關(guān)占印（中鐵工程裝備集團(tuán)盾構(gòu)再制造有限公司 天津 300450

劉天成（中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400037

喬清源（中建隧道建設(shè)有限公司 重慶 401320）

0 引言

地鐵隧道工程具有隱蔽性，不確定性影響因素多樣復(fù)雜，施工可能會引起地表沉降或隆起，進(jìn)而影響到近接建筑物和構(gòu)筑物，壁后同步注漿可以有效控制盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形和保障周邊環(huán)境安全。

在盾構(gòu)隧道壁后注漿研究方面，葉飛等[1]綜述了盾構(gòu)隧道壁后注漿的研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向，指出當(dāng)前對注漿效果的評估和注漿參數(shù)控制的應(yīng)用研究還有待加強(qiáng)。蔡德國等[2]通過室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)研究了砂性地層盾構(gòu)隧道壁后注漿漿體擴(kuò)的散機(jī)理。黃宏偉等[3-4]介紹了盾構(gòu)隧道壁后注漿分布的探地雷達(dá)探測方法，并用模擬試驗對注漿效果進(jìn)行了解釋。這些研究對盾構(gòu)隧道壁后注漿研究具有一定的理論參考價值，結(jié)合盾構(gòu)隧道開挖引起地層變形的過程、理論分析和工程應(yīng)用實(shí)例，對隧道盾構(gòu)管片壁后同步注漿的具體方法進(jìn)行論述，以期為有效控制地鐵盾構(gòu)隧道施工引起巖土體變形和保障周邊環(huán)境安全提供借鑒。

1 盾構(gòu)施工引起地表沉降的時空效應(yīng)

1.1 時間效應(yīng)

根據(jù)盾構(gòu)法隧道各個施工階段影響因素的不同，可以把隧道施工引起的地表沉降細(xì)分為以下5 個階段：

1.1.1 預(yù)沉降階段

當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖達(dá)到預(yù)先設(shè)定的監(jiān)測斷面之前，盾構(gòu)開挖會擾動前方巖土體，產(chǎn)生地表沉降量極小，地質(zhì)條件較好的隧道施工前期地表甚至是零沉降。預(yù)沉降階段的地表沉降影響區(qū)主要受巖土體的水文地質(zhì)條件控制，地下水下降和隧道上部覆土層厚度增大時，巖土體固結(jié)沉降會最終引起地表沉降。

1.1.2 掌子面附近地表沉降階段

當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖的掌子面正好下穿過監(jiān)測斷面時，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起掌子面的巖土體失穩(wěn)、隧道掘進(jìn)后巖土體的初始應(yīng)力減小、巖土體產(chǎn)生塑性變形等原因，都會導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降或隆起。正常情況下，前期地質(zhì)勘查設(shè)置的盾構(gòu)土壓力F1 應(yīng)抵消掌子面處的水土壓力之和F2。當(dāng)F1F2 時，則掌子面前方的巖土體受盾構(gòu)的擠壓作用，掌子面上方的巖土體受向上作用力，最終會引起地表隆起。

1.1.3 盾構(gòu)穿過沉降階段

從盾構(gòu)刀盤通過監(jiān)測斷面開始，到盾尾穿過監(jiān)測斷面結(jié)束過程中，盾殼外徑和刀盤外徑不同，以及盾殼與巖土體之間的剪切作用，都會擾動周邊巖土體，引起地表沉降。

1.1.4 注漿填充沉降階段

為減小盾構(gòu)推進(jìn)的阻力，刀盤尺寸一般略大于盾構(gòu)外殼尺寸，盾殼的外徑又大于盾構(gòu)管片外徑，當(dāng)管片脫離盾尾時，若注漿不及時，建筑空隙就會被周圍的巖土體填充，產(chǎn)生較大的地層損失，在地表處產(chǎn)生沉降變形。可以通過控制同步注漿的壓力和漿體填充率等參數(shù)來降低地層損失。

1.1.5 后期沉降階段

表現(xiàn)為固結(jié)沉降和蠕變殘余變形沉降，主要由前期盾構(gòu)掘進(jìn)時對周圍巖土體的擾動和地層降水固結(jié)引起的，約占總地表沉降量的5%～30%。

1.2 空間效應(yīng)

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時，盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降在空間上表現(xiàn)為三維分布，具體有以下特點(diǎn)：

（1） 盾構(gòu)刀盤前方和四周巖土體均可產(chǎn)生變形，隧道上部土層離盾構(gòu)刀盤越近，地表沉降槽寬度越小。

（2） 盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降槽曲線在橫斷面上呈高斯分布，以隧道軸線為對稱軸，兩側(cè)沉降逐漸減小。

（3） 地表沉降也隨著隧道開挖，沿著縱向發(fā)展，地表沉降槽呈波浪形狀。

（4） 在縱斷面上不同位置的地表沉降，分布形式具有差異性，如盾構(gòu)刀盤前方表現(xiàn)為拉伸區(qū)，后方表現(xiàn)為壓縮區(qū)。

（5） 最終地表沉降值的大小主要與水文地質(zhì)和埋深條件等影響因素有關(guān)。

2 同步注漿漿體與巖土體的作用機(jī)理

在注漿填充沉降階段，受地質(zhì)水文條件、施工工藝、注漿材料和注漿壓力、注漿量、注漿速率等參數(shù)多種影響因素的耦合作用，同步注漿漿體在建筑空隙擴(kuò)散的過程和機(jī)理復(fù)雜。按照漿體注入的時間，可以將盾構(gòu)壁后注漿劃分為3 種：同步注漿、二次補(bǔ)強(qiáng)注漿和即時注漿。其中，同步注漿，顧名思義，就是在盾構(gòu)推進(jìn)的同時，通過同步注漿系統(tǒng)和盾尾的注漿管向盾尾建筑空隙注入漿體，漿體最終和周圍巖土體緊密接觸，填充效果較好的漿體可以有效控制地層變形。

一般來說，同步注漿的漿體對周圍巖土體的作用，在易坍塌的砂質(zhì)土、含黏土少的砂、砂礫，以及土質(zhì)較好的軟黏土地層中以壓密為主，在砂土地層中以滲透為主。不管是壓密效應(yīng)，還是滲透效應(yīng)，漿體都會類似柱形孔向巖土體擴(kuò)張，對巖土體產(chǎn)生徑向附加壓力，最終導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生變形。此外，當(dāng)注漿壓力較大時，漿體會對周圍巖土體產(chǎn)生劈裂效應(yīng)。

3 盾構(gòu)隧道管片壁后同步注漿的方法

結(jié)合上述盾構(gòu)施工引起地表沉降的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)，以及注漿填充沉降階段漿體與巖土體的作用機(jī)理，以某土壓平衡式盾構(gòu)在泥巖砂巖互層地區(qū)施工為例，重點(diǎn)對盾構(gòu)隧道管片壁后同步注漿的方法進(jìn)行論述。

3.1 注漿材料和配比

土壓平衡式盾構(gòu)在開挖軟硬交替的泥巖砂巖互層時，盾尾管片外殼與地層之間會形成環(huán)柱狀寬度為115～140mm 的建筑空隙，為避免管片周圍巖土體產(chǎn)生過大松動或坍塌，引起地表沉降，需要采用結(jié)石率>95%（固結(jié)收縮率<5%）、固結(jié)體強(qiáng)度>0.2MPa/天（>2.5MPa/28 天），以及耐久性好和防地下水侵蝕的水泥砂漿進(jìn)行同步充填，其中，水泥為耐腐蝕性好的42.5 級抗硫酸鹽水泥，根據(jù)施工經(jīng)驗，給出表1 同步注漿材料的配比范圍，在實(shí)際施工過程中，可以根據(jù)地層和地下水變化以及周邊環(huán)境等，不斷對注漿材料的配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

表1 同步注漿材料配比范圍

3.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

當(dāng)盾構(gòu)在硬質(zhì)砂巖地層掘進(jìn)時，盾構(gòu)土倉應(yīng)保持空倉，注漿壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度和掘進(jìn)速度分別控制在0.8～1.5bar、1.7rpm、1cm、10～30mm/min 范圍內(nèi)，每環(huán)注漿量應(yīng)大于6m3；當(dāng)含水量較大時，土倉的渣土應(yīng)采用膨潤土進(jìn)行改良，增加油脂和水泥用量。當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入軟質(zhì)泥巖地層時，上土倉壓力控制為0.05～0.08Mpa（覆土10～17m＞1 倍隧道直徑D=6.2m）；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)上軟下硬地層時，上土倉壓力、刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度分別控制為0.03Mpa、1.7rpm、10～30mm/min，掘進(jìn)推力小于1 600t；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)上硬下軟地層時，刀盤轉(zhuǎn)速可控制為1.8rpm。

3.3 同步注漿流程

當(dāng)土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)時，注漿可按同步注漿流程進(jìn)行施工。

4 結(jié)語

結(jié)合盾構(gòu)隧道開挖施工引起地表沉降的時空效應(yīng)和同步注漿漿體與巖土體的作用機(jī)理，以某土壓平衡式盾構(gòu)在泥巖砂巖互層地區(qū)施工為應(yīng)用實(shí)例，論述隧道盾構(gòu)管片壁后同步注漿過程中的注漿材料和配比、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)以及同步注漿流程。