盾构施工端头加固技术讲座

❖ τmax=3*w*r/4/t≤τc/ k2 ❖ 其中：r——工作井端墙开洞的半径，r=D/2； ❖ t——加固土体的长度； ❖ σt—加固土体的极限抗拉强度，一般可取其极限
抗压强度的10%，即σt =qu/10； ❖ k1 、k2——安全系数，一般取K=1.5； ❖ w——作用于洞门中心处的侧向水土压力； ❖ μ——加固后土体的泊桑比； ❖ τc——加固后土体的极限抗剪强度.
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❖ 冻土断面：
❖ 若f>D/5，则认为满
足周围固定条件，但
f'
在实际设计中，考虑
f
到竖井墙背面地基扰
动，临时墙施工时对
D
竖井墙体有加热影响
等，所以对冻土厚度
T，取f>T/2，冻结附
f'
着长度取f’>2.5m。
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❖ 冻结管直径及埋设间距：冻结管直径根据钻 孔直径和施工特性采用，多为3寸或4寸管， 埋设间距根据施工特性和经济性一般定位 60cm～100cm。
盾构施工端头加固技术
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前言
❖ 端头加固的概念。是盾构始发、到达技术的 一个重要组成部分，端头加固的成功失败直 接影响到盾构能否安全始发、到达。而盾构 始发、到达是最容易发生事故的，端头加固 的失败又是造成事故多发的最主要原因。因 此，合理选择端头加固施工工法，是保证盾 构顺利施工的非常重要的环节。
❖ 盾构始发或到达前，必须充分理解工作井洞 口周围地层的土质情况，掌握各层土的主要 物理力学性能指标。根据各种土层的特性， 认真分析不同的施工方法，预测可能发生出 洞和进洞施工时的复杂变化，对于盾构工作 井施工期间所引起洞口周围的变化更是不能 掉以轻心，必须认真分析和检查，避免因此 而导致施工险情及不利于工程质量局面的情 况发生。
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❖ 一、端头加固的目的 ❖ 二、端头加固方案确定前的准备工作 ❖ 三、几种主要端头加固方法的原理及计
算 ❖ 四、端头加固的施工方法及其适用性 ❖ 五、端头加固效果检测 ❖ 六、事故多发因素 ❖ 七、监理在端头加固中应做的工作
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一、端头加固目的
❖ 改良端头土体，提高端头土体强度，堵塞颗 粒的间隙和地层的水，确保盾构机始发和到 达的安全。
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❖ 3、所影响区域的地面、地下建筑物、构筑物、 公众设施、地下管线等。通过实地调查了解， 并与相关单位密切联系，以控制沉降量和制 定相应监护措施。（危房的鉴定工作）。
❖ 4、非正常性的地下水来源 非正常性的地下水源对洞口土体稳定不利， 会引起土体流失。主要是由于地下上下水道 管线破裂及非正常的地面排水系统所致。要 提前发现并及时封堵。
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❖ 盾构工程的冻结规模大，一般广泛采用的是 盐水方式。
❖ 液氮冷冻方式需要油罐车从工厂运到施工现 场，再通过在冻结管中气化而使冷冻管周围 地层的土壤冻结，气化后的氮气放入大气， 液氮会在大气中释放损耗，只限于冻土量为 150m3，以下的小规模工程。
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计算方法： 垂直荷载按静态土压和水压考虑，冻土将端头水土 全部牢固地粘结在一起，始发端头可以当做周边被 竖井墙固定的圆板来解析计算，到达端头可以作为 被竖井固定、被盾构机支撑的梁或者水平圆筒来计 算。
M2——上覆土体自重引起的下滑力矩，M2=Q上*D/2； M3——滑移圆环线内土体的下滑力矩，M3=γt*D3/3，γt
为加固后土体的重度，一般可取γt=20kN/m3； 抵抗下滑力矩为M=M1+M2+M3 M1——滑移圆弧线AB段的抗滑力矩，M1=Cu*H*D； M2——滑移圆弧线BC段的抗滑力矩M2=Cu*D2*(π/2-φ) M3——滑移圆弧线CD段的抗滑力矩；M3=Cut*D2*θ，
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❖ （1）渗透注浆：浆液在压力作用下，渗入土 的孔隙和岩石裂隙中，将孔隙中自由水和空 气排挤出去，但不改变土体结构和原状。浆 液凝固后将土颗粒粘结在一起，使土层的抗 压强度和抗渗性提高，只适用于中砂以上的 砂性土和有裂隙的岩石。固结状态是球形。
❖ （2）劈裂注浆：浆液在较高压力作用下，劈 入土层（通常土颗粒粒径小于0.01mm）， 浆液的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络。固 结形态呈扁平球体和板状固结。
❖ 与一般地基加固的不同之处是不仅仅要有强 度要求，还要有抗渗透性要求。
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1、控制地表沉降，端头不坍塌。
❖ 始发、到达前往往需要凿除洞口井壁的 混凝土，割断钢筋，以满足盾构顺利进 出洞，而洞口的井壁混凝土有时要达到 800mm或更厚，凿除时间长，要避免凿 除过程发生坍塌，更要避免因开挖面暴 露时间过长而坍塌或造成过大地表沉降。
3、重型机械作用时土体的承载力
❖ 由于盾构吊装或拆卸时，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，或对已成形隧 道安全造成不利影响，对地表的软弱地层进 行加固。
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4、周边建、构筑物安全
❖ 当端头有房屋、管线和道路时，必须采取保 护措施，如果具备改移条件的，尽量改移， 对于房屋一定要进行鉴定，并进行录像、拍 照等获取第一手资料。
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5、经济性
❖ 加固长度、宽度、加固方法的选择，还必须 考虑经济合理，加固方法是否风险性过大， 或过于保守，加固范围过大，等等。目前大 多数的承包商往往在端头加固的一项的报价 较低，如何采取经济合理、安全可靠的加固 方法，是我们共同面对的一个课题。
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二、加固前的准备工作 环境调查
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2、控制水土流失。
❖ 盾构始发进入加固体，或盾构到达穿过加固 体时，在含水量较高、水平渗透系数大的含 砂层、卵石层等地层，盾构进出洞容易造成 水土流失。
❖ 采用泥水盾构时，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。
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采用旋喷或搅拌桩的最小加固厚度
最小厚度
D D(1.0) 1≤D<3 3≤D<5 5≤D<8
B 1.0 H1 1.0 H2 1.0
1.0 1.5 2.0 1.5 2.0 2.5 1.0 1.0 1.5
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H1
D
H2
B
D
B
❖ 设计强度及安全系数： 设计强度根据土质情况和胶凝材料不同、施 工方法不同进行分类。一般旋喷桩加固土体 强度可以在1MPa以上甚至大于10MPa，而 搅拌桩加固土体强度大于0.5MPa。安全系数 根据改良目的、改良效果的期望值、施工环 境等进行综合判断，一般安全系数选取为1.5。
n
W
p
pw
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2 1
n
W=p + p w
3
4
冻土施工法计算模型 1－挡土墙；2－冻土；3－土压；4－水压
❖ 设计强度和安全系数： 冻土强度取决于土质（颗粒、含水量）、温 度及盐分浓度（液氮）。在地下水中含盐量 较高的海岸线和填筑地设计中，应预先调查 盐分浓度，然后以相应的强度用于设计中， 作为设计标准。砂质冻土的抗压强度一般为 6MPa，粘土的抗压强度为1～4MPa。根据 上海地区的软土冻结经验，冻土单轴抗压强 度－6度时2.3MPa，－10度时3.9MPa。 一般安全系数按Fs≥2。
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调查方法
❖ 1、除了工程地质勘探报告外，采用补充勘探 的方法对端头土体的以下特性进行了解：土 体强度（c、Φ、N值）、渗透系数（水平、 竖直），土质情况（砂粒、粘粒、粉粒含量）
❖ 2、盾构工作井施工期间暴露的全断面土体情 况，观察和详细了解，掌握土壤分类分层的 确切位置，为盾构进、出洞施工方案提供可 靠的工程地质依据。
θ=sin-1(t/D)
其中，Cu——加固前土体的粘结力； H——上覆土体的 高度； Cut——加固后土体的粘结力，
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❖ 加固范围：
❖ 主要根据加固方法和地层情况、始发或到达 端头决定。
❖ 采用一般搅拌桩等加固方法的情况下，始发 加固厚度t一般不小于6m，到达加固长度一 般不小于3m。但在特殊地层始发时，考虑到 抗渗等因素，加固宽度须增加，如在粉细砂 层中始发增加为10m，到达增加为9m。加固 深度一般是洞门上部3m和下部2m范围，砂 层中底部深度还应增加，防止出现管涌。
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❖ 3、冻结施工 ❖ 冻结施工是将自然状态下不均匀的地基通过冻
结变成具有均匀力学性质的材料。分为盐水冷 冻方式（间接冻结）和液氮冷冻方式（直接冻 结）。 ❖ 盐水方式使用冷冻机将盐水冷却到 －20～－ 40℃，用循环泵将冷却的盐水输送到冻结管， 冷却周围的地基，因地基内的热量、盐水温度 上升，便再次用冷冻机冷却。通过冷冻装置使 冷却的盐水在冷却管内循环，使地基冻结固化。
盾构始发注浆加固计算模型
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盾构机
C
C
注浆范围
p
p: 侧压力 c：粘着力 t：改良土厚度
❖ 2、旋喷桩、搅拌桩施工
❖ 由于采用旋喷桩、搅拌桩可以获得均质、高 强度的加固体，因此，可以通过土质和结构 力学计算，确定加固土体厚度。
ln R R t H t ln
2c 2c
❖ C：加固体凝聚力 ❖ R：到塑性范围外的距离 ❖ H：隧道中心深度 ❖ γt：土比重
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塑性领域 改良断面的研究
❖ 将加固体看作是作用竖井挡土墙支撑的圆板 来进行结构计算，确定加固体宽度t。
❖ 水平土压力考虑为静态土压力或主动压力， 水压以调查结果为主，砂土中进行水土分算， 透水性差的粘土进行水土合算。
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W
p
pw
土压
水压
n
W=p + p w
❖ σmax=±β*w*r2/t2≤σt/k1 ❖ β=3/8*（3+μ）
❖ 始发多采用从地面垂直冻结的方式，到达多 采用从竖井水平冻结的方式。
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四、端头加固的施工方法及其适用性
❖ 端头加固可以单独采用一种工法或多种工法 相结合的加固手段，主要取决于地质情况、 地下水、覆盖层厚度、盾构机直径、盾构机 型、施工环境等因素。同时考虑安全性、施 工方便性、经济性、进度等。
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出发部 GL
到达部
地基加固 2 排
地基加固（设计 上需要的厚度） 加固厚度=t
最小厚度：2.5m
加
盾构外径
固
高
度
加固厚度 2 排 最小厚度：1.5m
GL 切去四角的加固方法
最小厚度：2.0m n
t
加固宽度 盾构机外径
最小厚度：2.0m
n 加 固 高
RL 度
n
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说明图 4.2.3 地基加固范围实例（出发·到达）
❖ （1）加固体强度不能过高，主要考虑到盾构 机刀盘的配置，能否保证盾构机顺利切割加 固体。
❖ （2）加固土体的抗渗性能。 抗渗指标、 水流量
❖ （3）承载能力要求：要保证盾构机吊装的地 基承载力。
❖ （4）盾构类型，泥水or土压
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三、几种主要端头加固 方法的原理及计算
❖ 1、注浆加固：将浆液注入地层改善地基强度 和止水性。该方法对强度的改良有限，主要 是增强凝聚力，注浆材料的种类多种多样， 按浆液固结状态分类主要有填充注浆、渗透 注浆、劈裂注浆、压密注浆等。
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❖ 5、洞口处的地下障碍物 ❖ 如桥台、木桩、钢筋混凝土桩、回填的大石
块、废钢材等。这些障碍物埋深大小不等， 如果在盾构通过的位置上，则必须人工进入 盾构开挖面将其排除。遇到形状大、重量重、 长度长的障碍物，地面挖孔人工处理困难的， 还需在开挖后人工进仓处理。
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加固体设计还要考虑的因素
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1、搅拌桩施工工法
❖ 软土地层最常用的端头加固方法之一。通过搅拌 桩使端头土体凝聚力和内摩擦角改变，主要适用 于淤泥、粘土层和砂层，但在砂层加固效果差， 须与旋喷桩等工法配合使用。
❖ 该方法受国产设备性能限制，一般在14m深度以 下加固效果即很差。它的优点是工程造价低。
❖ 易出问题：加固不连续，加固体强度偏低，吊钻 头
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❖ （3）压密注浆： ❖ 用一定的压力注入粘稠的不易流动的浆液取
代并挤压周围土体，凝固形状多为柱体或球 体占据一定的空间，同时压密土体。 ❖ 对于注浆加固，由于不能形成高强度土体， 作为惯用的计算方法，是以改良后地基的抗 剪阻力阻挡拆除临时墙时有可能进入竖井的 土块的计算模型来研究的。
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❖ 加固土体在地面荷载p和 上部土体作用下可能沿某 滑动面向洞内整体滑动， 假定滑动面是以端墙开洞 外顶点O为圆心，开洞直 径D为半径的圆弧面.
❖ 假定拆除临时挡土墙时形 成圆弧滑动面来检验加固
体整体稳定性。
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滑动力矩M=M1+M2+M3 其中：M1——地面荷载P引起的下滑力矩M1=P*D2/2；