:南京林业大学，2009.
［2］袁振国.盾构穿越北京地铁国贸站—双井站区间施工技术［J］.铁道建筑，2008(6):41-45.
［3］胡俊，邵光辉，朱春峰.海相粘土室内侧限压缩试验研究［J］.路基工程，2008(6):160-162.
［4］胡俊，杨平，董朝文，等.盾构始发端头化学加固范围及加固工艺研究［J］.铁道建筑，2010(2):47-51.
