袁 杰 肖 翔 李贊新 南 勇 潘以恒

（1.中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100044；2.集美大學(xué)，福建 廈門 361000）

0 引言

經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展帶動(dòng)城市人口快速增長，人口增長帶來了很多問題，其中交通擁堵問題尤其嚴(yán)重[1,2]。過去已有的路面交通已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的通行需求，因而不得不開發(fā)新的通行方式。路面交通已經(jīng)趨向飽和，人們提出構(gòu)建地下交通綜合體來滿足通行需求，城市軌道交通應(yīng)運(yùn)而生。城市軌道交通建設(shè)面臨復(fù)雜的施工環(huán)境，傳統(tǒng)的礦山施工方法不再適用，盾構(gòu)法具有施工自動(dòng)化程度高、受氣候環(huán)境影響小、工期短和對周圍環(huán)境影響小、防水性能好的特點(diǎn)，目前在城市軌道交通建設(shè)中得到了大規(guī)模應(yīng)用[3]。盾構(gòu)法于200多年前在英國得以實(shí)施，使用矩形盾構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了河底隧道施工。我國盾構(gòu)技術(shù)起步較晚，自第一條地鐵采用盾構(gòu)機(jī)施工以后軌道交通建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期，地下軌道交通的建設(shè)有效解決了城市交通堵塞問題[4,5]。

福州軌道交通4號線所處地層具有較強(qiáng)的滲透性，施工過程中面臨較大的圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。本文以該4號線區(qū)間盾構(gòu)隧道為例，在闡述盾構(gòu)主要原理的基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)注漿技術(shù)以及注漿參數(shù)優(yōu)化措施等進(jìn)行分析，為類似隧道工程圍巖穩(wěn)定性控制提供技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福州地鐵4號線一期工程東門站～三角池站區(qū)間線路出東門站后沿塔頭路敷設(shè)，中途下穿晉安河、東郊河，而后接入三角池站。沿線主要控制性因素：晉安河、東郊河、隧道沿線較近建構(gòu)筑物，區(qū)間總長977.562m。

盾構(gòu)區(qū)間自三角池站至東門站，區(qū)間左線曲線半徑分別為600m和1200m，右線曲線半徑為900m和800m，線間距11～23m?？v斷面為V型坡，最大縱坡21‰，最小縱坡2‰，區(qū)間隧道覆土厚度10.86～22.6m。

1.2 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)區(qū)間所處地層地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，屬于典型濱海軟硬交替地層。隧道穿越地層大致分為淤泥質(zhì)土、黏性土、風(fēng)化花崗巖、風(fēng)化正長斑巖等，洞身圍巖主要為Ⅲ～Ⅳ級。地下水主要分為孔隙水和基巖裂隙水，地層滲透性為弱～強(qiáng)，區(qū)間左線和右線穿越地層信息統(tǒng)計(jì)圖分別如圖1、2所示。

圖1 左線地層信息統(tǒng)計(jì)圖

圖2 右線地層信息統(tǒng)計(jì)圖

2 盾構(gòu)穿越掘進(jìn)注漿技術(shù)研究

2.1 盾構(gòu)施工原理及優(yōu)缺點(diǎn)

盾構(gòu)施工主要設(shè)備為盾構(gòu)機(jī)，施工自動(dòng)化程度高，人員工作強(qiáng)度相對較低。施工流程大致分為支撐巖體、開挖、襯砌施工和壁后注漿。盾構(gòu)施工以其施工速度快、安全性好、自動(dòng)化程度高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)被廣泛使用。此外，盾構(gòu)施工全過程均在地下進(jìn)行，對地面交通幾乎無影響。同時(shí)當(dāng)施工地層地下水系發(fā)達(dá)時(shí)，盾構(gòu)施工的防水效果較好。盾構(gòu)施工的缺點(diǎn)在于費(fèi)用較高，不同挖掘線路需要專項(xiàng)施工方案，進(jìn)一步增加了施工成本。盾構(gòu)機(jī)尺寸較大，不適用于一些半徑較小的隧道施工。盾構(gòu)施工技術(shù)對施工人員要求較高，同時(shí)也需要為施工人員配備專用的勞動(dòng)保護(hù)設(shè)備。

2.2 盾構(gòu)穿越注漿施工技術(shù)

2.2.1 注漿目的

盾構(gòu)施工容易引發(fā)地表沉降問題，為解決這一問題，在襯砌施工過程中同步注入水泥漿液充填盾尾環(huán)形空隙。盾構(gòu)注漿主要有四方面的目的：

（1）填充盾尾空隙，支撐管片旁巖體從而降低地表沉降；

（2）增強(qiáng)盾構(gòu)管片的防水性能，防止圍巖中的地下水通過管片間隙流入隧道；

（3）促進(jìn)管片穩(wěn)定成形，確保隧道施工安全；

（4）預(yù)先對盾構(gòu)穿越地層進(jìn)行加固處理，防止盾構(gòu)開挖時(shí)出現(xiàn)地層變形過大和土體塌陷等工程病害。

2.2.2 注漿方式及其特點(diǎn)

注漿方式分為同步注漿和二次注漿。

（1）同步注漿。依據(jù)盾構(gòu)穿越地層情況，為盡快充填盾尾空隙及時(shí)支撐管片周圍巖體，降低地層變形對施工安全的影響，通過同步注漿系統(tǒng)雙泵四管路（四注入點(diǎn)）實(shí)施對稱注漿，盾尾出現(xiàn)空隙時(shí)注漿，盾構(gòu)掘進(jìn)施工與注漿施工同步進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 同步注漿示意圖

（2）二次注漿。二次注漿作為同步注漿的補(bǔ)充注漿方式，通常用于局部注漿不均勻或者漿液收縮誘發(fā)管片附近填充間隙情況。同時(shí)二次注漿還能夠提高襯砌背后注漿層的防水性及密實(shí)度，進(jìn)一步形成密實(shí)防水層，同時(shí)也能增加隧道襯砌的強(qiáng)度。施工時(shí)通過地質(zhì)雷達(dá)掃描探測襯砌背后空洞，探測得出襯砌背后存在空洞時(shí)需進(jìn)行二次注漿，如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)施工注漿平面圖

2.2.3 注漿保護(hù)措施

為填充盾構(gòu)管片周圍松動(dòng)土層，盾構(gòu)施工時(shí)需要通過中盾和前盾向盾殼外注入漿液，該措施能對后期盾殼外注漿及盾構(gòu)掘進(jìn)起保護(hù)及潤滑作用，還能有效降低涌水風(fēng)險(xiǎn)。中、前盾徑向注入孔如圖5所示，分別向中盾和前盾盾殼外側(cè)注入漿液，漿液由高濃度漿液和水玻璃漿液混合形成。為避免注漿壓力對盾尾的損害，通過盾尾后方的管片吊裝孔注入聚氨酯和雙液漿，先注聚氨酯，再注雙液漿，這就是組合注漿，如圖6所示。

圖5 中、前盾徑向注入孔示意圖

圖6 組合注漿示意圖

2.2.4 地層預(yù)加固注漿施工過程

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆孔定位及鉆機(jī)就位，開始鉆進(jìn)；

（2）鉆至設(shè)計(jì)深度后停止噴水，開始注漿；

（3）當(dāng)?shù)撞繚M足要求時(shí)，低速回抽繼續(xù)下步注漿，提升相鄰孔位的高度，適當(dāng)錯(cuò)開；

（4）采用后退式分段注漿，即在注漿管內(nèi)由孔端向外分段進(jìn)行注漿，每次注漿段長0.4～0.5m，注完此段后，再后退注下一段，直至全孔注漿完成；相鄰孔位提升段長度相互錯(cuò)開。注漿工藝流程如圖7所示。

圖7 地層預(yù)加固注漿工藝流程示意圖

3 盾構(gòu)穿越掘進(jìn)注漿漿材選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道注漿過程中，注漿施工技術(shù)與漿液材料的適配性，不僅關(guān)系到隧道施工安全，同時(shí)還會(huì)影響到隧道工程的安全運(yùn)營。特別是同步注漿施工，由于盾構(gòu)掘進(jìn)與漿液壓注同時(shí)施工，對漿液的力學(xué)性能和注漿參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化要求更高。

3.1 盾構(gòu)隧道注漿漿材

目前主要關(guān)注注漿材料性能、類別、用量和外摻劑等，漿材類別和配比決定了漿液使用性能，是盾構(gòu)注漿施工的關(guān)鍵指標(biāo)。常用的注漿材料大致可分為單液漿、雙液漿和各類新型漿液。也有很多研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法分析注漿工藝某階段漿液的性能和最優(yōu)配比，實(shí)際施工過程中，選定的漿液類型和配比會(huì)持續(xù)使用至工程施工結(jié)束，因而需要對工程全部周期綜合選取適合工程全周期的漿液類別和配比。注漿材料的選取可通過室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場盾構(gòu)試推等方法，能有效推廣注漿工藝的實(shí)際應(yīng)用。

3.2 盾構(gòu)隧道注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道注漿施工除了漿液類別和配比選擇，注漿施工參數(shù)的控制也很重要。合適的注漿機(jī)能有效填充管片間隙，對管片外土體進(jìn)行及時(shí)強(qiáng)化，防止地面變形過大和土體坍塌等問題。注漿施工過程中漿液擴(kuò)散半徑、凝結(jié)時(shí)間、土體平均注入率、注漿壓力等參數(shù)的選取對注漿效果影響顯著，施工中漿液配比及注漿參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況試樁進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整、優(yōu)化，以滿足施工要求，注漿施工過程中選取的參數(shù)組合如表1所示。

表1 注漿參數(shù)表

4 盾構(gòu)穿越掘進(jìn)注漿常見問題及控制措施

4.1 常見問題及產(chǎn)生原因

盾構(gòu)隧道注漿過程中常見的問題主要包括地表沉降和隆起問題、注漿系統(tǒng)管路堵塞、漿體從盾尾流入、管片上浮、管片注漿孔滲漏等。地表沉降和隆起問題的產(chǎn)生原因在于漿體強(qiáng)度和冷凝時(shí)間達(dá)不到要求，導(dǎo)致地表環(huán)境發(fā)生變化，同時(shí)也會(huì)影響盾構(gòu)施工環(huán)境，帶來施工安全隱患。注漿系統(tǒng)管路堵塞的原因在于漿體強(qiáng)度過高或冷凝時(shí)間較短等，同時(shí)注漿壓力過大也是造成漿液泄露的原因。管片注漿孔滲漏的原因在于漿液強(qiáng)度和注漿位置達(dá)不到要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

4.2 控制措施

盾構(gòu)隧道注漿過程中為防止上述施工問題產(chǎn)生，應(yīng)提前采取必要的措施。主要的措施包括根據(jù)工程所處地質(zhì)條件合理選擇漿液類型、注漿量、注漿壓力和注漿位置，不同類型的漿液對應(yīng)不同的強(qiáng)度、抗?jié)B能力和冷凝時(shí)間，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)地層強(qiáng)度選擇對應(yīng)的漿液類型，防止?jié){液強(qiáng)度匹配問題引發(fā)的地表沉降或隆起等工程病害。另外，在注漿過程中要避免注漿壓力較大導(dǎo)致的盾尾脫空問題。

注漿過程中應(yīng)當(dāng)開展管片和地表沉降監(jiān)測，根據(jù)管片位置變化或者管片注漿孔漿液情況，及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)。同時(shí)，根據(jù)地面信息及時(shí)調(diào)整注漿量，注漿過程中嚴(yán)格記錄與分析，繪制注漿壓力和注漿量隨時(shí)間的變化曲線。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析注漿效果，同時(shí)指導(dǎo)類似注漿工序。為避免漿液類型不匹配引發(fā)的注漿管道阻塞問題，注漿施工過程中準(zhǔn)備專用的疏通工具，注漿工序要與盾構(gòu)掘進(jìn)工序協(xié)調(diào)，同時(shí)注漿工序完成后及時(shí)在注漿管中填埋膨潤土，防止?jié){液流失。

5 結(jié)束語

（1）本文以富水地區(qū)盾構(gòu)隧道為例，從盾構(gòu)施工原理、盾構(gòu)注漿、注漿漿材及參數(shù)優(yōu)化和注漿施工流程等方面闡述盾構(gòu)注漿技術(shù)要點(diǎn)，同時(shí)針對具體工程選定適宜的注漿參數(shù)，研究成果可為類似軌道交通施工圍巖穩(wěn)定性控制提供技術(shù)依據(jù)。

（2）盾構(gòu)注漿作為隧道穿越掘進(jìn)富水地層時(shí)圍巖穩(wěn)定性控制的有效方法，注漿施工質(zhì)量好壞與工作條件和地質(zhì)條件關(guān)系密切。注漿施工可能引發(fā)地表沉降與隆起和漿液滲漏等工程問題，本文分析了注漿施工過程中相關(guān)工程問題的產(chǎn)生原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，確保注漿工序順利進(jìn)行，同時(shí)能有效提高隧道掘進(jìn)施工的安全性。