TRD与旋喷桩组合工法在盾构端头加固中的应用研究

【摘要】为了研究TRD与旋喷桩组合式工法在盾构端头土体加固上应用的可行性，以青岛地铁流亭机场站盾构到达区端头加固为研究对象，基于理论计算、数值模拟、现场钻芯及监测等手段，对此混合工法展开了深入的研究。研究结果表明，TRD与旋喷桩组合式工法能够较好的适用于城市复杂地质条件下盾构端头土体加固上，且能够保证盾构始发及到达端部区域加固土体在强度和稳定性上的要求；弹性薄板计算理论模型及三维有限元数值分析能够对土体加固方案进行科学的检算，其分析计算结果及精度能够满足施工期要求，并能够较好的指导现场施工。

【关键词】TRD；旋喷桩；盾构；端头；土体加固

城市地铁盾构施工过程中，始发与到达是整个工序中安全隐患最大的环节，如处理不当，会直接引起透水及塌方等严重的工程事故。为了确保盾构施工中始发与到达端头的稳定性，需要结合具体地质情况制定合理的加固方案，通常采用的有冻结法、旋喷桩、SMW法等，但随着城市地下情况的复杂性加大，单一的工法不再能满足相应的施工需求，各种组合式的新工法不断涌现。其中，冻结法施工的工艺水平要求的较高且施工费用较高，旋喷桩法造价较低，但较适用于黏土、粉土等地质条件，对于复杂地质条件下的加固效果不太理想；SMW工法全名为Soil Mixing Wall，也即型钢水泥土搅拌墙，此工法于1976年率先在日本应用，在空间狭小的空间应用较多。TRD工法（Trench cutting Re-mixing Deep wall method）最早由日本神户制钢所于1933研发，是一种等厚度地下连续墙施工方法，此方法凭借其稳定好、成墙质量好且精度高等特点逐渐在各类工程中得到了广泛的应用。如何充分发挥TRD工法的优势，将其与传统的土体加固工法有效的结合起来，并引入到盾构端头加固中来，是一个对盾构施工有着重要研究意义的问题。随着端头加固理论的不断革新和三维精细化数值分析软件功能的不断增强，借助新理论及有限元方法来对现场整个施工过程进行分析，也已成为施工现场科技化的一个重要趋势。

文中拟基于青岛地铁盾构到达区端头加固工程，基于理论计算、数值模拟、现场钻芯及监测等手段，对TRD与旋喷桩组合工法进行详细的分析，并对工程应用效果进行检验，以便为此工法在类似工程的推广应用提供借鉴。

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青岛地铁流亭机场站为1号线与规划10号线的换乘车站，本段地铁车站沿线所属地貌为冲洪积平原地貌，地下水主要赋存在第四系松散砂土层及基岩的裂隙中。场区地下水主要类型为第四系孔隙水和基岩裂隙水，车站抗浮设防水位以绝对标高-10.0m计算。流亭机场站南端头加固区域原地貌为人工湖填湖范围，人工湖为机场消防储备消防用水，平时水深保持在2.5m左右，目前回填区域采用回填材料以砂和黏土为主，含少量石块，压实度不高。汽车北站～流亭机场站盾构到达区端头盾构覆土约9.2m，加固范围自上至下地层为素填土、杂填土、黏土、粉质黏土、中砂～粗砂、粗砂～砾砂、黏土、含卵石粗砾砂、强风化安山岩、安山岩（砂土状碎裂岩）。在与周边部门对接过程中得知回填前湖底有0.3m厚混凝土硬化未进行破除清理，考虑到会严重影响墙体质量，需对TRD水泥搅拌墙施工范围重新进行开挖，将其凿除并回填后，方可进行TRD施工，旋喷桩施工将根据TRD的施工情况考虑是否在该施工区域进行换填；其余大部分区域人工湖仍在使用，水深维持原样不变，考虑人工湖湖水深流等因素影响，为避免湖水倒灌，降低盾构接收风险，本端头井外地层内部采用旋喷桩进行加固处理。

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在对既有端头加固工法进行大量调研的基础上，综合考虑工期、质量及当地地质特点，拟定了TRD与旋喷桩组合工法对汽车北站～流亭机场站盾构到达区端头进行加固。

2.1加固范围

流亭机场站盾构到达区端头加固范围为拱顶上3m至隧道底板下3m，隧道外轮廓两侧3m，纵向加固长度10m，总加固深度为21.23m，横向加固宽度为30m，如图1、图2所示。

竖向分为弱加固区（深度约6.236m）与强加固区（14.994m），其中盾构从强加固区中心区域穿越，在加固施工完毕后，需要通过钻芯取样的方式，对不同加固区域的加固效果进行检验验收，以确保后期施工的安全性。

2.2TRD方案

接收端端头加固区外围采用0.85m厚TRD水泥搅拌墙止水，墙底深入强风化岩层不小于0.5m，TRD墙水泥用量及水灰比等参数根据墙体性能要求和土质条件由试验确定，水泥采用强度等级不低于P·O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入比根据土质条件要求的水泥强度确定，且不小于20％，水灰比取1.0~2.0。

2.3旋喷桩方案

汽流区间盾构接收端头井采用D600@450mm旋喷桩进行加固处理，桩间咬合150mm，采用双重管高压旋喷钻机施工，旋喷桩施工将根据TRD水泥搅拌墙的施工情况，考虑是否在该施工区域进行换填。加固范围为出车站10m、区间中线两侧各12m；加固深度为地面以下18.3m，弱加固区深度6.236m，强加固区深度12m，隔桩跳打；固化剂为P.O42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆液采用1:1的水灰比；双重管高压注浆的压力应大于20MPa，流量应大于30L/min，气流压力宜大于0.7MPa，提升速度宜为0.1~0.2m/min。加固后土体的28d无侧限抗压强度qu≥0.8MPa，渗透系数k≤10~7cm/s。

2.4降水井施工方案

为了使盾构接收前疏干加固区域水体，在左、右线旋喷桩加固区域之间，增加两口降水井，降水井井深以井底入区间底以下5m控制，井孔垂直度应控制在1%以内；井点井孔直径0.7m，井管直径0.4m。

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在进行盾构端头加固设计时，需要同时考虑周围土体强度指标、稳定性指标、渗透性指标以及变形指标等多项要求，结合现场场地及土质条件，合理选取加固设计理论及计算方法，对加固范围和强度进行合

理的设计，以确保施工期及后期的安全性及稳定性。

3.1端头加固理论

目前常用的盾构端头加固设计计算理论模型主要有弹性薄板理论模型、土体滑移失稳理论模型、土体扰动极限平衡理论模型等，其中弹性薄板理论模型有着较为成熟的应用，文中即基于此理论模型展开计算分析，其理论计算模型如图3所示。

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4.1 数值模拟分析

为进一步研究盾构施工至到达区时周围土体的稳定性及加固方案的可靠性，基于ABAQUS软件建立盾构区间双管道管片及到达区周围土体模型，考虑到边界效应的影响，整体模型纵向取40m，横向取50m，竖向取35m，结构整体有限元模型如图4所示。结合现场土质情况，从上至下分别赋予杂填土（1.5m）、素填土（1.443m）、粉质粘土（1.865m）、中粗砂（1.9m）、粗砾砂（5.693m）、粉质粘土（1.942m）、含卵石粗砾砂（5.158m）、强风化安山岩（2.5m）、强风化安山岩-砂土碎裂岩（9m）共计9层土体土质参数，其中土体采用摩尔库伦本构。

基于整体有限元模型，分别研究对端头土体不加固和加固两种工况下盾构掘进至端头道达区时周围土体的变化情况，此处以土体竖向位移云图为例进行分析，图5（a）为对端部土体加固时盾构到达穿越的土体竖向位移云图，图5（b）为按照基既定方案对土体进行加固后，盾构到达穿越的土体竖向位移云图。

加固区隧道顶部在加固前后竖向位移具体数值如图6所示，在未对盾构到达端土体进行加固时，端部土体竖向位移达到了25cm，也即土体强度和稳定性不满足要求，容易发生土体及周围建筑物的过大沉降变形、塌陷、涌水等安全事故，需要采取措施对接收端进行加固处理；在按照既定的TRD与旋喷桩组合工法对土体进行加固后，接收端部土体竖向位移可减小至1.78cm，满足盾构施工期土体变形要求。

4.2现场钻芯

现场在按照既定方案对到达区端头土体进行加固后，为了检验施工效果，在距离左线盾构区间边缘1.5m处进行了钻芯取样，钻芯取结果如图7所示。加固区域自然状态从上之下分别为杂填土、素填土、粉质黏土、中粗砂等强度较低的土质，加固区加固后四个钻孔芯样无侧限抗压强度具体数值见表1，从表中可以看出，四组芯样无侧限抗压强度值均大于0.8MPa的规范允许值，满足要求。

从加固区芯样的检测结果来看，在既定加固范围内基本上完成了土体不同区域的加固，盾构按照既定方案顺利地完成了到达区的安全穿越。

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通过对青岛地铁流亭机场站盾构到达区端头土体加固方案的设计、检算、数值分析、现场取芯及监测等，对TRD与旋喷桩组合工法在盾构端头加固上应用的可行性进行了深入的研究，研究结果表明：

（1）基于弹性薄板理论模型对盾构端头加固土体的强度及稳定性进行检算是可行的，计算结果精度能够满足施工期的要求。

（2）三维数值模拟分析能够较好的体现出施工期盾构周围土体的变形情况，分析结构有助于指导方案的制定并指导现场施工。

TRD结合旋喷桩和降水井方案在复杂地质条件下盾构端头土体加固上有着较好的表现，能够保证盾构始发及到达端部区域土体加固的要求。

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