浅析盾构隧道端头加固

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1、浅析盾构隧道端头加固洪俊杰摘要：第一节课，老师就说，21世纪是属于地下工程的一个世纪，而盾构隧道将是以后的主流。的确，进入21世纪以来，城市人口聚集与地面交通基础设施落后的矛盾日益突出，为了缓解这一矛盾，现代化城市建设逐步开始发展立体式交通，这使得城市地下空间的开发和利用越来越多的关注和重视。盾构法开挖隧道因其具有机械化程度高、掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性较高等优点，在城市地铁、市政、电力等地下隧道修建过程中得到广泛的应用。盾构法隧道施工中，端头土体加固是盾构机始发与到达技术的一个重要组成部分，也是

2、盾构机始发与到达事故多发地带，端头土体加固的成功与否直接关系到盾构机能否安全始发与到达。因此，研究盾构隧道端头加固，合理选择端头加固方法和进行必要的加固监测，是保证盾构法隧道顺利施工的非常重要的环节。关键词：盾构；始发与到达；端头加固1、前言我们都知道，盾构法作为城市地铁区间隧道施工的工法之一，因为具有机械化程度高、掘进速度快、对周围环境影响小、施工安全性较高等众多优点，已成为世界城市线形地下空间开发利用的主流施工技术。盾构始发和到达是整个盾构施工中关键的两个环节，也是盾构施工中最容易发生风险事故的两道工序，近

3、些年以来，我国盾构始发和到达施工过程中时有事故发生。盾构自工作井始发进入隧道地层或自隧道末端推出进入工作井，首先要解决洞门区域地层封闭加固问题。当盾构工作井周围地层为自稳能力差、透水性强的松散砂土或饱和含水粘土时，如不对其进行加固处理，则在工作井围护结构后必将会有大量的土体和地下水向工作井内塌陷导致洞周大面积地表下沉，危及地下管线和附近建筑物。因此在盾构机进出洞前必须对洞门处地层进行加固处理，即进行端头加固。2、盾构端头加固原理盾构隧道端头地层加固的目的是防止拆除临时围护结构时的振动影响，在盾构刀盘顶到端头掌子

4、面并建立土压之前，能使得围岩自稳以及防止地下水流失，以防止开挖面坍塌，出现地表沉降过大或坍方等，概括起来盾构端头加固的目的主要有以下几点。（1）加固土体满足强度的要求。（2）加固土体满足整体稳定性的要求，其中整体稳定性包括：加固土体的静态稳定，包括施工期稳定和长期稳定性；加固土体在振动作用下的稳定，即破除洞门时振动对加固土体的扰动影响。（3）加固土体满足止水和渗透性的要求，特别对于富水砂土地层。（4）加固土体满足变形特征的要求，通常指盾构土舱内土压建立前。3、目前盾构端头加固土体强度及稳定性研究我查阅了大量论文

5、，总结起来，目前对于盾构隧道端头加固的理论研究主要有以下两种理论。3.1弹性薄板理论盾构的始发与到达端头加固土体受力机理的分析和研究，往往将加固土体简化圆形薄板，圆形薄板的受力情况如下图所示：弹性理论模型假设端头土体的纵向加固范围为t，洞门周边自由支撑的弹性圆形薄板为加固土体。将加固土体侧向水土合力的梯形荷载简化为均布荷载，在均布荷载的作用下，加同土体中心处的弯曲应力最大，由拉应力理论求得强度验算公式：式中:D为洞门直径；t为纵向加固范围；P为作用于洞门中心处的侧向水土合压力；为加同土体的泊松比；σt为加固土体

6、的极限抗拉强度；k为安全系数。由均布荷载的作用特征可知，周边自由支撑的圆形薄板支座处的剪应力最大，由剪应力理论可得抗剪切强度的验算公式：式中：τc为加固土体极限抗剪强度。因此，根据静力学强度准则，端头土体加固后应同时满足抗拉和抗剪强度的要求，则端头土体的纵向加固范围应为：3.2滑移失稳模型盾构始发与到达施工时，破除洞门围护结构后掌子面土体完全暴露，至刀盘顶上围护结构之前有一定的时间间隔，此时端头土体在地面荷载、隧道上覆土体和侧向水土压力共同作用下，可能沿着某个滑移面从开挖面向盾构工作井内滑动，发生滑移失稳破坏。

7、目前，基于黏土的滑移失稳理论假定滑动面为以顶点O为圆心，洞径D为半径的圆弧面，如下图所示。对于黏土地层，假设抗滑力矩完全由土体黏聚力提供，可得:由几何知识可知，满足稳定性要求的纵向加固范围为：4、盾构端头加固方法4.1目前常用盾构端头加固方法查阅大量论文及书籍后，得知端头加固的方法由地质条件、地下水、埋深、盾构的机型与直径、作业环境等条件决定，同时考虑安全性、施工方便性、经济性、工期等因素。目前盾构端头加固的方法主要有：渗透注浆法、劈裂注浆法、高压旋喷注浆法、深层搅拌法、冻结法、挡土结构(素混凝土墙或钻孔桩)、

8、降水等。下表是国内常用的几种加固方法的适用性及优缺点比较。端头加固方法比较加固方法适用地层对环境的要求及影响使用效果造价工期注浆法适用于多种地层，尤其是深度较大的砂质地层、砂砾层占地面积小；噪声和振动较小；引起地表隆起加固质量可靠差，单独使用风险大低较短深层搅拌法最适用于饱和软粘土，也适用于淤泥质土、粉土、粘土层和无流动地下水的饱和松散砂土施工占地面积较大；对周围地层扰动小，地层不产生