盾構(gòu)施工端頭加固技術(shù)講座

1、02:59,盾構(gòu)施工端頭加固技術(shù),,02:59,前 言,端頭加固的概念。是盾構(gòu)始發(fā)、到達技術(shù)的一個重要組成部分，端頭加固的成功失敗直接影響到盾構(gòu)能否安全始發(fā)、到達。而盾構(gòu)始發(fā)、到達是最容易發(fā)生事故的，端頭加固的失敗又是造成事故多發(fā)的最主要原因。因此，合理選擇端頭加固施工工法，是保證盾構(gòu)順利施工的非常重要的環(huán)節(jié)。,02:59,一、端頭加固的目的二、端頭加固方案確定前的準(zhǔn)備工作三、幾種主要端頭加固方法的原理及計算四、端頭加固的施工方

2、法及其適用性五、端頭加固效果檢測六、事故多發(fā)因素七、監(jiān)理在端頭加固中應(yīng)做的工作,02:59,一、端頭加固目的,改良端頭土體，提高端頭土體強度，堵塞顆粒的間隙和地層的水，確保盾構(gòu)機始發(fā)和到達的安全。 與一般地基加固的不同之處是不僅僅要有強度要求，還要有抗?jié)B透性要求。,02:59,1、控制地表沉降，端頭不坍塌。,始發(fā)、到達前往往需要鑿除洞口井壁的混凝土，割斷鋼筋，以滿足盾構(gòu)順利進出洞，而洞口的井壁混凝土有時要達到800mm或更厚，鑿

3、除時間長，要避免鑿除過程發(fā)生坍塌，更要避免因開挖面暴露時間過長而坍塌或造成過大地表沉降。,02:59,2、控制水土流失。,盾構(gòu)始發(fā)進入加固體，或盾構(gòu)到達穿過加固體時，在含水量較高、水平滲透系數(shù)大的含砂層、卵石層等地層，盾構(gòu)進出洞容易造成水土流失。采用泥水盾構(gòu)時，泥水壓力的作用也會使加固體發(fā)生水土流失，導(dǎo)致無法達到泥水平衡狀態(tài)，如果土體不具備一定強度，很容易坍塌。,02:59,3、重型機械作用時土體的承載力,由于盾構(gòu)吊裝或拆卸時，重型吊

4、機往往作用在端頭位置，為防止重型機械作用在軟弱土體上起吊時發(fā)生失穩(wěn)、坍塌，或?qū)σ殉尚嗡淼腊踩斐刹焕绊?，對地表的軟弱地層進行加固。,02:59,4、周邊建、構(gòu)筑物安全,當(dāng)端頭有房屋、管線和道路時，必須采取保護措施，如果具備改移條件的，盡量改移，對于房屋一定要進行鑒定，并進行錄像、拍照等獲取第一手資料。,02:59,5、經(jīng)濟性,加固長度、寬度、加固方法的選擇，還必須考慮經(jīng)濟合理，加固方法是否風(fēng)險性過大，或過于保守，加固范圍過大，等等。目

5、前大多數(shù)的承包商往往在端頭加固的一項的報價較低，如何采取經(jīng)濟合理、安全可靠的加固方法，是我們共同面對的一個課題。,02:59,二、加固前的準(zhǔn)備工作,盾構(gòu)始發(fā)或到達前，必須充分理解工作井洞口周圍地層的土質(zhì)情況，掌握各層土的主要物理力學(xué)性能指標(biāo)。根據(jù)各種土層的特性，認真分析不同的施工方法，預(yù)測可能發(fā)生出洞和進洞施工時的復(fù)雜變化，對于盾構(gòu)工作井施工期間所引起洞口周圍的變化更是不能掉以輕心，必須認真分析和檢查，避免因此而導(dǎo)致施工險情及不利于工程

6、質(zhì)量局面的情況發(fā)生。,環(huán)境調(diào)查,02:59,調(diào)查方法,1、除了工程地質(zhì)勘探報告外，采用補充勘探的方法對端頭土體的以下特性進行了解：土體強度（c、Φ、N值）、滲透系數(shù)（水平、豎直），土質(zhì)情況（砂粒、粘粒、粉粒含量） 2、盾構(gòu)工作井施工期間暴露的全斷面土體情況，觀察和詳細了解，掌握土壤分類分層的確切位置，為盾構(gòu)進、出洞施工方案提供可靠的工程地質(zhì)依據(jù)。,02:59,3、所影響區(qū)域的地面、地下建筑物、構(gòu)筑物、公眾設(shè)施、地下管線等。通過實地調(diào)查

7、了解，并與相關(guān)單位密切聯(lián)系，以控制沉降量和制定相應(yīng)監(jiān)護措施。（危房的鑒定工作）。4、非正常性的地下水來源 非正常性的地下水源對洞口土體穩(wěn)定不利，會引起土體流失。主要是由于地下上下水道管線破裂及非正常的地面排水系統(tǒng)所致。要提前發(fā)現(xiàn)并及時封堵。,02:59,5、洞口處的地下障礙物如橋臺、木樁、鋼筋混凝土樁、回填的大石塊、廢鋼材等。這些障礙物埋深大小不等，如果在盾構(gòu)通過的位置上，則必須人工進入盾構(gòu)開挖面將其排除。遇到形狀大、重量重、

8、長度長的障礙物，地面挖孔人工處理困難的，還需在開挖后人工進倉處理。,02:59,加固體設(shè)計還要考慮的因素,（1）加固體強度不能過高，主要考慮到盾構(gòu)機刀盤的配置，能否保證盾構(gòu)機順利切割加固體。（2）加固土體的抗?jié)B性能。 抗?jié)B指標(biāo)、 水流量（3）承載能力要求：要保證盾構(gòu)機吊裝的地基承載力。（4）盾構(gòu)類型，泥水or土壓,02:59,三、幾種主要端頭加固方法的原理及計算,1、注漿加固：將漿液注入地層改善地基強度和止水性。

9、該方法對強度的改良有限，主要是增強凝聚力，注漿材料的種類多種多樣，按漿液固結(jié)狀態(tài)分類主要有填充注漿、滲透注漿、劈裂注漿、壓密注漿等。,02:59,（1）滲透注漿：漿液在壓力作用下，滲入土的孔隙和巖石裂隙中，將孔隙中自由水和空氣排擠出去，但不改變土體結(jié)構(gòu)和原狀。漿液凝固后將土顆粒粘結(jié)在一起，使土層的抗壓強度和抗?jié)B性提高，只適用于中砂以上的砂性土和有裂隙的巖石。固結(jié)狀態(tài)是球形。（2）劈裂注漿：漿液在較高壓力作用下，劈入土層（通常土顆粒粒徑

10、小于0.01mm），漿液的劈裂路線呈縱橫交叉的脈狀網(wǎng)絡(luò)。固結(jié)形態(tài)呈扁平球體和板狀固結(jié)。,02:59,（3）壓密注漿：用一定的壓力注入粘稠的不易流動的漿液取代并擠壓周圍土體，凝固形狀多為柱體或球體占據(jù)一定的空間，同時壓密土體。對于注漿加固，由于不能形成高強度土體，作為慣用的計算方法，是以改良后地基的抗剪阻力阻擋拆除臨時墻時有可能進入豎井的土塊的計算模型來研究的。,02:59,盾構(gòu)始發(fā)注漿加固計算模型,,02:59,2、旋噴樁、攪拌樁施

11、工由于采用旋噴樁、攪拌樁可以獲得均質(zhì)、高強度的加固體，因此，可以通過土質(zhì)和結(jié)構(gòu)力學(xué)計算，確定加固土體厚度。C：加固體凝聚力R：到塑性范圍外的距離H：隧道中心深度γt：土比重,,,02:59,將加固體看作是作用豎井擋土墻支撐的圓板來進行結(jié)構(gòu)計算，確定加固體寬度t。 水平土壓力考慮為靜態(tài)土壓力或主動壓力，水壓以調(diào)查結(jié)果為主，砂土中進行水土分算，透水性差的粘土進行水土合算。,,02:59,σmax=±β*w*r2/t

12、2≤σt/k1β=3/8*（3+μ）τmax=3*w*r/4/t≤τc/ k2其中：r——工作井端墻開洞的半徑，r=D/2； t——加固土體的長度； σt—加固土體的極限抗拉強度，一般可取其極限抗壓強度的10%，即σt =qu/10； k1 、k2——安全系數(shù)，一般取K=1.5； w——作用于洞門中心處的側(cè)向水土壓力； μ——加固后土體的泊桑比； τc——加固后土體的

13、極限抗剪強度.,02:59,加固土體在地面荷載p和上部土體作用下可能沿某滑動面向洞內(nèi)整體滑動，假定滑動面是以端墻開洞外頂點O為圓心，開洞直徑D為半徑的圓弧面.假定拆除臨時擋土墻時形成圓弧滑動面來檢驗加固體整體穩(wěn)定性。,,02:59,滑動力矩M=M1+M2+M3其中：M1——地面荷載P引起的下滑力矩M1=P*D2/2； M2——上覆土體自重引起的下滑力矩，M2=Q上*D/2；M3——滑移圓環(huán)線內(nèi)土體的下滑力矩，M3=γt*D3/

14、3，γt為加固后土體的重度，一般可取γt=20kN/m3；抵抗下滑力矩為M=M1+M2+M3M1——滑移圓弧線AB段的抗滑力矩，M1=Cu*H*D；M2——滑移圓弧線BC段的抗滑力矩M2=Cu*D2*(π/2-φ)M3——滑移圓弧線CD段的抗滑力矩；M3=Cut*D2*θ， θ=sin-1(t/D)其中，Cu——加固前土體的粘結(jié)力； H——上覆土體的高度； Cut——加固后土體的粘結(jié)力，,0

15、2:59,加固范圍：主要根據(jù)加固方法和地層情況、始發(fā)或到達端頭決定。采用一般攪拌樁等加固方法的情況下，始發(fā)加固厚度t一般不小于6m，到達加固長度一般不小于3m。但在特殊地層始發(fā)時，考慮到抗?jié)B等因素，加固寬度須增加，如在粉細砂層中始發(fā)增加為10m，到達增加為9m。加固深度一般是洞門上部3m和下部2m范圍，砂層中底部深度還應(yīng)增加，防止出現(xiàn)管涌。,02:59,02:59,,采用旋噴或攪拌樁的最小加固厚度,02:59,設(shè)計強度及安全系數(shù)：

16、 設(shè)計強度根據(jù)土質(zhì)情況和膠凝材料不同、施工方法不同進行分類。一般旋噴樁加固土體強度可以在1MPa以上甚至大于10MPa，而攪拌樁加固土體強度大于0.5MPa。安全系數(shù)根據(jù)改良目的、改良效果的期望值、施工環(huán)境等進行綜合判斷，一般安全系數(shù)選取為1.5。,02:59,3、凍結(jié)施工凍結(jié)施工是將自然狀態(tài)下不均勻的地基通過凍結(jié)變成具有均勻力學(xué)性質(zhì)的材料。分為鹽水冷凍方式（間接凍結(jié)）和液氮冷凍方式（直接凍結(jié)）。鹽水方式使用冷凍機將鹽水冷卻到

17、－20～－40℃，用循環(huán)泵將冷卻的鹽水輸送到凍結(jié)管，冷卻周圍的地基，因地基內(nèi)的熱量、鹽水溫度上升，便再次用冷凍機冷卻。通過冷凍裝置使冷卻的鹽水在冷卻管內(nèi)循環(huán)，使地基凍結(jié)固化。,02:59,盾構(gòu)工程的凍結(jié)規(guī)模大，一般廣泛采用的是鹽水方式。液氮冷凍方式需要油罐車從工廠運到施工現(xiàn)場，再通過在凍結(jié)管中氣化而使冷凍管周圍地層的土壤凍結(jié)，氣化后的氮氣放入大氣，液氮會在大氣中釋放損耗，只限于凍土量為150m3，以下的小規(guī)模工程。,02:59,計算方

18、法： 垂直荷載按靜態(tài)土壓和水壓考慮，凍土將端頭水土全部牢固地粘結(jié)在一起，始發(fā)端頭可以當(dāng)做周邊被豎井墻固定的圓板來解析計算，到達端頭可以作為被豎井固定、被盾構(gòu)機支撐的梁或者水平圓筒來計算。,,02:59,設(shè)計強度和安全系數(shù)： 凍土強度取決于土質(zhì)（顆粒、含水量）、溫度及鹽分濃度（液氮）。在地下水中含鹽量較高的海岸線和填筑地設(shè)計中，應(yīng)預(yù)先調(diào)查鹽分濃度，然后以相應(yīng)的強度用于設(shè)計中，作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。砂質(zhì)凍土的抗壓強度一般為6MPa，粘土

19、的抗壓強度為1～4MPa。根據(jù)上海地區(qū)的軟土凍結(jié)經(jīng)驗，凍土單軸抗壓強度－6度時2.3MPa，－10度時3.9MPa。 一般安全系數(shù)按Fs≥2。,02:59,凍土斷面：若f>D/5，則認為滿足周圍固定條件，但在實際設(shè)計中，考慮到豎井墻背面地基擾動，臨時墻施工時對豎井墻體有加熱影響等，所以對凍土厚度T，取f>T/2，凍結(jié)附著長度取f’>2.5m。,02:59,凍結(jié)管直徑及埋設(shè)間距：凍結(jié)管直徑根據(jù)鉆孔直徑和施工特性

20、采用，多為3寸或4寸管，埋設(shè)間距根據(jù)施工特性和經(jīng)濟性一般定位60cm～100cm。始發(fā)多采用從地面垂直凍結(jié)的方式，到達多采用從豎井水平凍結(jié)的方式。,02:59,四、端頭加固的施工方法及其適用性,端頭加固可以單獨采用一種工法或多種工法相結(jié)合的加固手段，主要取決于地質(zhì)情況、地下水、覆蓋層厚度、盾構(gòu)機直徑、盾構(gòu)機型、施工環(huán)境等因素。同時考慮安全性、施工方便性、經(jīng)濟性、進度等。,02:59,軟土地層最常用的端頭加固方法之一。通過攪拌樁使端頭土

21、體凝聚力和內(nèi)摩擦角改變，主要適用于淤泥、粘土層和砂層，但在砂層加固效果差，須與旋噴樁等工法配合使用。該方法受國產(chǎn)設(shè)備性能限制，一般在14m深度以下加固效果即很差。它的優(yōu)點是工程造價低。易出問題：加固不連續(xù)，加固體強度偏低，吊鉆頭,1、攪拌樁施工工法,02:59,南京地鐵玄武門站端頭加固實例,地質(zhì)情況：上半斷面淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，下半斷面粘土。 始發(fā)加固厚度t=6m，到達加固厚度3m，為了防止角部發(fā)生涌水等事故，在兩端頭施工了兩根挖孔樁

22、，回填砂漿。,02:59,2、旋噴樁施工工法,對于砂層改良效果好，也適用于淤泥、粉土、粘土層，但砂礫地基和粘著力大的粘土有時不能形成滿意的改良樁，施工深度在40m以下時，效果較差。由于其造價偏高，施工單位往往不愿采用，但在圍護結(jié)構(gòu)與加固體的間隙加固以及角部加固經(jīng)常被采用。有三種主要工法選擇：單、雙、三重管。,02:59,許府巷站南端頭到達加固,,,,02:59,,,02:59,三山街站南端頭進站加固,原加固：旋噴樁6m，土體加固強度在

23、1.2Mpa以上 ，水平探孔無水 地質(zhì)條件：全斷面粉細砂層，上部有粉土，粘粒含量極少，且水流動性很高。 進站事故的發(fā)生、處理,02:59,張府園站南端頭,1.5,1,02:59,02:59,夏窖北端頭加固:泥水盾構(gòu),02:59,夏窖北旋噴樁補充加固剖面,粗砂,02:59,3、注漿,適用于多種地層，尤其是深度較深的砂質(zhì)地層、砂礫層，地層較好的地段或與攪拌樁等工法相結(jié)合，對于水量不大的地段進行加固止水?？蛇M行單液和雙液注漿，同時

24、可進行跟蹤注漿；漿液種類較多，經(jīng)濟性和可施工性好，材料和施工方法多種多樣，需根據(jù)地下水、地質(zhì)、施工環(huán)境等來確定，同時要考慮因灌漿而引起地基隆起等的處理對策。如二號線市二宮進站等。,02:59,侖大區(qū)間始發(fā)注漿加固設(shè)計,02:59,,,,02:59,,加固長度：7.9+2,東京地鐵12號線某工程始發(fā)豎井注漿,02:59,4、SMW(soil mixing wall),水泥類懸濁液在原地層中與土體攪拌混合形成墻體的技術(shù)。作擋土墻使用時，

25、一般使用H型鋼芯材。樁機為三軸或五軸攪拌樁機。,02:59,適用于砂層、淤泥、粘土層，加固寬度小，造價較低，是此類地層最安全可靠的加固方法之一。該方法成樁效果好，止水性好，對周圍地層影響小。該工法的優(yōu)點：加固質(zhì)量高，樁體連續(xù)、強度高（粘土中0.5～1MPa，砂和卵石中0.5～3MPa），適用于各類軟土地層，但造價偏高，目前主要采用國外進口的三軸攪拌樁機。對于上軟下硬地層不適應(yīng)。 南京地鐵盾構(gòu)一標(biāo)中華門、所街站始發(fā)，盾構(gòu)二標(biāo)新街口站到

26、達等。,02:59,5、連續(xù)墻、鉆孔樁,始發(fā)井的擋土墻作為雙層結(jié)構(gòu)的方法，對于土層相對較硬，但滲水量偏大的地層適用。需要注意的是：（1）連續(xù)墻、鉆孔樁上部的充填；（2）夾層的處理。如小新區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)加固、侖大區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)加固,02:59,小新區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)加固,隧道基本穿越5z-2殘積土層，局部6z。頂部為雜填土和淤泥,02:59,6、挖孔樁,適用于淤泥、粘土、強風(fēng)化地層。如一號線公元前北，三號線珠客、大漢、瀝大。圓形或方形樁珠江

27、新城站盾構(gòu)始發(fā),02:59,珠江新城站,,,02:59,,,02:59,7、凍結(jié)法,適用于各類淤泥層、砂層、砂礫層，該施工法的凍土強度和止水性高，通過測量地下溫度，便可確認凍土形成狀態(tài)；加強施工管理，便可得到高可靠性的施工法。而且，凍土墻還能確保長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。對于動水層，質(zhì)量不宜保證：對于含水量低的地層不適用。,02:59,凍土?xí)a(chǎn)生的凍脹和融沉效應(yīng)，對地面沉隆控制和周邊建筑物影響較大。凍脹和融沉因地基條件、凍結(jié)時間、凍結(jié)規(guī)模、解

28、凍速度、荷載條件等而異，一般在砂和砂礫層上小，在粘土、粉砂、亞粘土層大。當(dāng)可預(yù)測到地基凍脹、解凍沉降對周圍結(jié)構(gòu)物有不利影響時，必須根據(jù)其容許變位量和凍脹與解凍沉降的防護工程的必要性，研究是否需要采取凍結(jié)施工法。。,02:59,上海江西中路盾構(gòu)到達凍結(jié)法加固地質(zhì)情況：雜填土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土。地下水位－1.0m，地層含水量35～50％，孔隙比大（0.9～1.4），強度低（60～100kPa）。盾構(gòu)為泥水盾構(gòu)，直徑11m，

29、覆土厚度4.5～5m，江西路下有煤氣管、自來水管、下水管和眾多電纜。凍結(jié)方法：垂直冷凍，凍結(jié)管間距1.5m，鹽水最低溫度－24，凍土溫度－10，抗壓強度－3.95MPa。,02:59,上海江西中路盾構(gòu)到達凍結(jié)法加固,02:59,加固斷面：加固長度37m，寬度軸線兩側(cè)8.5m。凍土擴展速度2～3cm/日，凍結(jié)30d交圈。,,02:59,凍結(jié)拱棚頂部最大拉應(yīng)力335kPa。,02:59,8、降水,降低地下水位施工法，在有些土質(zhì)條件下，往往

30、會產(chǎn)生地基沉降和水井地下水位下降等現(xiàn)象，必須事先周密研究地下水位下降對周圍地基等的影響。因此，一般在地層較好，周邊環(huán)境適應(yīng)，對建、構(gòu)筑物影響范圍小時采用。且主要應(yīng)用于始發(fā)時，盾構(gòu)到達時要考慮降水對隧道的影響，須與其他加固措施相結(jié)合。主要采用井點降水方法。,02:59,五、端頭加固效果檢測,加固體的檢測方法多種多樣，如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探、旋轉(zhuǎn)觸探、彈性波檢測、電探、化學(xué)分析等等，但端頭加固的主要檢測手段如下：。（1）豎向抽芯檢測：

31、目測判斷加固體強度可否滿足設(shè)計要求，是否連續(xù)（抽芯率）；試驗判斷加固體強度、抗?jié)B性能。在砂層中，特別注意加固體連續(xù)性是否良好，抽芯率要達到90％以上。抽芯位置一般選取在樁間咬合部位。（樁體垂直度的控制）抽芯數(shù)量按規(guī)范選取，且每個端頭不應(yīng)少于1根。,02:59,（2）水平抽芯檢測：沿洞門四周加固體范圍內(nèi)打數(shù)個水平探孔，觀察滲水情況。探孔數(shù)量不少于6個，中間和四周均布。張府園站南端頭（3）挖孔樁檢測：在粉細砂地層，加固后效果可以采用挖孔樁

32、代替豎向抽芯進行檢測。（4）凍結(jié)法測溫檢測：確定冷卻速度、厚度等等參數(shù)。,02:59,六、事故多發(fā)因素,樁身垂直度不夠，樁身偏斜，加固體不連續(xù)，樁間不咬合；加固時注漿管或鋼筋等異物落入隧道范圍內(nèi)。 砂層中施工參數(shù)選取不合理，達不到預(yù)想的加固效果。可通過試樁和調(diào)整施工工藝解決。如三重管旋噴、二重管旋噴和單管旋噴的控制。,02:59,夾層的處理措施不當(dāng)。過早破除圍護結(jié)構(gòu)，使掌子面暴露時間過長，或拆除墻體方法錯誤。 洞門密封措施選用

33、不得當(dāng)。 始發(fā)注漿等輔助措施不合理 抽芯后未回灌砂漿密實。凍結(jié)施工過程的凍結(jié)管滲漏。,02:59,七、監(jiān)理在端頭加固中應(yīng)做的工作,1、加固時間：根據(jù)加固方法不同而異，但一般應(yīng)提前至少3個月進行，考慮1個月的工期、1個月的齡期、檢測后的補充加固等因素。如果是連續(xù)墻或挖孔樁、鉆孔樁作業(yè)，最好和主體結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)同時進行。2、加固方案的審查、加固工藝的確定3、加固過程的檢查：工藝參數(shù)的合理性、垂直度的控制等4、抽芯方法的選擇：