一种可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构及其施工方法

摘要

本发明提供了一种可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构及其施工方法，该加固结构包括第一垂直加固层、包覆在所述第一垂直加固层外的第二垂直加固层和填充在所述第一垂直加固层、所述第二垂直加固层与端头井侧壁之间的旋喷桩加固层；所述第一垂直加固层覆盖隧道施工区域且四周边缘向外超过隧道施工区域。本发明提供的加固结构由抗渗和吸收变形性能极强的混合有泡沫的固化土形成第一垂直加固层，由抗渗和整板性能均很好的水泥固化土形成第二垂直加固层，相较于传统的单一水泥土加固结构，具有良好的吸收挤压变形的能力，避免了盾体通过时加固区域内大量贯通性裂缝的产生，减少了盾构始发和接收阶段涌水和涌砂现象的发生，极大地提升了施工安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程材料和施工技术领域，具体涉及一种可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构及其施工方法。

背景技术

盾构施工过程，盾构机的始发阶段(盾体由始发井全部进入土体，依靠反力架顶推前进的阶段)和接收阶段(盾体由土体完全推出进入接收井的阶段)为两个存在重大安全风险的施工阶段，其中主要安全风险因素之一是盾体处于洞门中间，洞门为非封闭状态，地下水和流沙极易通过盾体与洞门的空隙流入(或涌入)始发井和接收井，造成端头井侧壁外围土体失稳，导致坍塌和管涌安全事故，为降低安全风险常采用始发端和接收端端头井侧壁外围加固技术，常用加固方式是水泥固化土止水墙。

工程应用表明水泥固化土止水墙有效地降低了盾构始发和接收安全风险，但因水泥土固化后表现出极大的脆性破坏特性，受挤压吸收变形能力较弱，加固区域内的土体在盾体经过时，受到挤压经常快速发生脆性开裂，出现延向未加固区的贯通性裂缝，为地下水和流沙向工作面的流动涌入提供了原始通道，极大地降低了加固区的止水效果，由此引发的始发和接收阶段抢险工作频繁发生，成为当时盾构施工无法规避的技术问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述的不足，提供一种可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构及其施工方法。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构，设置在靠近端头井的位置处，包括第一垂直加固层、包覆在所述第一垂直加固层外的第二垂直加固层和填充在所述第一垂直加固层、所述第二垂直加固层与端头井侧壁之间的旋喷桩加固层；

所述第一垂直加固层采用混合有泡沫的固化土制成，所述第二垂直加固层采用水泥固化土制成，所述第一垂直加固层覆盖隧道施工区域且四周边缘向外超过隧道施工区域。

进一步地，所述第一垂直加固层的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10～15m范围内，所述第一垂直加固层的周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线外扩1m范围内。这样设计，便于工作人员进行施工，而且经过验证，加固效果可靠。

进一步的，所述第二垂直加固层的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10～15m范围内，所述第二垂直加固层的周向分布区域为从隧道轮廓线外扩1m至隧道轮廓线外扩3～5m范围内。这样设计，便于工作人员进行施工，而且经过验证，加固效果可靠。

进一步的，所述旋喷桩加固层的轴向分布区域为从端头井侧壁至沿隧道方向外延0.65m范围内，所述旋喷桩加固层的周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线外扩5m范围内。这样设计，便于工作人员进行施工，而且经过验证，加固效果可靠。

进一步的，所述混合有泡沫的固化土由泡沫、固化剂和原位土壤搅拌而成，泡沫按照体积量添加，比例为原位土壤体积的10％～15％。这样设计，泡沫添加体积较小，是基于减少泡沫引起的土体体积膨胀，大量试验表明泡沫采用以上添加量，引起土体体积膨胀极小。

进一步的，所述混合有泡沫的固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度不低于1.2MPa，渗透系数不大于1.0×10

进一步的，所述泡沫由阴离子型泡沫剂机械发泡制得，泡沫直径为30～400μm，泡沫半衰期不小于30min，泡沫湿密度不大于19kg/m

进一步的，所述固化剂选自水泥、无机类土壤固化剂和复合型土壤固化剂中的一种。这样设计，保证了固化的性能，从而保证了第一垂直加固层的结构稳定。

进一步的，所述第二垂直加固层使用的水泥固化土由水泥浆和原位土壤搅拌而成，水泥浆水灰比为0.8～1.5。这样设计，通过设计合适的配比，从而提高第二垂直加固层的强度。

进一步的，所述水泥固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度不低于1.0MPa，渗透系数不大于1.0×10

进一步的，所述旋喷桩加固层硬化后28d龄期特征如下：无侧限抗压强度不低于2.5MPa，渗透系数不大于1.0×10

根据本发明的另一个方面，还提供了一种可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构的施工方法：包括如下步骤：

首先施工端头井侧壁，之后在端头井侧壁的外端施工第一垂直加固层和第二垂直加固层，最后施工旋喷桩加固层，各区域均自下而上进行施工；

施工第一垂直加固层和第二垂直加固层时，先施工第二垂直加固层的下部分，再施工第一垂直加固层至设计标高，最后施工第二垂直加固层的上部分。

本发明的主要技术原理为：

(1)本发明采用第二垂直加固层包裹第一垂直加固层的结构，由抗渗和整板性能均很好的水泥固化土形成第二垂直加固层，由抗渗和吸收变形性能极强的混合有泡沫的固化土形成第一垂直加固层，形成固化土止水层包裹泡沫固化土挤压变形吸收层的盾构端头井复合式加固结构，盾构机通过加固结构时，由第一垂直加固层吸收盾构机的挤压变形，且不产生大量贯通裂缝，保证了第二垂直加固层的稳定，从而发挥出极好的止水效果，复合式结构所用混合有泡沫的固化土和水泥固化土材料性能相近，相容性好，结构间无明显过渡界面，结构内部无薄弱环节，整体性好；

(2)本发明明确泡沫按照体积量添加，比例为原位土壤体积的10％～15％，泡沫添加体积较小，是基于减少泡沫引起的土体体积膨胀，大量试验表明泡沫采用以上添加量，引起土体体积膨胀极小，工程上可忽略不计，而稳定均匀分布于混合有泡沫的固化土中的泡沫密封孔，已具备吸收盾构机挤压变形的能力，低掺量泡沫使固化土同时具备较高的机械强度，满足结构承载需要；

(3)本发明采用的阴离子型泡沫剂物理发泡后的泡沫直径为为30～400μm，为细小直径泡沫，细小泡沫均匀稳定分散于混合有泡沫的固化土内部，固化土硬化后形成封闭的蜂窝状空间，各个空气囊独立存在，不形成原始贯通裂缝，混合有泡沫的固化土呈现良好的机械强度，同时表现出极好的抗渗性能，满足承载、吸收挤压变形和止水三重功能需求。

对比现有技术，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明通过加固材料和加固结构创新相结合，采用第二垂直加固层包裹第一垂直加固层的结构，由抗渗和整板性能均很好的水泥固化土形成第二垂直加固层，由抗渗和吸收变形性能极强的混合有泡沫的固化土形成第一垂直加固层，在盾体通过时，第一垂直加固层具有快速吸收盾体挤压变形的能力，不形成贯通性裂缝，第二垂直加固层具备良好的止水效果，减少了盾构始发和接收阶段涌水和涌砂现象的发生，极大地提升了盾构始发和接收阶段的施工安全性；

(2)本发明提供的新结构未增加新型复杂施工设备，按照正常施工工艺施工出吸收挤压变形的复合式加固新结构，新结构施工工艺简单成熟，实用性强；

(3)本发明提供的吸收挤压变形的复合式加固新结构适用于富水的淤泥质、黏土质和粉细砂层地质盾构端头加固，适用地质广，尤其是可用于解决富水地层盾构始发和接收阶段洞门涌水及涌砂技术难题，保证了富水地层盾构施工安全。

附图说明

图1为本发明一实施例的俯视结构示意图。

图2为本发明一实施例的侧视剖视结构示意图。

图中：1、隧道轮廓；2、第一垂直加固层；3、第二垂直加固层；4、旋喷桩加固层；5、端头井侧壁；L

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，以下实施例的实施方法，如未作特别说明，均为本领域公知的常规试剂及常规方法。

如图1和图2所示。

本发明可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构，设置在靠近端头井的位置处，包括第一垂直加固层2、包覆在所述第一垂直加固层2外的第二垂直加固层3和填充在所述第一垂直加固层2、所述第二垂直加固层3与端头井侧壁5之间的旋喷桩加固层4；

所述第一垂直加固层2采用混合有泡沫的固化土制成，所述第二垂直加固层3采用水泥固化土制成，所述第一垂直加固层2覆盖隧道施工区域且四周边缘向外超过隧道施工区域。

所述第一垂直加固层2的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10～15m范围内，所述第一垂直加固层2的周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线1外扩1m范围内。

所述第二垂直加固层3的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10～15m范围内，所述第二垂直加固层3的周向分布区域为从隧道轮廓线1外扩1m至隧道轮廓线1外扩3～5m范围内。

所述旋喷桩加固层4的轴向分布区域为从端头井侧壁5至沿隧道方向外延0.65m范围内，所述旋喷桩加固层4的周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线1外扩5m范围内。

本发明可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构的施工方法，包括如下步骤：

首先施工端头井侧壁5，之后在端头井侧壁5的外端施工第一垂直加固层2和第二垂直加固层3，最后施工旋喷桩加固层4，各区域均自下而上进行施工；

施工外端第一垂直加固层2和第二垂直加固层3时，先施工第二垂直加固层3的下部分，再施工第一垂直加固层2至设计标高，最后施工第二垂直加固层3的上部分。

下面提供三个实施例来详细说明本发明：

实施例1

本实施例为杭州地铁某标段盾构始发端头井加固，加固区域地层自上而下为粘土、粉质粘土、淤泥质粘土、淤泥质粘土夹粉土、淤泥质粘土夹粉细砂，水文勘探数据显示本区域属于富水性地层，加固结构形式采用本发明可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构：

其中，第一垂直加固层2的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延15m范围内，周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线外扩1m范围内，范围内为采用三轴搅拌工艺制备出的混合有泡沫的固化土。

其中，混合有泡沫的固化土由泡沫、固化剂和原位土壤搅拌而成，泡沫按照体积量添加，比例为原位土壤体积的10％，泡沫由阴离子型泡沫剂(购自武汉市振璇化工有限公司，下同)机械发泡制得，泡沫直径30μm，泡沫半衰期35min，泡沫湿密度18kg/m

本实施例混合有泡沫的固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度1.3MPa，渗透系数不大于7.2×10

其中，第二垂直加固层3的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延15m范围内，周向分布区域为从隧道轮廓线1外扩1m至隧道轮廓线1外扩3m范围内，范围内为采用三轴搅拌工艺制备出的水泥固化土。

其中，水泥固化土由水泥浆和原位土壤搅拌而成，水泥掺量为300kg/m

本实施例水泥固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度1.0MPa，渗透系数8.7×10

其中，旋喷桩加固层4的轴向分布区域为从端头井侧壁至沿隧道方向外延0.65m范围内，周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线1外扩5m范围内，范围内为采用高压旋喷工艺制备的水泥浆旋喷桩。

本实施例旋喷桩加固层硬化后28d龄期特征如下：无侧限抗压强度2.7MPa，渗透系数5.4×10

实施例2

本实施例为苏州地铁某标段盾构始发端头井加固，加固区域地层自上而下依次为粉土夹砂层、粉砂夹粉土层、粉质粘土层、粘土层，勘探数据表明本区域属于富水性地质，且具有明显的季节性特点，加固结构形式采用本发明可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构：

其中，第一垂直加固层2的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10m范围内，周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线外扩1m范围内，范围内为采用三轴搅拌工艺制备出的混合有泡沫的固化土。

其中，混合有泡沫的固化土由泡沫、固化剂和原位土壤搅拌而成，泡沫按照体积量添加，比例为原位土壤体积的15％，泡沫由阴离子型泡沫剂机械发泡制得，泡沫直径50～300μm，泡沫半衰期35min，泡沫湿密度18kg/m

本实施例混合有泡沫的固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度1.4MPa，渗透系数不大于6.3×10

其中，第二垂直加固层3的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10m范围内，周向分布区域为从隧道轮廓线1外扩1m至隧道轮廓线1外扩5m范围内，范围内为采用三轴搅拌工艺制备出的水泥固化土。

其中，水泥固化土由水泥浆和原位土壤搅拌而成，水泥掺量为200kg/m

本实施例水泥固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度1.1MPa，渗透系数9.2×10

其中，旋喷桩加固层4的轴向分布区域为从端头井侧壁至沿隧道方向外延0.65m范围内，周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线1外扩5m范围内，范围内为采用高压旋喷工艺制备的水泥浆旋喷桩。

本实施例旋喷桩加固层硬化后28d龄期特征如下：无侧限抗压强度2.9MPa，渗透系数8.2×10

实施例3

本实施例为福州地铁某标段盾构接收端头井加固，加固区域地层自上而下依次为淤泥、粉质粘土和中砂层，加固结构形式采用本发明可吸收挤压变形的盾构端头井加固结构：

其中，第一垂直加固层2的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10m范围内，周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线外扩1m范围内，范围内为采用三轴搅拌工艺制备出的混合有泡沫的固化土。

其中，混合有泡沫的固化土由泡沫、固化剂和原位土壤搅拌而成，泡沫按照体积量添加，比例为原位土壤体积的12％，泡沫由阴离子型泡沫剂机械发泡制得，泡沫直径30～400μm，泡沫半衰期40min，泡沫湿密度18kg/m

本实施例混合有泡沫的固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度1.3MPa，渗透系数不大于7.4×10

其中，第二垂直加固层3的轴向分布区域为从离端头井侧壁0.65m至沿隧道方向外延10m范围内，周向分布区域为从隧道轮廓线1外扩1m至隧道轮廓线1外扩5m范围内，范围内为采用三轴搅拌工艺制备出的水泥固化土。

其中，水泥固化土由水泥浆和原位土壤搅拌而成，水泥掺量为100kg/m

本实施例水泥固化土28d龄期特征如下：无侧限抗压强度1.3MPa，渗透系数8.2×10

其中，旋喷桩加固层4的轴向分布区域为从端头井侧壁至沿隧道方向外延0.65m范围内，周向分布区域为从隧道施工区域中心至隧道轮廓线1外扩5m范围内，范围内为采用高压旋喷工艺制备的水泥浆旋喷桩。

本实施例旋喷桩加固层硬化后28d龄期特征如下：无侧限抗压强度2.5MPa，渗透系数6.9×10

实施例1-3地层均表现出富水状态，但盾构始发或接收施工阶段，均未见洞口有大量涌水和涌砂，端头井侧壁周边未见明显沉降，无塌陷现象出现，周边建筑物稳定无变形，观测表明复合式加固结构止水效果明显优于传统单一固化土加固结构。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。