盾構工程地表沉降控制系統的開發

（中鐵高新工業股份有限公司，北京 100070）

近年來，盾構法作為城市地鐵隧道施工的一種主要施工方法已在世界范圍內得到了廣泛的應用，由施工引起的地表沉降則越來越受到業界關注。一般認為，施工降水措施、盾構開挖擾動、管片環承壓變形、盾尾空隙填充不足是由施工引起地表沉降的主要原因。針對盾尾空隙填充不足導致的地表沉降，張恒等以具體工程為依托，通過數值模擬和現場監測表明地表沉降隨著注漿量及注漿壓力的增大而減小。黃恒儒等對由于向盾尾隧道外空隙注漿不及時、注漿量不足、盾尾漏漿等導致的地層損失影響進行了分析，并提出嚴格壁后注漿的控制要求。陳廣亮系統分析了超前注漿、同步注漿和補充注漿3 種方式改善砂卵石地層物理力學性能的機制，并介紹了不同注漿方式的注漿方法和參數，認為通過各階段的注漿能夠有效地控制盾構法施工引起的地表沉降。江玉生等從注漿量、注漿壓力、漿液質量著手結合實例分析論證了同步注漿對控制地表沉降的影響和關系。

綜合而言，通過控制壁后注漿來影響地表沉降是一個綜合性問題，既與施工控制措施有關，也與盾構本身的注漿系統有關。

本文主要從盾構的設計角度，研究了一種盾構壁后注漿地表沉降控制系統，并通過試驗確認了該系統針對砂質地層和黏土地層的沉降控制效果，驗證了該系統的實用性。

1 系統概述

盾構工程地表沉降控制系統由壓力保持裝置和多個壁后注漿管組成，不僅能夠自由切換注漿和清洗的管路，還可以不間斷地向壁后注入注漿材料。該系統通過其中一個注漿管自動向壁后注入主要注漿材料（A 液），即使在管片拼裝作業時，也能夠將最佳壓力連續施加到已填充的壁后注漿材料上（圖1～圖3）。

圖1 盾構隧道斷面圖

圖2 傳統的壁后注漿

通過沉降控制系統，在掘進時或掘進停止進行管片拼裝作業時，都能保持合適的壁后注漿材料壓力，確保壁后注漿質量，最大限度控制地層變形，保證盾構施工安全。

圖3 沉降控制系統

圖4 為沉降控制系統的作業流程。該系統至少由兩個壁后注漿管路（甲管路、乙管路）組成。掘進①的同時，通過甲管路注漿。在管片拼裝①時，通過甲管路向壁后注入注漿材料或主要材料，對已經注入環隙的壁后注漿材料加壓。與此同時，到管片拼裝①結束為止，乙管路完成清洗①。掘進②中，通過乙管路進行壁后注漿，到掘進③開始之前甲管路完成清洗②。然后在管片拼裝②時，通過乙管路進行壁后注漿。掘進③中，與掘進①相同，通過甲管路進行壁后注漿，在下一循環掘進前乙管路完成清洗③。測量壁后注漿材料壓力的同時重復此作業流程，能夠始終確保注入的壁后注漿材料的壓力。

圖4 沉降控制系統作業流程

2 驗證試驗

2.1 試驗目的

目前，在盾構施工中，一般分為盾構掘進環節和管片拼裝環節兩個步驟，為有效論證管片拼裝環節的地表沉降控制效果，我們制造了模擬尾盾和地層的試驗裝置，并在由砂質土和黏土構成的模擬地層中再現了盾構掘進時壁后注漿及盾構停止時的狀態。試驗分為2 種情況，一種是采用沉降控制系統，另一種是沒有采用沉降控制系統，驗證方法是通過測量安裝在模擬地層中的沉降板的位移和試驗裝置中的壁后注漿壓力，比較試驗結果。

2.2 試驗概況

1)試驗裝置 圖5 為試驗裝置原理圖，裝置由注漿管、土壓計、沉降板、位移計、盾尾密封刷和油缸構成。圖6 為試驗裝置照片。尺寸為800mm×800mm×1650mm，并在側面的一側安裝了一塊亞克力板，以便肉眼觀察實際的壁后注漿狀況。通過油缸可以將相當于尾盾的盾殼最大移動850mm，同時可以從尾盾注入壁后注漿材料。在盾殼上方200mm 處安裝了2 個100mm×100mm 的沉降板，測量地表位移。另外，在試驗裝置的3 個位置和壁后注漿管附近的1 個位置（共計4 處）安裝了土壓計，以便可以測量壁后注漿材料內部的壓力。

圖5 試驗裝置原理圖

2)試驗用模擬地層 模擬砂質土的地層是粒徑0.15～5mm、含有砂、礫石的混凝土細骨料。模擬黏土的地層是非硬化性盾構用可塑填充材料。

3)試驗用壁后注漿材料 試驗使用的是盾構工程中常規的壁后注漿材料。凝固時間在15s 以內，1h 后的單軸抗壓強度為0.05N/mm2，28 天后的單軸抗壓強度為2.00N/mm2。

圖6 試驗裝置照片

2.3 試驗順序

表1 為實施的4 個試驗及試驗條件。油缸行程為850mm，在0～450mm 區間沒有采用該系統；在450～850mm 區間采用該系統。通過向試驗裝置中的飽和土體施加0.4～0.5bar 的水壓進行試驗。油缸的頂推速度為50mm/min。壁后注漿條件是假設注漿材料沒有滲入土體，且填充滿注漿環隙。考慮到作用在裝置內的水壓（0.4bar）和模擬砂質土的重量，假設壁后注漿壓力約為0.5bar；考慮到作用于裝置內的水壓為0.5bar 和模擬黏土的重量，假設壁后注漿壓力約為0.6bar。

表1 4個試驗（計劃試驗條件）

設定了壁后注漿壓力的上限值和下限值作為該系統的系統設定壓力。該系統根據裝置內部壓力的變動自動進行壁后注漿，當低于下限值時，開始注入，達到上限值時，停止注入。下限值是掘進剛停止時的壁后注漿壓力，上限值是掘進剛停止后的壁后注漿壓力+0.03bar。

在各區間掘進之后，設定掘進停止時間直到沉降板的位移變得穩定為止，約為30min（以實際測量結果為準），并且測量掘進期間和掘進停止后沉降板的位移和各種壓力。

2.4 砂質土條件下的試驗結果（試驗1和試驗2）

表2 為測量結果，表3 為沉降板1 的位移量。

表2 測量結果（試驗1、試驗2）

表3 沉降板1的位移量（試驗1、試驗2）

1)壁后注漿填充率 如果將壁后注漿填充率的計劃值看作100%，在試驗1 中，壁后注漿填充率為102%；在試驗2中，壁后注漿填充率為103%。

2)沉降板的位移 油缸行程、壁后注漿材料流量和地層位移隨時間推移發生變化。關于沉降板的位移，在試驗1 中，掘進過程中的沉降為10.8 mm。掘進停止后，進一步沉降了8.8mm，直到測量完成為止，總沉降量為19.6mm。在試驗2 中，掘進過程中的沉降為11.6mm，掘進停止后，啟動運行沉降控制系統，通過壁后注入A液保持壓力，逐步隆起5.7mm，在試驗結束時總沉降量為5.9mm。

3)壁后注漿管噴漿口壓力 壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移隨時間推移發生變化。關于壁后注漿管噴漿口壓力，在試驗1 中，掘進停止后壓力呈波浪形變化，但壓力逐漸降低至0.53bar。在試驗2 中，掘進停止后由于系統運行而使壓力交替地上升和下降，但是可以確認壓力保持在設定的下限值0.55bar 以上。

2.5 黏土層條件下的試驗結果（試驗3和試驗4）

表4 為測量結果，表5 為沉降板2 的位移量。

表4 測量結果（試驗3、試驗4）

表5 沉降板2的位移量（試驗3、試驗4）

1）壁后注漿填充率 試驗3的壁后注漿率為101%；試驗4 的壁后注漿率為123%。在試驗3 中，黏土發生龜裂和沉降導致壁后注漿填充率低。在試驗4 中，壁后注漿填充率增加至120%。

2)沉降板的位移 油缸行程、壁后注漿材料流量和地層位移隨時間推移發生變化。關于沉降板的位移，在試驗3 中，掘進過程中的沉降量為18.1mm；掘進停止后，進一步沉降了10.4mm，總沉降量為28.5mm。在試驗4 中，掘進過程中的沉降量為5.4mm，掘進停止后，啟動運行沉降控制系統，通過壁后注入A 液保持壓力，逐步隆起3.6 mm，在試驗結束時總沉降量為1.8mm。

3)壁后注漿管噴漿口壓力 圖7 和圖8 表示壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移隨時間推移發生變化。關于注漿管噴漿口壓力，在試驗3 中，掘進停止后壓力呈波浪形變化，變化范圍為0.74～0.79bar。在試驗4中，在掘進停止之后由于系統運行而使壓力交替上升和下降，但是可以確認壓力保持在設定的下限值0.75bar 以上。

圖7 壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移變化（試驗3）

圖8 壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移變化（試驗4）

2.6 試驗結果分析

關于使用砂質土和黏土確定沉降控制系統有效性的試驗結果研究如下。

1)砂質土 在不采用沉降控制系統的情況下，掘進停止后產生了8.8mm 的沉降，在掘進停止后的45min 左右產生位移，位移量約為試驗裝置注漿環隙 （90mm)的10%。另外，當掘進停止后，試驗裝置內部的注漿壓力降低。這是因為在掘進停止之后注漿壓力降低導致土體松動而沉降了8.8mm。在采用沉降控制系統的情況下，掘進停止后發生了5.7mm 的隆起。通過運行該系統，壁后注漿材料的主要材料總共被注入了8 次。在試驗條件下，由于埋深較淺，因此上覆土荷載較小，地表壁后注漿壓力反應敏感，從而導致隆起。在實際施工現場，埋深較大，通過適當調整設定壓力，認為不會發生地表隆起。

2)黏土 在不采用地表沉降控制系統的情況下，在掘進停止之后發生了10.4mm 的沉降。在掘進停止后約20min 內發生位移，位移量約為試驗裝置注漿環隙（90mm）的12%。另外，在不采用沉降控制系統的情況下維持了裝置內部的注漿壓力。這與使用的試驗裝置結構以及試驗中使用的模擬土體的特性有關。因此，10.4mm 的沉降被認為是地層松動造成的。在采用地表沉降控制系統的情況下，在掘進過程中發生了5.4mm 的沉降，在掘進停止后產生了3.6mm 的隆起。通過運行該系統，壁后注漿材料的主要材料總共被注入了兩次。在該試驗條件下，認為與砂土相同，由于埋深小，所以上覆土荷載小，并且地層對壁后注漿壓力敏感反應，從而引起隆起。在實際施工現場，埋深較大，而且通過適當調整設定壓力，認為不會發生地表隆起現象。因此，在砂土和黏土地層中，認為能夠通過適當調整系統的設定壓力來抑制地面的沉降和位移（圖9）。

圖9 沉降概念圖

3 結論與建議

通過以上驗證試驗，獲得經驗如下。

1)在砂土模擬地層中進行的試驗結果表明，在不采用沉降控制系統的情況下，由于掘進停止后壁后注漿壓力降低，地表出現沉降。但采用沉降控制系統的情況下，由于保持壁后注漿壓力的原因，發生了地表隆起現象。

2)在黏土模擬地層中進行的試驗結果表明，不采用沉降控制系統的情況下，由于掘進停止后地層松動，發生了地表沉降。但采用沉降控制系統的情況下，由于保持壁后注漿壓力的原因，發生了地表隆起現象。

3)在試驗中，由于埋深小，因此上覆土荷載小，并且地層對壁后注漿壓力敏感反應，從而引起隆起。

通過試驗驗證了新開發的沉降控制系統的有效性，認為通過適當調節系統的設定壓力，能夠控制盾構施工引起的地層擾動和地表沉降問題，可進一步提升盾構工程的安全性。