The study on the new reinforcement methods at shield shaft

Civil Engineering and Technology December 2014, Volume 3, Issue 4, PP.58-61

The Study on the New Reinforcement Methods at Shield Shaft Jun Hu 1#, Hui Zeng 2 , Xiaobin Wang 3, Yanan Chen 1, Yunyun Zhu 1 1. College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China 2. School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China 3. Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China #

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Abstract The reinforcement methods at shield shaft will be directly related to the security of shield’s departure and reception. It is a key and urgent problem how to choose the right reinforcement method in that phase. In this paper, the common reinforcement method at shield shaft is summarized. The conclusion is as follows: As for the soft soil area the frequently used reinforcement method is cement-soil deep mixing pile+ high-pressure rotary jet grouting pile. Artificial freezing method is also used when the environment restraint. In the area of soft soil the main method is reinforcement and water lowering. It is not necessary to reinforce when encountering a full face rock formation, and a slice grouting method can be used. Some special method may be taken to the special stratum. Meanwhile, three new reinforcement methods are given. Results and conclusions in this research may play a useful role to aid designs of similar projects in future.

Keywords: Shield Tunnel; Soil Reinforcement; Reinforcement Method; Cup-shaped Frozen

盾构隧道端头新型加固方式研究* 胡俊 1，曾晖 2，王效宾 3，陈雅楠 1，朱云云 1 1. 海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228 2. 五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020 3. 常熟理工学院，江苏 苏州 215500 摘 要：盾构隧道端头土体加固的成功与否将直接关系到盾构进出洞施工的安全，合理选择盾构隧道端头土体的加固方式 是保证盾构法隧道顺利施工非常重要的环节。对盾构隧道端头常用的加固方式进行总结，得出：对于软土地区，盾构隧 道端头采用最多的是水泥土深层搅拌桩+高压旋喷桩（或注浆）的加固方式，当受地面环境限制时，可采用冻结法进行加 固；在砂层中，主要采用地层加固+降水的加固方式；遇到全断面岩石地层时，无需进行地基加固，可采用分层注浆的施 工方案；对于特殊地层，需采取较为特殊的加固方式。同时给出了三种新型加固方式，并以此指导现场工程实践与应 用，对其它工程建设中的地基处理、土体加固等问题都具有一定的指导作用。 关键词：盾构隧道；端头加固；加固方式；杯型水平冻结

引言 21 世纪是大力建设地下工程的世纪，也是我国地下空间开发利用的高潮时期[1]。随着城市地铁隧道、越 江跨海交通隧道、水利水电隧道、市政公用隧道的陆续建设，盾构法修建地下隧道技术已经得到了广泛的应 用和长足的发展。与此同时，盾构法也存在众多施工难点和风险点。其中，盾构进出洞施工技术是盾构法众 *

基金资助：海南省自然科学基金资助项目（514205） ，海南大学中西部计划学科建设项目（ZXBJH-XK011） ，海南大学科研启 动基金资助项目（kyqd1241） 。 - 58 http://www.ivypub.org/cet

多施工难点中最为棘手的问题。 盾构隧道端头土体加固是盾构进出洞施工技术中的一个重要组成部分，盾构隧道端头是盾构隧道施工中 事故多发地带，端头土体加固的成功与否将直接关系到盾构进出洞施工的安全，合理选择盾构隧道端头土体 的加固方式是保证盾构法隧道顺利施工非常重要的环节[2] 。本文在总结盾构隧道端头常用加固方式的基础 上，在考虑盾构进出洞施工安全性、经济性及环境可行性的情况下，提出一些新型盾构隧道端头加固方式， 望以此指导现场工程实践与应用，对其它工程建设中的地基处理、土体加固等问题都具有一定的指导作用。

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盾构隧道端头常用的土体加固方式 盾构隧道端头常用的加固方式有深层搅拌法、高压旋喷法、SMW 工法、人工冻结法、注浆法、素砼灌

注桩法和降水法等，土体加固可以采用一种工法或多种工法相结合的加固手段[3]。对于软土地区，常用的加 固方式有水泥土深层搅拌桩+高压旋喷桩，素 SMW 工法桩（三轴搅拌桩）+高压旋喷桩，高压旋喷桩等。采 用最多的是水泥土深层搅拌桩+高压旋喷桩（或注浆）的加固方式。当受地面环境限制时，可采用冻结法进 行加固。在砂层中进行加固，主要采用地层加固+降水的加固方式。可采用素 SMW 工法桩（三轴搅拌桩）+ 高压旋喷桩+深井降水；高压旋喷桩+深井降水等加固方式。当不能通过降水井进行抽水，且在开探孔时发 现漏水漏砂现象时，可采用地层加固+冻结的加固方式。在遇到全断面岩石地层时，其强度远远大于搅拌桩 或旋喷桩 0.8～1.2Mpa 的加固强度，无需进行加固。但岩石地层多有裂隙发育，为了封堵裂隙水，可采用分 层注浆加固方式。分层注浆孔在紧靠围护结构位置布置一排，一般间距控制在 0.5m 左右，通过控制注浆压 力，来保证注浆封闭岩层裂隙的效果。对于特殊地层，在盾构进出洞时需采取较为特殊的加固方式。

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盾构隧道端头几种新型加固方式

2.1 大直径杯型水平冻结 在大直径和超大直径盾构隧道端头加固工法方面，一般采用多种加固工法，冻结法加固主要起止水作 用，常采用垂直冻结的形式，对于大直径或超大直径盾构隧道端头杯型水平冻结工法的应用还相对较少。 本加固方式主要针对大直径或超大直径盾构隧道端头，以开挖直径为 11.64m 的大直径盾构隧道端头为例， 本布设方法设计冻结孔按水平角度布置，冻结孔数 122 个。杯身冻结孔沿开洞口 Φ12.3m 圆形布置，开孔间 距为 0.76m（弧长），冻结孔数为 51 个，其长度（杯身长度）宜为盾构主机长度+（2-3）倍管片宽度。杯 底冻结孔沿开洞口 Φ9.9m、Φ7.5m、Φ5.1m、Φ2.7m 圆形布置，开孔间距分别为 1.11m、1.12m、1.14m 和 1.21m（弧长）。其中沿开洞口 Φ9.9m、Φ7.5m 和 Φ5.1m 圆形布置的冻结管称之为中圈管（共 63 个），沿 开洞口 Φ2.7m 圆形布置的冻结管称之为内圈管（共 7 个）。开洞口中心布设 1 个冻结孔，称之为中心管。 杯底冻结管长度为保证杯底厚度达到 2m。冻结孔布置如图 1 所示。

a) 剖面图

b) 立面图

图 1 冻结孔布置图 - 59 http://www.ivypub.org/cet

本加固方式设置 1 圈外圈管，3 圈中圈管，1 圈内圈管，一个中心管。杯身冻结管由外圈管组成，其冻 结孔长度为盾构主机长度+（2-3）倍管片宽度；杯底冻结管由中圈管、内圈管和中心管组成，其冻结孔长度 为保证杯底厚度达到 2m。可选用φ127×5mm 20#低碳钢无缝钢管作为冻结管，采用外管箍焊接连接，供液 管采用φ48mm×3.5mm 钢管。本工法的优点在于保证开挖直径为 11.64m 的大直径盾构隧道端头杯型冻土 壁的形成，使其满足强度、防渗的要求，使大直径盾构机能够顺利进出洞。

2.2 杯型水平注浆与管棚联合加固方式 本加固方式是一种杯型水平注浆与管棚联合加固盾构隧道端头地层的施工方法，是一种工作井内施工 的盾构隧道端头加固方式。本工法基于盾构直径为 6.34m，在工作井洞门上方 400mm 处布置一排 26 根 Φ108mm× 5mm 无 缝 钢管 的超前 注浆长 管棚，在 盾构隧 道上断面 160° 范围内 分布， 管棚环向 间距 400mm，管棚长 12m，管棚仰角 1°，节长分 1.0m、1.5m、2.0m、3.0m 四种规格，装配式相邻两根管棚接 口不能在同一截面上，靠工作井围护结构一侧钢管长度 1.0m 范围内不钻孔，其它管身部位梅花形布置注浆 孔，孔径 8mm，纵眼间距 300mm，钢管管身均匀钻 4 排。钢管节间采用公母旋扣连接，采用跟管钻进方 式。在工作井洞门内布置 65 个水平注浆孔，采用 Φ45mmPVC 袖阀管注浆加固，形成杯型水平注浆加固 体。注浆孔成圆形分布，直径分别为 1.5m（5 个，长度 5m）、2.7m（7 个，长度 5m）、3.9m（14 个，长 度 5.2m）、5.1m（14 个，长度 12m）和 6.1m（25 个，长度 8.6m）。盾构隧道上断面注浆孔水平布置，下 断面圆形直径 5.1m 和 6.1m 的注浆孔垂直于洞门 13°向下钻孔布置，圆形直径 3.9m 注浆孔垂直于洞门 5° 向下钻孔布置。本工法杯型水平注浆管和管棚布置图如图 2 所示。

a) 剖面图

b) 立面图

图 2 杯型水平注浆管和管棚布置图

本加固方式包括盾构隧道上断面 160°范围内超前注浆长管棚加固，以及洞门内布设的 65 个水平袖阀 管注浆加固。当受地面环境限制无法进行搅拌桩和旋喷桩施工，或在化学加固后探孔时发现有严重漏水漏 砂现象时，为提高盾构隧道端头土体强度和充分止水，保证盾构进出洞安全，可采用本加固方式。与采用 在“工作井内钻孔，水平冻结”的加固方案（如杯型水平冻结工法）相比，本工法工期短、费用低、进出 洞操作简便，可大大节省时间、人工和材料的成本。

2.3 玻璃纤维筋地连墙结合钢筋混凝土箱体的加固方式 本加固方式第一步为完成盾构井主体结构，采用地下连续墙作为围护结构，在盾构穿越地连墙槽壁的洞 门部位采用玻璃纤维筋替代地连墙在该部位的钢筋。第二步为洞门前修筑钢筋混凝土箱体并在其内回填土密 封，盾构始发时回填土将盾构机密闭在钢筋混凝土箱体中，盾构到达时回填土密闭填满整个钢筋混凝土箱 体。第三步为盾构机直接切削洞门完成始发或到达，盾构始发时盾构机在密闭的钢筋混凝土箱体中直接切削 洞门完成始发，盾构到达时盾构机直接切削洞门后进入密闭的钢筋混凝土箱体完成到达。 - 60 http://www.ivypub.org/cet

本工法适用于在岩层或复合地层中的盾构进出洞施工，其原因是玻璃纤维筋地连墙能够被配置滚刀为主 的土压平衡盾构机切削，配置刮刀为主的盾构机难以破除玻璃纤维筋混凝土，泥水平衡盾构机需小心控制玻 璃纤维筋混凝土的大杂块堵塞管路。本加固方式玻璃纤维筋地连墙与钢筋混凝土箱体的布置图如图 3 所示。

a) 立面图

b) 平面图

图 3 玻璃纤维筋地连墙与钢筋混凝土箱体布置图

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结语 （1）对于软土地区，盾构隧道端头采用最多的是水泥土深层搅拌桩+高压旋喷桩（或注浆）的加固方

式，当受地面环境限制时，可采用冻结法进行加固；在砂层中，主要采用地层加固+降水的加固方式；遇到 全断面岩石地层时，无需进行地基加固，可采用分层注浆的施工方案；对于特殊地层，需采取较为特殊的加 固方式。 （2）大直径杯型水平冻结工法的优点在于保证开挖直径为 11.64m 的大直径盾构隧道端头杯型冻土壁的 形成，使其满足强度、防渗的要求，使大直径盾构机能够顺利进出洞。杯型水平注浆与管棚联合加固方式工 期短、费用低、进出洞操作简便，可大大节省时间、人工和材料的成本。 （3）当采用玻璃纤维筋地连墙结合钢筋混凝土箱体的加固方式时，由于玻璃纤维筋替代地连墙在洞门 处的钢筋，无需人工凿除洞门，洞门外侧土体无需进行加固，盾构机可直接切削洞门完成始发或到达。由于 在洞门前面修筑用回填土密闭的钢筋混凝土箱体，能够平衡盾构井洞门内外的水土压力，消除盾构进出洞时 发生喷涌的风险。

REFERENCES [1]

Hu Jun, Zeng Hui, Wang Xiaobin. Numerical Analysis of Temperature Field of Cup-shaped Frozen Soil Wall Reinforcement at Shield Shaft[J]. Applied Mechanics and Materials,2013,341-342(5): 1467-1471

[2]

Hu Jun, Zeng Hui, Wang Xiaobin. Experimental Research on the Physi-mechanical Performances of Geosynthetics[J]. Applied Mechanics and Materials,2013,341-342(5): 33-37

[3]

Hu Jun, Zeng Hui, Wang Xiaobin. Study on Construction Risk Analysis and Risk Counter- measures of River-crossing Tunnel of Large-diameter Metro[J]. Applied Mechanics and Materials,2012,166(5): 2680-2683

【作者简介】 1

胡俊（1983-），男，汉族，博士，讲

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曾晖（1969-），女，汉族，博士，高级工程师，主要从事

师，主要从事隧道及地下工程方向的教

工程项目管理和建筑经济方面的教学与科研工作，南京林业

学与科研工作，南京林业大学与新加坡

大学工学博士。Email: 1137804104@qq.com

国立大学联合培养博士。

3

Email: 183633299@qq.com

境岩土与地下工程方向的教学与科研工作，南京林业大学工

王效宾（1975-），男，汉族，博士，副教授，主要从事环

学博士。Email: 369993308@qq.com

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