高密度盾構隧道壁后注漿開發及對地層沉降影響

陳榮泰 朱曉潔 鐘小春 杜雪山 槐榮國 王 敏 陳旭泉

(1.廣州地鐵集團有限公司， 廣東 廣州 510180；2.河海大學土木與交通學院， 江蘇 南京 210098；3.中鐵五局集團有限公司， 貴州 貴陽 550003）

0 引言

盾構管片拼裝好后管片與周圍土體之間存在一定的間隙，稱之為盾尾空隙。對于盾尾空隙一般采用同步注漿的方法進行處理，如圖1 所示。注漿效果的好壞對沉降的控制至關重要，目前工程施工多采用單液漿注漿，單液漿可以分為兩類，一類是硬性漿，以水泥為主要膠結物；一類是惰性漿，以粉煤灰為主要膠結物[1]。

圖1 盾尾空隙示意圖

目前對盾構隧道壁后注漿的研究中，葉飛等[2]采用理論推導，得到了漿液擴散半徑及對管片產生壓力的計算式。朱令等[3]基于等效連續化模型和彈性地基梁理論，建立盾構隧道縱向分析模型，對壁后注漿引起盾構隧道上浮對結構的影響開展了研究。鐘小春等[4]探究了地層中粉細砂在壁后注漿中的再利用可行性。袁小會等[5]用旋轉粘度計對硬性漿液的流變特性和流變參數進行了測定，進而導出注入盾尾空隙過程中注漿壓力傳遞公式。梁宇等人[6]推導了基于漿液黏度時變性的漿體固結變形方程和漿液壓力消散方程。

盾構壁后注漿主要存在漿液的泵送性和充填性這一對矛盾。有關學者已經開始進行新型漿液的研制。節妍冰等人配置的新型漿液經蘇州地鐵二號線施工驗證，發現該漿液在地層沉降的控制上具有明顯的優勢[7]。路明鑒研究了消石灰、粉煤灰、膨潤土、砂、水和減水劑為原料的新型漿液，并在粘土和富水砂土地層中均取得了良好的效果[8]。楊麗冰結合膨脹巖區域地質條件，分析膨脹巖特性及目前盾構隧道壁后注漿材料可能存在問題，提出膨脹巖地區盾構隧道壁后注漿材料要求[9]。

基于前人的研究和現有工程中存在的問題，本文對原有硬性漿漿液配方加以改進，配制出高密度新型漿液，通過對漿液的性質參數進行試驗測定，發現所配置漿液具有良好的流動性且泌水率低，在注漿的過程中不易發生離析和堵管等現象。結合工程實際，驗證了本文提出的高密度漿液的效果。

1 高密度漿液開發研究

1.1 漿液應具有的基本性能

盾構機在掘進過程中對周圍土體產生擾動，并在盾殼與管片之間形成一定的間隙，必須進行同步注漿。為了解決以上盾尾壁后注漿那一對矛盾，需要開發新型盾尾壁后注漿液。新型漿液必須要較好的流動性有利于漿液的泵送，其經時損失低；而且需要較高的密度，達到較低的體積收縮率和較高的充填率。

1.2 高密度漿液的原料成分及比例

針對目前盾尾漿液中存在一對矛盾，即漿液泵送性和充填性的矛盾，在目前的壁后注漿液中增加了觸變劑，如圖3 所示，漿液配方如表1 所示。

圖3 壁后注漿中摻入的觸變劑

表1 漿液設計配比（單位:kg/m3)

2 漿液性質試驗與分析

2.1 漿液性質試驗結果及分析

試驗組漿體的基本性質如表2 所示。低密度的漿液具有較高的體積收縮率，達到22.3%，注入盾尾空隙后將引起地層較大的沉降，同時漿液流動性過大，容易發生漿液沿盾殼流失到開挖面，使得漿液更加難以注滿盾尾空隙。本文中開發的壁后注漿液具有較高的密度，達到1.90g/cm3以上，而且漿液的流動性經時變化較緩，如圖4 所示。3 個小時后，漿液的流動度仍然達到280mm 以上，滿足漿液的泵送要求。從圖5 中還可以看出來，靜置一個小時后漿液表現出了較好的果凍狀，流動性幾乎失去，但是攪拌后漿液的流動性又得到恢復，如圖6 所示。這說明新配置的漿液有利于解決漿液的泵送性和充填性的問題。

表2 漿液性質試驗結果

圖4 漿液流動度隨時間變化曲線

圖5 漿液靜置1h 后的狀態

圖6 漿液靜置1h 后攪拌后的狀態

漿液注入盾尾空隙后，漿液在地層壓力的作用下發生了固結收縮，開展了漿液的體積収縮試驗。試驗組2 的體積収縮試驗如圖7 所示，注漿壓力分別為100kPa、150kPa，200kPa。從中可以看到在200kPa 壓力作用下，漿液體積收縮率在10%左右，遠低于常規低密度漿液的20%以上的收縮率，對地層變形控制更為有利，也有利于早期管片的約束和管片環水平地基抗力的建立，減少錯臺的發生，確保管片的拼裝平整性。

圖7 不同注漿壓力作用下的體積收縮規律

3 工程應用

廣州地鐵21 號線朱村至象嶺區間段分為高架橋段和地下段兩部分，地下段部分采用一臺直徑為6.28 米的土壓平衡盾構機施工，由鳳嶺村出發，向象嶺站方向掘進施工。隧道穿越場地為主要為丘間盆地，盾構掘進段主要沿國道廣汕公路布設，該國道車流量大，日平均車流量達到70000 輛，且多為大型卡車。覆土層從上至下主要為＜1＞素填土，平均厚度2.6m；＜4N-2＞粉質粘土，平均厚度3.81m；＜3-1＞粉細砂，平均厚度2.14m；＜3-2＞中粗砂，平均厚度2.98m；＜3-3＞礫砂，平均厚度3.41m。

該區間盾構掘進最大風險主要是以下三個方面：（1）隧道上覆土埋深最低處為6.0m，低于隧道一倍埋深，屬于淺埋：（2）盾構穿越全斷面砂層，且滲透性較大，中粗砂滲透性為10-2cm/s 級別，屬于高滲透性地層；（3）盾構穿越一級國道廣汕公路，日均車流量達到7 萬輛，且多為運貨卡車，對路面沉降控制較嚴，更不能出現開挖面塌方、地面塌陷情況。

為此，項目部決定從渣土改良、盾尾壁后注漿和開挖面壓力管理等幾個方面開展研究工作。論文提出的高密度壁后注漿，解決了漿液的流失和充填性的問題，同時減少了脫出盾尾管片環的整體上浮，較好地保證管片拼裝質量。如圖9 所示。

施工過程中，在左、右線隧道上方地表橫向每5m 布置一個地表測點，同時，在左、右線隧道上方地表每10m 在地面環境允許的位置布設一橫斷面，了解盾構掘進引起的沉降槽寬度、沉降坡度等。整個施工過程中，地表最大沉降量不超過12mm，且施工過程中未發生管片上浮錯臺等現象，圖9 為拼裝好的隧道曲線圖。選取盾構掘進區段右線1～400 環，繪制橫斷面沉降曲線圖10。

圖9 拼裝后的管片圖

圖10 地表最終監測沉降量

由圖10 可以看出來，地表沉降最終被控制在12mm 以內，有效的保障了地面交通的通行。且該高密度漿液在泵送過程中流動性良好，并未發生堵管現象。由此可見，高密度新型漿液可以成功應用在富水砂質地層中，確保管片的拼裝質量。

4 結論

（1）分析了我國地鐵盾構隧道壁后注漿的工程中存在的主要矛盾——漿液的泵送性和充填性的矛盾，認為可通過摻入觸變劑配制具有較長時間流動性、高密度漿液來解決。

（2）在漿液中加入觸變劑能有效地保持漿液較長時間的流動性，防止高密度漿液因早凝而發生堵管等現象，同時觸變性漿液還表現出了較好的觸變性，靜止后漿液呈現果凍狀，泵送時又恢復了良好的流動性。

（3）通過在廣州地鐵高風險段盾構掘進中的應用效果證明，配制的高密度的漿液，具有較好地控制地層沉降、減少管片上浮和保證管片質量的多重效果。