盾构始发与到达是盾构法的主要施工工序之一，也是盾构施工中最容易发生事故的环节,直接关系盾构隧道能否顺利实施与及时贯通。目前，随着城市地下工程的快速发展，盾构隧道的直径和埋深不断加大，地层和环境条件越来越复杂，盾构始发与到达施工过程中的塌方、透水等工程事故有不断增多的趋势。因此，盾构始发与到达前必须根据地层条件及其变化情况进行端头加固设计和相关的调整，确定合理的加固范围，并选定合理的辅助工法后才能进行施工作业。
本专题分享江玉生教授《盾构始发与到达——端头加固理论研究与工程实践(第2版)》中盾构端头加固成功工程案例，介绍国内成功案例的端头加固方案、施工工艺及加固检测手段等。本文案例为北京地铁大兴线 01 标黄村火车站端头加固工程。
北京地铁大兴线01标为黄村火车站至义和庄站，区间隧道起止里程为DK14+874.500~DK16+746.9，左线隧道长1863.462m，右线隧道长1872.057m。黄村火车站—义和庄站区间隧道工程采用盾构法施工，右线首先从义和庄站始发，左线随后平行施工，然后双线均在黄村火车站站接收盾构。2009年10月9日右线到达黄村火车站，从右线盾构接收情况来看，盾构隧道上方为2~2.5m的粉细砂层，在刀盘顶到围护桩前，有大量的溃砂现象，这种溃砂会造成地面大量塌陷，引起端头井上方的雨水、污水及电力管线发生断裂，致使溃水发生，详细情况见第8.5节事故分析。
盾构到达黄村火车站站前 100m 的土层性质从上至下分别为：
（2）粉土②层、粉质黏土②1 层、粉细砂②2 层，土层厚度 0.8~6.7m。
（3）粉质黏土③层、粉土③1层、粉细砂③2 层、黏土③3层，土层厚度12.9~19.3m。
（4）粉细砂④1 层、粉土④2 层，土层厚度1. 2 ~ 9.3m。
（6）圆砾⑥层、粉细砂⑥1 层，粉质黏土⑥3 层，土层厚度2.0~14.5m。
（7）粉质黏土⑦层、细砂⑦1 层、圆砾⑦2 层，土层厚度2.1~7.8m。
部分地段洞顶位于粉细砂③2，隧道结构主体地基持力层主要为③层粉质黏土和③1 层粉土及③2 层粉细砂，属中压缩性土。
根据右线盾构接收的实际状况，接收端隧道断面上部2m及隧道顶部4m范围内的土体都为疏松的粉细砂层，自稳性极差，受外力影响极易塌落。
端头井附近有3条管线，?300mm污水管道，管顶埋深2.2m，管中心离围护桩2.2m。雨水管沟3.0m×1.2m，内径2.0m。管顶埋深1. 6m，中心线离围护结构5.2m，6孔电信管道管顶埋深1.8m，离围护桩约7. 2m，详细位置分布如图1所示。
右线盾构到达施工，造成污水管线断裂，目前接收井加固区内的污水和雨水管线已经截断，上游的污水和雨水直接用水泵跨过加固区从上游管井直接导流到下游管井。
盾构接收时，洞口段地层须预先进行加固以保证盾构到达的安全。加固后的地层应具备良好的均匀性和自立性。此次盾构到达端头原计划地面采用旋喷注浆加固。地基加固强度指标：无侧限抗压强度为0.8MPa左右，渗透系数小于1×10-8cm/s。
设计加固范围为盾构隧道顶、底、左、右各 3.0m，加固宽度12m，深度12m，纵向加固长度8m，具体的加固范围如图2所示。
图2 盾构到达端头加固范围示意图（尺寸单位：mm）
由于受改移到加固区内的雨水、污水和电信管线的影响，从地面采用常规的旋喷加固方式已经不可行，根据现场的实际情况只能从加固区外侧采用斜向旋喷的方式对加固区进行加固，如图3所示。此种加固方式受管线位置影响造成管线正下方形成一定的加固盲区，加固效果减弱。为此根据右线盾构接收的教训必须要对左线盾构接收加固区进行补强加固处理。加固方式为从洞门圈内的掌子面采用水平前进式注浆方式对管线下方土体进行补强加固。
图3 端头井斜向加固及旋喷桩加固示意图（尺寸单位：m）
根据右线盾构到达的实际情况，左线盾构到达存在以下问题：
①到达端头区域雨水、污水管线复杂且与管线改移图存在差异，水源难控。
②隧道顶部2m及洞门圈上方4m范围内土体为粉细砂层，厚度较大，土体的自稳性很差，极易塌落；由于管线原因，端头井加固效果较难保证，常规的加固工法实施难度大，而且现场土质情况很复杂，对端头加固工法要求较高。
③右线盾构到达洞门的大面积土体塌方对左线端头洞门上方土体产生了扰动，二次沉降较大。
④根据右线塌方现场土体查看，现场车站施工前的管线改移后回填土压实效果极差，再次沉降可能会导致更大面积土体塌方。
为解决以上问题，施工单位经过多方了解和实地考察，综合比较分析，借鉴其他项目成功经验，最终采用封闭洞门，在洞内全断面进行水平小导管注浆的施工方案对端头进行加固。
该方案注浆加固原理是：封闭洞门，成孔后安装注浆孔口管，由孔口管向内进行注浆，整个注浆过程是在一个封闭体系中进行的，浆液通过孔口注浆管进入封闭状态的被注地层（流砂层、粉质黏土层、黏土层等），通过注浆泵产生的压力，使浆液在被注地层中向四周扩散，达到充填、挤压、密实的作用，从而使松散（含水）砂层或黏土层变为密实的坚固地层，达到注浆堵水的目的。
水平小导管注浆加固与高压旋喷桩、搅拌桩的根本区别在于旋喷桩和搅拌桩是打孔后在孔内旋喷、搅拌，孔口是敞开的，孔口返浆后视为成桩，其范围和成桩体积受压力影响变化较大，属于后退式注浆法；而小导管注浆加固是在一个封闭体系中进行注浆，而且采用前进式注浆加固法。
目前，端头小导管加固方案应用较多，天津、深圳、广州各地均有成功经验。
本次水平小导管注浆加固的纵向加固范围沿隧道轴线方向 8m，横向加固范围为隧道中心线外各6.0m即12m宽。地层深度范围：隧道中心线向上6m，向下4m，即整个洞门范围及洞门圈顶部向上3m，洞门圈底部向下1m。加固设计如图4 和图5所示。
图5 水平注浆加固 1-1 剖面图（尺寸单位：m）
如图6所示，小导管水平注浆分两部分进行。第一部分在洞门圈底部向上1m，沿洞门圈周边布设钻孔，然后在钻孔内插入小导管注浆，钻孔直径50mm，小导管注浆孔直径42mm，注浆孔间距25cm，入土深度8m，露出20cm长度与洞门圈焊接，角度向上8°~15°。第二部分在洞门圈底部1m向上、沿洞门圈内桩间土打入直径42mm的小导管，注浆孔间距50 cm，入土深度8m，角度向上8° ~ 15°，共计注浆钻孔103个。
（1）配齐钻机、搅拌机、注浆泵、管路、储浆桶，各种应急材料。主要机械设备包括：YT-24~28风动凿岩机、ZTGZ-120/150 型注浆泵。
（2）对注浆泵进行试运转，并对操作人员进行上岗培训。
（4）对注浆施工人员进行技术交底、技术培训以及安全教育。
根据实际施工进度，盾构推进至第1544环时刀盘到达围护桩，为了防止隧道结构上方及洞门上方土体从桩间坍塌，在盾构刀盘未到达围护桩前，先不进行破桩，盾构带压推进，在已完成的车站主体结构内，先在整个洞门圈桩间土范围内挂网喷20cm混凝土面层，待面层达到一定强度后，沿洞门周边向需要加固的土体内全断面施作小导管钻孔和斜孔，利用机器成孔后，然后向孔内插入注浆管开始注浆；双液浆在砂层中扩散与周边孔注浆区域相互渗透融合，在洞门周边固化形成桶状加固体，满足盾构到站掌子面不坍塌、不漏水、涌砂的安全要求。 具体的施工过程如下：
在进行小导管注浆施工前，先在整个洞门圈桩间土范围内挂网喷射20cm厚混凝土面层，然后进行如下操作：
（1）首先凿出桩间土，厚度20cm，然后开始沿整个桩身竖向范围以间距 40cm 凿出桩身混凝土，向桩内凿出厚度10cm即保证桩体围护桩主筋向内有5cm空隙，同时凿出围护桩主筋至少3根，保证3根桩主筋内部有5cm空隙，使桩体露出的钢筋要满足围护桩平面网喷混凝土横向钢筋伸进围护桩主筋内部压网焊接的要求。
（2）然后沿桩间土挂网，先将Φ20mm钢筋打入桩间土0.5m，末端做成弯钩，直接挂在网片上，钢筋竖向间距0.5m；再用Φ20mm钢筋横向压网，并将Φ20mm钢筋伸进围护桩已凿出的3根主筋内部，同时焊接，Φ20mm钢筋横向焊接间距为40cm，最后喷射第一层混凝土，厚度10cm。
（3）待第一层网喷达到一定强度后，再在洞门桩间土挂网喷第二层混凝土面层，厚度10cm，具体做法同第一层，具体如图7 和图8所示。
（4）网喷时，在即将钻孔注浆的洞门圈四周预留好钻孔，此处部位混凝土面层厚度较薄。
（5）凿出围护桩混凝土过程中，首先利用大锤及簪子慢慢凿出，遇到特硬混凝土部分方可利用汽钻或风镐凿出，不能将桩外部混凝土全部凿出。
导向管长度8m，采用外径42mm、壁厚3.5mm的钢管加工而成，一端焊接内径Φ25mm的外丝，另一端端头植于掌子面上，植入深度为7.5~7.8m，外露20~50cm与洞门圈焊接。
（1）钻孔：采用风动凿岩机沿洞门圈周边进行钻孔，成孔直径Φ50mm。钻杆顶进时，注意保护管口不受损、变形，以便与注浆管路连接。
（2）按设计顺序依次对每个钻孔进行注浆，其原则是：第一部分小导管是每打完一根钢管，然后拔出钢管插入注浆管后立刻注浆；第二部分是先打入钢管，然后边向土外拔管边注浆，注完浆后开始进行下个注浆孔施工。同时，在钻孔地层有砂有水时，不管长度多少，出砂出水就注。依此往复循环，直至设计终孔为止。
钻孔布置详见图
4 ~
图
6
。
（3）注浆时，严格控制浆液浓度及压力，根据压力变化，及时调整浆液浓度，直到达到设计终压为止。原则上，开始只注单液水泥浆，如果注浆压力上不去且浆液用量大，则逐步改用双液浆，以达到注浆压力控制要求。采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注5min，即可结束注浆。注浆时通过控制注浆压力控制注浆量。当注浆压力较小，而注浆量较大时增大水泥浆的浓度，直至终压达到0.3 ~0.6MPa，持续注浆至设计孔位深度。
注浆扩散距离为1~2m。已有的实践经验证明，加固土体在设计的洞门圈以外达到1.0 ~1.5m是完全有保障的，同时也满足土体加固的要求。
注浆浆液浓度：水泥浆水灰比为0.5:1，水玻璃浓度为20~25°Bé，水泥浆和水玻璃的体积比为3:1。注浆终压为 0.3~0.6MPa。
安装注浆泵站等设备。注浆前，先关闭孔口阀门，开启注浆泵，进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压，然后将注浆泵吸管放入浆液中（吸头有D80滤网包紧），进行正式注浆。
（1）导向钢管外插角必须严格照图施工，保证注浆管，外插角度。
（2）注浆前在洞门圈内挂网喷混凝土使其成为止浆墙封闭注浆的浆液以防漏浆。
（1）竖向抽芯检测。根据加固体抽芯情况，目测判断加固体强度可否满足设计要求，是否连续；试验判断加固体强度、抗渗性能。在砂层中，特别要注意加固体连续性和整体性是否良好。每个端头2~4根。
（2）小导管抽芯检测。沿洞门圈内加固体范围内打9个小导管探孔，观察渗水情况。
有了右线盾构到达施工塌方事故的教训后，左线盾构到达施工相对而言更为谨慎。 经过专家反复论证，采用全断面水平深孔注浆法对到达端头土体进行加固，整个加固过程严格按照设计要求进行，并对加固效果进行了检测。实践证明水平深孔注浆加固技术用于加固砂土地层可以取得较好的加固效果，能够保证盾构顺利地到达。对于以后类似地层盾构始发与到达端头加固具有较好的借鉴意义。
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知识点：盾构端头加固工程案例
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