盾構隧道管片壁后同步注漿的機理與方法探討

關占印（中鐵工程裝備集團盾構再制造有限公司 天津 300450

劉天成（中鐵十一局集團第五工程有限公司 重慶 400037

喬清源（中建隧道建設有限公司 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雜，施工可能會引起地表沉降或隆起，進而影響到近接建筑物和構筑物，壁后同步注漿可以有效控制盾構隧道施工引起的地表變形和保障周邊環境安全。

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

1 盾構施工引起地表沉降的時空效應

1.1 時間效應

根據盾構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分為以下5 個階段：

1.1.1 預沉降階段

當盾構隧道開挖達到預先設定的監測斷面之前，盾構開挖會擾動前方巖土體，產生地表沉降量極小，地質條件較好的隧道施工前期地表甚至是零沉降。預沉降階段的地表沉降影響區主要受巖土體的水文地質條件控制，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

當盾構隧道開挖的掌子面正好下穿過監測斷面時，盾構掘進參數設置不當引起掌子面的巖土體失穩、隧道掘進后巖土體的初始應力減小、巖土體產生塑性變形等原因，都會導致地表產生沉降或隆起。正常情況下，前期地質勘查設置的盾構土壓力F1 應抵消掌子面處的水土壓力之和F2。當F1F2 時，則掌子面前方的巖土體受盾構的擠壓作用，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 盾構穿過沉降階段

從盾構刀盤通過監測斷面開始，到盾尾穿過監測斷面結束過程中，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

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

1.1.5 后期沉降階段

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

1.2 空間效應

當盾構推進時，盾構法隧道施工引起的地表沉降在空間上表現為三維分布，具體有以下特點：

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

（2） 盾構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，兩側沉降逐漸減小。

（3） 地表沉降也隨著隧道開挖，沿著縱向發展，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，如盾構刀盤前方表現為拉伸區，后方表現為壓縮區。

（5） 最終地表沉降值的大小主要與水文地質和埋深條件等影響因素有關。

2 同步注漿漿體與巖土體的作用機理

在注漿填充沉降階段，受地質水文條件、施工工藝、注漿材料和注漿壓力、注漿量、注漿速率等參數多種影響因素的耦合作用，同步注漿漿體在建筑空隙擴散的過程和機理復雜。按照漿體注入的時間，可以將盾構壁后注漿劃分為3 種：同步注漿、二次補強注漿和即時注漿。其中，同步注漿，顧名思義，就是在盾構推進的同時，通過同步注漿系統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，在易坍塌的砂質土、含黏土少的砂、砂礫，以及土質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，還是滲透效應，漿體都會類似柱形孔向巖土體擴張，對巖土體產生徑向附加壓力，最終導致隧道圍巖發生變形。此外，當注漿壓力較大時，漿體會對周圍巖土體產生劈裂效應。

3 盾構隧道管片壁后同步注漿的方法

結合上述盾構施工引起地表沉降的時間效應和空間效應，以及注漿填充沉降階段漿體與巖土體的作用機理，以某土壓平衡式盾構在泥巖砂巖互層地區施工為例，重點對盾構隧道管片壁后同步注漿的方法進行論述。

3.1 注漿材料和配比

土壓平衡式盾構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柱狀寬度為115～140mm 的建筑空隙，為避免管片周圍巖土體產生過大松動或坍塌，引起地表沉降，需要采用結石率>95%（固結收縮率<5%）、固結體強度>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，根據施工經驗，給出表1 同步注漿材料的配比范圍，在實際施工過程中，可以根據地層和地下水變化以及周邊環境等，不斷對注漿材料的配比進行適當調整。

表1 同步注漿材料配比范圍

3.2 關鍵技術參數

當盾構在硬質砂巖地層掘進時，盾構土倉應保持空倉，注漿壓力、刀盤轉速、貫入度和掘進速度分別控制在0.8～1.5bar、1.7rpm、1cm、10～30mm/min 范圍內，每環注漿量應大于6m3；當含水量較大時，土倉的渣土應采用膨潤土進行改良，增加油脂和水泥用量。當盾構進入軟質泥巖地層時，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）；當盾構掘進上軟下硬地層時，上土倉壓力、刀盤轉速和掘進速度分別控制為0.03Mpa、1.7rpm、10～30mm/min，掘進推力小于1 600t；當盾構掘進上硬下軟地層時，刀盤轉速可控制為1.8rpm。

3.3 同步注漿流程

當土壓平衡式盾構掘進時，注漿可按同步注漿流程進行施工。

4 結語

結合盾構隧道開挖施工引起地表沉降的時空效應和同步注漿漿體與巖土體的作用機理，以某土壓平衡式盾構在泥巖砂巖互層地區施工為應用實例，論述隧道盾構管片壁后同步注漿過程中的注漿材料和配比、關鍵技術參數以及同步注漿流程。