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1、盾構始發和到達端頭加固施工工藝工法QB/ZTYJGYGF-DT-0405-2011城市軌道交通工程有限公司 王聯江1 前言1.1工藝工法概況盾構始發和到達時，工作面將處于開放狀態且持續時間較長，工作面的穩定與否直接影響盾構始發和到達安全。對始發和到達端頭地層加固，要使加固體的強度，均勻性和止水性滿足長時間開放狀況下洞門的穩定性要求，并滿足設計和相關規范要求，防止出現工作面涌泥、涌砂，甚至坍塌等情況的發生，確保盾構施工安全順利。盾構始發和接收端頭加固常規采用的方法主要有：注漿法、深層攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結法、素砼地下連續墻（鉆孔灌注樁）以及降低地下水位等工法。其主要目的是提高軟弱地基的承載力，2、降低地下水位，保證地基的穩定，防止出現工作面涌泥、涌砂，甚至坍塌等情況的發生，確保盾構施工安全順利。1.2工藝原理由于盾構始發和接收時的荷載較大，端頭所處地層土質又較軟弱，強度不足或壓縮性大，不能在天然地基上直接施工時，可針對不同情況，采取各種人工加固處理的方法，以改善地基性質，增加土體的穩定性，減少地基變形和基礎埋置深度。地基加固的原理是：將土質由松變實，將土的含水量由高變低，起到固結、穩定、止水的效果，即達到地基加固的目的。2 工藝工法特點2.1根據盾構隧道所處的地層情況，結合現場實際情況，確定技術可行，經濟合理的加固方案。2.2常規采用深層攪拌樁，加固體均勻性好，強度、止水性和抗滲性滿足3、設計要求。2.3組合采用加固+降水的方案，在滿足施工的前提下，大大降低了施工風險。2.4采用監測信息化技術指導施工，使施工質量、安全始終處于受控狀態。2.5提高土的抗剪強度，防止過大的剪切變形和剪切破壞，提高地基承載力；2.6降低土的壓縮性，減小地基變形和不均勻沉降；2.7改善土的滲透性，減小滲流量，防止地基滲透破壞；2.8改善土的特性，減輕振動反應，防止土體液化。3 適用范圍本工藝工法適用于盾構始發和到達施工。4主要引用標準4.1地下鐵道工程施工及驗收規范（GB50299）；4.2盾構法隧道施工與驗收規范（GB50446）；4.3地基與基礎工程施工及驗收規范(GB50208)；4.4建筑地基4、基礎工程施工質量驗收規范（GB50202）；4.5其他國家現行有關施工及驗收規范、質量技術標準。5 施工方法盾構端頭加固體的強度、均勻性及止水性是施工控制的三個重要方面。加固效果應滿足洞門破除后加固體能有效抵擋洞門處水土壓力，有一定的強度，整體性和自穩能力，且能有效封堵地下滲水。端頭土體加固方案設計應在對地質條件、地面環境和地下管線詳細調查了解的基礎上，充分考慮場地條件施工工期等要求，經技術、經濟比較后確定安全可靠的加固方案。在加固方案的選擇上，不論采用哪種方案進行加固，一定要考慮在加固體和圍護結構之間設孔注漿，以封堵加固體與圍護之間的施工冷縫，封堵可能存在的來水通道。5.1 端頭加固范圍為保5、證洞門破除的安全和盾構機始發進入加固體（或到達時破開洞門）時端頭土體的自穩性和水穩性，盾構始發和到達端頭需進行加固處理，其加固范圍一般為隧道上下左右各3m，加固長度始發端頭為盾構機盾尾完全進入橡膠簾布時盾構機全部在加固體并且至少還有2m在加固體內，到達端頭為盾構機破開土體露出刀盤時盾構機已經進入加固體2m。同時要求在加固體與圍護結構之間設置一排注漿孔，在盾構始發前，需進行壓密注漿，封堵可能產生的施工冷縫。5.2 端頭加固方法目前常見的端頭加固方法主要有：注漿法、深層攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結法、素砼地下連續墻（鉆孔灌注樁）以及降低地下水位等工法，各工法見表1。表1 端頭加固工法匯總表工法名稱簡述6、工法特點適用范圍高壓旋噴有單重管、二重管、三重管以及近幾年出現的多重管法，在地基加固、提高地基承載力、改善土質進行護壁、擋土、隔水等起到很好的作用。可指定加固某一深度的土層。可克服滲透系數很小的細顆粒土層中無法進行灌漿的土體加固。在間距狹小處可施工。結合定噴法，可有效的形成垂直向、水平向或封閉式隔水墻。使用方便，移動靈活。適用于砂土、粘性土、淤泥土及人工填土等土質。深層攪拌樁通過深層攪拌機器攪拌均勻，使水泥類懸濁液在原地層中與土體反復均勻混合，水泥固結后，形成水泥土加固體。固化樁與原地基構成復合地基，改善承載力和變形模量。能自立支護擋土，樁體連接成壁后有隔水帷幕作用。施工中無振動，無噪聲、無污7、染，對周邊建構筑物和地下管線影響小。施工機具簡單，操作方便，造價低。適用于粘性土、砂性土等地層中施工。降水法人工降低地下水位是在施工范圍內埋設一定數量的濾水管（井），用抽水設備抽其井內水，降低地下水位到有利工程施工，在過程中保持不間斷抽水，使工作面土體始終保持干燥，從根本上防止流砂現象發生，同時動水壓力減少或消除，土體豎直面更為穩定。盾構工作井施工中，防止井內涌泥或產生流砂。盾構隧道施工中，穩定開挖面土體，防止盾尾漏泥漏水。井點降水尤其適用盾構的進出洞施工。適用土層為粉砂、砂質粉土、粉質粘土。凍結法當用其他方法難以達到穩定開挖面土體時，采用凍結法可取得較好的效果，可使不穩定的含水地層能形成強度8、很高的凍土體，形成完整的防水屏蔽，起到隔水和擋土墻的作用。可有效隔絕地下水，其抗滲透性能是其它任何方法不能相比的，對于含水量大于10%的任何含水、松散，不穩定地層均可采用凍結法施工技術；凍土帷幕的形狀和強度可視施工現場條件，地質條件靈活布置和調整，凍土強度可達5-10Mpa，能有效提高工效；凍結法是一種環保型工法，對周圍環境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結結束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結構；凍結施工用于樁基施工或其它工藝平行作業，能有效縮短工期。使用范圍凍結法適用于地下水大，但流動性較小的地層；粉細砂層厚度大。目前在地鐵盾構隧道掘進施工、雙線區間隧道旁通道和泵房井施工、地下工程堵9、漏搶救施工等方面得到了廣泛的應用。5.3加固方案設計舉例根據地質條件和以往設計、施工經驗，端頭加固方案往往是幾種工法的單獨使用或組合使用，根據工程具體情況而定。舉例如下：【例1】蘇州地鐵1號線會展中心站端頭隧道范圍內地層為粉砂層，為良好的賦水、透水底層，隧道埋深為9.27m，經采用600mm300mm單重高壓旋噴樁配合850mm600mm三軸深層攪拌樁進行端頭加固施工，其中單重高壓旋噴樁在車站頂板完成后施工。在加固體外側和中部設置共3個降水井備用（圍護樁背后漏水檢測中若發現有漏水、漏砂現象，進行降水作業）。降水作業在盾構始發時進行。見圖1。圖1 蘇州會展中心盾構始發端頭加固平面示意圖 【例2】10、武漢地鐵4號線工業四路站端頭隧道范圍內地層為粉質粘土與粉土、粉砂互層、粉細砂，承壓水水頭在地面以下2.991.22m，相當于絕對標高18.2919.18m,承壓水頭標高年變化幅度在3.04.0m之間。經采用800mm600mm三重高壓旋噴樁配合水平注漿，輔助以降水進行加固。見圖2。圖2 武漢工業四路站盾構始發端頭加固平面示意圖 【例3】廣州地鐵3號線客大區間大塘站北端頭地層由上而下依次為：雜填土、淤泥及淤泥質土層、沖洪積土層、可塑或稍密狀殘積土層、硬塑或中密狀殘積土層、全風化泥巖、強風化粉砂巖等地層。【例4】南京地鐵2號線集慶門大街站端頭隧道范圍內地層為淤泥質粉質粘土（-2b4）、粉砂（-2d11、3）、淤泥質粉質粘土（-3b3-4）和3c2-3粉土，地下水具有承壓性，承壓含水層中地下水與長江及秦淮河均有一定的水力聯系。盾構接收有涌砂涌水的風險。由于一期的常規法端頭加固失效后，經專家評審，采用冷凍法進行端頭加固。圖3 南京集慶門大街站站盾構接收端頭加固平面示意圖 6 工藝流程及操作要點端頭土體加固方案設計應在對地質條件、地面環境和地下管線詳細調查了解的基礎上，充分考慮場地條件施工工期等要求，經技術、經濟比較后確定安全可靠的加固方案。6.1 施工工藝流程 地基土加固1 攪拌樁 構筑導墻施工完畢殘土處理 制作試塊 攪拌、提升、噴漿水泥漿拌制 報監理工程師報監理工程師 三軸攪拌機定位設置機架移12、動導軌水泥材質檢驗 圖4 攪拌樁施工工藝流程圖旋噴機就位插入雙重管旋噴提升移至下一樁位鉆機就位沖洗2 旋噴樁圖5 旋噴樁施工工藝流程圖 開孔安裝孔口管掃孔并鉆到設計深度測量涌水量壓力試驗注漿結束注漿清洗注漿管路布置注漿管安裝設備、調試配置漿液3 注漿圖6 注漿加固工藝流程圖 降水施工圖7 輕型井點降水工藝流程圖 冷凍法加固圖8 凍結加固工藝流程圖 6.2 操作要點目前常見的端頭加固方法主要有：注漿法、深層攪拌樁、高壓旋噴樁、凍結法、素砼地下連續墻（鉆孔灌注樁）以及降低地下水位等工法。根據施工原理和施工方法一般分為3類：一是旋噴、攪拌、素墻等地基土加固類型；二是降水固結類型；三是冷凍法加固。6.13、2.1 攪拌樁施工要點開機前必須探明和清除一切地下障礙物，須回填的部位要分批回填夯實，以確保樁的質量。樁機行駛路軌和軌枕不得下沉，樁機垂直偏差不大于1%。水泥宜采用P042.5級普通硅酸鹽水泥，參入比8%16%，可根據情況參入不同類型外加劑。樁與樁搭接時間不應大于24h，若超過，應在第二根樁施工時增加20%注漿量，同時減慢提升速度；若相關時間太長，第二根無法搭接，應在設計認可下采取局部補樁或注漿措施。6.2.2 旋噴樁施工要點設備安裝平穩對正，開孔前須嚴格檢查樁位和開孔角度。確保引孔深度達到設計要求。保持引孔泥漿性能，孔壁完整，不坍孔，確保高噴管順利下至孔底。高噴管下至距孔底0.5m時，應先啟14、支漿泵送漿，同時旋轉下放，下到孔底（開噴深度）后，再啟動高壓泵和空壓機，各項參數正常后方可提升。高噴作業中，必須注意觀察氣、漿壓力和流量達到設計要求，發現異常，要立即停止提升，查明原因，及時處理。分節拆卸高噴管時，動作要快，盡量縮短停機時間。因故停機（卸管或處理故障）時，需將近高噴管下放至超過原高噴深度0.30.5m處，重新開機作業，以避免固結體出現新層。6.2.3 注漿法施工要點注意測量鉆孔中的涌水量，并做好記錄。注漿時必須觀測井壁變化，發現有漏漿時，根據現場情況采取切實可靠措施。當達到規定注漿壓力時，持續10分鐘即停止注漿。注漿間歇或注漿結束必須沖洗注漿管路。注漿加固實施前，應進行工藝性試15、驗，調整水灰比和注漿壓力，要求擴散半徑0.40.6m。6.2.4 降水法施工要點成孔用泥漿護壁，孔口設置護筒，以防孔口塌方，并在一側設排泥溝、泥漿坑。安裝水泵前，用壓縮空氣洗井法清洗濾井，沖除塵渣，直到井管內排出的水由渾變清，達到正常出水量為止。水泵安裝后，對水泵本身和控制系統作一次全面細致的檢查，合格后進行試抽水，滿足要求后轉入正常工作。觀測井中地下水位變化，作好詳細記錄。6.2.5 凍結法施工要點開孔間距誤差控制在20mm內。在打鉆設備就位前，用儀器精確確定開孔孔位，以提高定位精度。按要求鉆進、用燈光測斜，偏斜過大則進行糾偏。鉆進3m時，測斜一次，如果偏斜不符合設計要求，立即采取調整鉆孔角16、度及鉆進參數等措施進行糾偏，如果鉆孔仍然超出設計規定，則進行補孔。凍結管（含測溫管）采用絲扣聯接加焊接。管子端部采用底蓋板和底錐密封。凍結管安裝完，進行水壓試漏，初壓力0.8MPa，經30分鐘觀察，降壓005MPa，再延長15分鐘壓力不降為合格，否就近重新鉆孔下管。為確保凍結施工順利進行，冷凍站安裝足夠的備用制冷機組。冷凍站運轉期間，要有兩套的配件，備用設備完好，確保冷凍機運轉正常，提高制冷效率。冷凍機組的蒸發器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。設備安裝完畢后進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節壓力、溫度等各狀態參數，使機組在有關工藝規程和設備要求17、的技術參數條件下運行。7 勞動力組織一般根據加固工程量及現場場地情況，進行人員安排。表2 單工作面作業勞動組織表編號工種名稱數量（人）備注1土木技術人員32機械技術人員23技術工人44普通工人6合計15注：冷凍法施工時，需要配合人員較多，一般為48人。8 主要機具設備8.1 攪拌樁施工機具表3 攪拌樁主要施工機具編號設備名稱單位規格型號數量備注1挖掘機臺1開槽2三軸深攪機臺13泥漿泵臺24電焊機臺25發電機臺18.2 旋噴樁施工機具表4 旋噴樁主要施工機具編號設備名稱單位規格型號數量備注1高壓旋噴樁鉆機臺XP-3012高壓注塞泵臺13注漿泵臺23空壓機臺14攪拌機臺65電焊機臺18.3 冷凍法18、施工機具表5 冷凍法主要施工機具編 號項 目單位數量備 注1冷凍機W-YSLGF300型臺22IS150-125-315水泵臺2鹽水泵3IS125-100-215C臺2清水泵4真空泵（或抽氟機）臺15經緯儀臺16測溫儀臺17NBL-50冷卻塔臺28MD-50鉆機臺19XY-2型鉆機臺110電焊機臺29質量控制9.1高壓旋噴加固 易出現的質量問題1先進行試樁施工，確定使用的施工配合比。2樁的垂直度控制不夠導致樁底分叉、侵限等。3噴漿量不足導致攪拌不均勻。4水泥漿拌制時間過長，導致漿液不能使用。5旋噴過程中，注意對注漿壓力的控制。 保證措施1水泥漿宜在旋噴前一小時內攪拌，噴漿過程中冒漿應控制在1019、25。相鄰兩樁施工時間間隔不超過48小時，間距不小于2m。2成樁過程中鉆桿的旋轉和提升必須連續不中斷，拆卸鉆桿續噴時，注漿管搭接長度不得小于100mm。3在高壓噴射注漿過程中出現異常情況時，應及時會同監理工程師查明原因并采取措施補救，排除故障后復噴高度不得小于500mm。4施工過程中應對附近防汛墻、地面、地下管線的標高進行監測，當標高的變化值大于10mm時，應暫停施工，根據實際情況調整壓力參數后，再行施工。9.2 攪拌樁施工9.2.1 易出現的質量問題1關于施工用配合比，應先進行試樁施工，確定使用的施工配合比。2樁的垂直度控制不夠導致樁底分叉、侵限等。3噴漿量不足導致攪拌不均勻。4水泥參量不足20、，達不到設計要求的承載力。9.2.2 保證措施施工中除了加強施工參數的控制外，還需從以下幾個方面進行質量控制。1垂直度：根據要求，基坑圍護結構允許垂直度偏差必須控制在3/1000以內，對樁位放樣、樁機垂直度校正都必須嚴格控制，按照規范要求進行施工。2水泥用量：水泥摻入量暫按35%考慮，水泥摻入量的大小直接影響到端頭加固的強度是否滿足設計要求，在施工中要求均勻、連續的注入拌制好的水泥漿液，鉆桿提升完畢時，設計水泥漿液全部注完。3攪拌水泥土的均勻性：為了達到攪拌水泥土的均勻混合，開動灰漿泵待水泥漿液到達攪拌頭時，邊注漿、邊攪拌、邊提升（下沉），使得水泥漿和原地基土充分拌和，提升到樁頂設計標高后再關21、閉灰漿泵。4施工深度：施工中必須嚴格控制，利用樁機鉆桿長度以及型鋼頂標高來控制。5攪拌樁的咬合施工：三軸攪拌樁搭接施工以是依靠攪拌樁套鉆一孔來實現的，為保證端頭加固的作用，采用單側擠壓式施工。9.3冷凍法加固施工9.3.1 易出現的質量問題1在管路連接時，對管路的密封性的檢查。2加入鹽水后，及時對鹽水的比重進行復查。3運行過程中，注意對鹽水液面的觀察并做好記錄。4運行過程中，注意對鹽水溫度的檢查。5開挖前，應先施工探孔，結合測溫的情況綜合分析加固質量。6打孔時，如果孔位偏差過大，應在旁比補打加強孔。7過程中注意對測溫孔、泄壓孔的保護。9.3.2 保證措施1認真分析該工程地質資料，精心編制施工技22、術設計和施工組織設計。2控制冷凍孔和凍結器施工質量，確保凍結質量符合要求。3嚴控冷凍站安裝質量，提高制冷效率，確保鹽水降溫符合要求。4測溫孔布置在相鄰凍結孔終孔間距較大的界面上。具體位置由現場技術負責人和項目經理共同商定。測溫管的下放及焊接嚴格按凍結孔的質量要求施工，并及時繪制偏斜平面圖。5鉆進時，應按深度及地層情況的需要，及時增減鉆鋌，要求作到均勻、勻速鉆進，嚴禁忽快忽慢，壓力忽大忽小。6凍結管應進行地面配組，丈量全長，做好記錄，下管時應清除管內異物，保持清潔，試壓封口后，應及時將凍結管周圍的空隙用土填實，防止泥漿串孔。7偏斜。凍結孔平均偏斜率不得大于0.5%，凍結孔終孔間距不大于設計值，否23、則應予以補孔，凍結深度應滿足設計要求，下管長度應不小于設計凍結深度。8測斜。凍結孔施工過程中使用燈光經緯儀進行終孔和成孔測斜并及時繪制凍結孔偏斜平面圖。10安全措施在整個土體加固的過程中，針對各項工藝，有不同的安全注意事項和相應的保證措施，具體如下：10.1 旋噴樁10.1.1 主要安全風險分析旋噴樁施工的安全風險主要有以下幾個方面1壓力閥的失效，空壓機的安全性檢查。2設備所在施工區的地基承載力滿足要求。3在裝、拆鉆桿過程中的掉落傷人等。10.1.2 保證措施1對加固范圍內的管線、障礙物仔細調查，防止出現意外管線損壞。2樁機通過場區前，對軟弱地段進行適當處理，防止樁機陷入。3樁機移動過程中，一24、定要平穩；鉆進過程中要盡量打開斜撐。嚴防設備傾倒。4施工前，對施工區域做好標識，防止無關人員進入造成意外傷害。5漿液拌制過程中，各個環節需嚴密配合。10.2 攪拌樁10.2.1 主要安全風險分析一般采用的三軸或雙軸攪拌樁機由于設備大，高度高，對施工場地的要求相對較高，主要安全風險有以下幾點：1三軸或雙軸設備的傾覆，特別是在有臺風的地區施工，應有有效的設備加固措施。2三軸配套使用的水泥罐，由于高度高，自重大，應在加強基礎的同時，做好拉結（防風）。3三軸高壓輸送的漿液，應有專人負責對管路進行維修、保養，防止過程中漿管的破損傷人。10.2.2 保證措施1對加固范圍內的管線、障礙物仔細調查，防止出現意25、外管線損壞。2樁機通過場區前，對軟弱地段進行適當處理，防止樁機陷入。3樁機移動過程中，一定要平穩；鉆進過程中要盡量打開斜撐。嚴防設備傾倒。4施工前，對施工區域做好標識，防止無關人員進入造成意外傷害。5漿液拌制過程中，各個環節需嚴密配合。10.3 冷凍法10.3.1 主要安全風險分析冷凍法加固一般的安全風險主要有以下幾個方面：1凍結孔施工時孔位偏差較大，導致不能達到凍結交圈的要求。2凍結過程中的鹽水損失嚴重，鹽水滲入土體中，導致土體不能被加固。3凍結過程中，鹽水進出的溫度變化不穩定，導致凍結效果不能達到設計要求。4探孔中的涌水涌砂，應立即加強冷凍，必要時可采用液氮加強凍結。10.3.2 保證措施26、1冷凍孔開鉆前應提前查明地下管線及地下建（構）筑物，對有影響的應及時提出改移和保護措施，切記沒有查明不得進行施工。2機械移位，必須切斷電源，必須有專人照管電纜。3在危險地段設立安全標志。4聯絡通道在開挖前制定相關應急預案，確保萬無一失。5鉆孔過程中出現涌水、涌砂時，及時進行二次補償注漿。6鉆進過程中，遇到不明氣體時，先探測其成分和濃度，安全后方可繼續施工。11 環保措施端頭加工過程中，容易出現揚塵、地下水污染、市政管井堵塞、道路污染等情況。為將因端頭加固帶來的環境污染降到最低，特從以下幾個方面著手：11.1粉塵治理、噪音治理和水漿污染治理三同時。特別是噪音控制，計劃分時段施工。盡量在夜間做輔助27、工作，大型機械設備不起動，以減少擾民。11.2需采用發電機的加固部位，需增設隔音棚，將噪聲盡量降到最低。11.3泥漿及置換土及時清理，歸并泥漿池，盡量縮短污染時間。11.4保持現場平面整潔，各種材料、機具、操作臺按平面圖位置堆擺整齊。11.5定時對現場進行撒水，以防起風揚塵。11.6加固設計方案采用的漿液必須經過檢測，對地下水等無污染。11.7定期對加固端頭周邊的管井進行檢查，防止加固過程中出現串漿等現象堵塞管井。12 應用實例12.1工程簡介由中國中鐵一局城軌分公司承建的南京地鐵二號線集慶門大街站茶亭站莫愁湖站漢中門站盾構區間隧道。盾構始發和接收共計12次，端頭加固6次。其中由于集慶門端頭地28、質情況復雜，地下水和長江及秦淮河水系有一定聯系，最終采用了冷凍法加固施工。12.2施工情況項目部在加固過程中，嚴格按照設計和規范要求，實施過程中，項目組織精兵強將，合理組織施工，對端頭加固的各個環節進行全程跟蹤，根據各項施工記錄數據和盾構穿越過程中的記錄，預設的各項指標均達到要求，滿足設計和規范要求，為盾構安全施工提供了保證。12.3工程結果評價南京地鐵二號線TA07標區間盾構端頭加固取得了成功，保證了施工工期和質量，同時降低了施工風險，保障了施工安全，得到了業主、監理、設計單位以及上海、南京地鐵方面專家的一致肯定和表揚，同時也取得了很好的經濟效益和社會效益。2008年被南京地鐵公司評為安全文明施工工地，優質優價單位。2010年別集團公司評為優質工程獎，形成的科研論文或股份公司二等獎，集團公司一等獎。12.4建設效果及施工圖片 圖9 端頭加固三軸設備 圖10 三軸攪拌加固 圖11 三軸攪拌加固 圖12 三軸注漿泵 圖13 三軸攪拌加固 圖14 高壓旋噴樁引孔 圖15 水平冷凍孔 圖16 垂直冷凍孔圖17 冷卻塔