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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
2、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
3、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
4、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，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
5、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；t为加固土体的极限抗拉强度；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：c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
6、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。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
7、钻孔桩)、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，地层不产生附加沉降，环境污染小加固体强度、抗渗性较高较低较短高压旋喷注浆法广泛适用于淤泥、软粘土、砂土，不适用于地下水流速过大的地层设备轻便，施工所需空间小；对环境影响大加固体强度较高，在桩身搭接较好的情况下，抗
8、渗性较高；砂砾地基和粘着力大的粘土有时不能形成满意的改良桩较高较短冻结法适用于任何含一定水量的松散岩土层，不适用于动水和含水量低的地层对环境污染小加固体强度和止水性高，均匀完整高长降水法适用于砂性土和渗透性较好的粘土井点布置灵活、使用方便；引起地表沉降通过降低水位，配合其他方法可大大提高工程的安全性较低短4.2关于盾构端头加固方法的个人设想我们都知道，端头加固是通过改良端头土体，提高端头土体强度和自稳能力，堵塞颗粒的间隙和地层的水，防止坍塌、流沙、涌水现象发生，确保盾构机始发和到达的安全。我们首先要确保地表不能有太大的沉降，这是修建任何隧道都需解决的问题。盾构始发和到达前，需要凿除洞口井壁的混
9、凝土，割断钢筋，让盾构机能顺利进出洞，这个时候我们就得十分注意，不要在凿除的过程中发生坍塌，因为凿除时，土层相当于有个应力释放的过程，此时土体强度较差，容易失稳，故要在支护的条件下有步骤的凿除。其次，盾构机进出洞时容易造成水土流失，若采用泥水盾构，泥水压力的作用也会使加固体发生水土流失，导致无法达到泥水平衡状态，如果土体不具备一定强度，很容易坍塌。另外，由于盾构机吊装或卸载时，重型吊机往往作用在端头位置，为防止重型机械作用在软弱土体上起吊时发生失稳、坍塌，或对已成型隧道安全造成不利影响，故需要对地表的软弱地层进行加固。我仔细阅读了关于盾构端头加固方法这方面大量论文后，觉得目前的端头加固方法都大
10、同小异，无非都是通过对土体进行注浆或者改变土体性质来提高端头土体的强度以及抗渗透性。这些方法都是前人已经沿用多年的方法了，虽然根据这些经验方法来进行端头加固，相当简单，但总觉得没有什么新意。而且目前国内端头加固仍存在以下两个问题。（1）端头加固范围设计不当，造成始发和到达时水土流失，出现渗水、淹井、坍方等工程事故。以前国内对端头加固范围的研究较少，端头加固范围的选取一般凭借工程经验，理论基础薄弱。合理的端头加固范围应根据地层条件确定，应该能够同时满足强度、稳定性要求，同时富水砂土地层中还应该满足盾构几何构造(纵向加固长度应大于盾构主机长度)和渗透性的要求。（2）端头的加固方法选择不合理，地层适
11、应性较差，端头加固效果不理想，破除洞门时造成端头地层塌陷。下面大胆地提出我自己设想的对于端头加固方法。我觉得端头加固，就是要让端头土体变得有利于盾构的始发和到达，那么与其通过注浆等改变土体的性质，不如直接通过外力来让土体强度和抗渗性增加。首先，分析隧道施工的工程地质条件以及作业环境，如果是非常坚硬的岩石，此时无需过多的加固措施，围岩稳定性就会很高。对于一般土体，我觉得可以在盾构机的轮廓周边使用机械，对隧道纵向端头土体（始发面上和到达面上）水平施加一定的，计算好的压力，既挤压土体增加其强度并排出土体中水分（不能让土体屈服），施加力的土体范围也就是端头需要加固的范围或者更大一点，这要根据现场实际情
12、况来确定。另外，土体如果十分软弱的话，可以在加固范围内再打桩进行二次加固并进行降水处理。5、结语学完整个课程，我了解到盾构端头加固对于盾构始发和到达十分重要，关系着整个工程的成败，而盾构端头加固设计的关键是选择适当的加固方法和加固范围，因此盾构端头加固设计需要认真研究工程地质条件和经济性等因素，以寻求合理切实可行的加固方法。同时，应根据相关理论与实际经验相结合。确定安全合理的加固范围，确保加固措施达到预期的加固目标，以保证盾构始发与到达的安全。6、课程感想十二周的课程一眨眼就结束了，可袁老师和李老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，始终深深地感染和激励着我。盾构及沉管隧道设计
13、与施工这门课上，我学到了很多知识，让我对盾构以及沉管隧道有了更深入的了解。袁老师和李老师的授课跟其他老师很不一样，本科已经在交大学习了四年，发现有些老师上课只是对着做好的PPT来读，偶尔解释一下专业方面的知识，上课十分的无聊，致使我只能玩手机来打发时间。而袁老师和李老师则不同，在讲课的同时还跟我们分享一些工程的实际概况，让我们能将理论与实际结合起来学习。老师还给我们看盾构机开挖隧道以及沉管隧道方面的视频，偶尔还会跟我们谈谈人生的哲理，受益匪浅，感觉整个课堂没有一点无聊的气氛，我这门课程从始至终没有玩过一次手机。认真学完这门课程之后，我对于盾构以及沉管隧道有了更系统的了解，正真学到了有用的专业知
14、识，这更加坚定了我学习地下工程的决心。之前，我一直以为盾构机那么贵而且组装也很麻烦，还得去外国提前几年定制，十分没有必要用盾构法进行隧道开挖，上完这门课程我才了解到，我的这种想法是多么的愚蠢和无知。盾构法开挖隧道优点十分明显，我想其最大的优点应该是工期短，地表沉降小，安全可靠，这对于21世纪的地下工程选择开挖方法来说，无疑是最佳的选择。课程虽然结束了，但我对盾构隧道方面的热情却没有结束，在学习的过程中，我一直对盾构机的刀具十分感兴趣。老师说目前，换刀具是个复杂的技术活，尤其是水下换刀具，老师还说过这方面的事故。我就想着，能不能制造出一种特殊材料的刀具，它可以不随着开挖过程中的多次打磨、震动而产
15、生磨损，这样子我们就不用进行刀具的更换了，也就不会有这方面的事故。想着这种材料一方面必须得有一定的强度和硬度，保证开挖的进行；另一方面它不会随着开挖而磨损。那么能不能创造出这样一种材料，当有一定的磨损时，材料中的分子和原子就会重新组合，来抵消这一部分的材料损失，这样刀具在宏观上就还是跟原来一样的状态，没有任何的磨损。这样我们只需要在刀具的后方，也就是盾构机里面放置大量这种材料的原料，从而避免了更换刀具的麻烦，也杜绝了事故造成的人员伤亡。希望未来能有这种材料的出现，造福人们。感谢两位老师十二周不辞辛苦的授课和严谨的态度，让我学到了很多，也产生了很多的设想，在此谨向袁老师和李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。7、参考文献1 王强. 盾构隧道端头加固设计与研究.中国水运,2012,12(3).2 江玉生,江华,潘茁.土压平衡盾构始发与到达端头加固研究.市政技术,2012,30(2)3 吴韬,韦良文,张庆贺.大型盾构出洞区加同土体稳定性研究J.地下空间与工程学报,2008,4(3):4474824 陈龙珠,陈胜立.饱和地基上弹性圆板的动力响应J.力学学报,200133(6)：8218265 罗富荣,江玉生,江华.基于强度与稳定性的端头加固理论模型及敏感性分析J.工程地质学报,2
