透水性復合地層盾構穿越注漿施工技術研究

袁 杰 肖 翔 李贊新 南 勇 潘以恒

（1.中國建設基礎設施有限公司，北京 100044；2.集美大學，福建 廈門 361000）

0 引言

經濟高速發展帶動城市人口快速增長，人口增長帶來了很多問題，其中交通擁堵問題尤其嚴重[1,2]。過去已有的路面交通已經無法滿足人們日益增長的通行需求，因而不得不開發新的通行方式。路面交通已經趨向飽和，人們提出構建地下交通綜合體來滿足通行需求，城市軌道交通應運而生。城市軌道交通建設面臨復雜的施工環境，傳統的礦山施工方法不再適用，盾構法具有施工自動化程度高、受氣候環境影響小、工期短和對周圍環境影響小、防水性能好的特點，目前在城市軌道交通建設中得到了大規模應用[3]。盾構法于200多年前在英國得以實施，使用矩形盾構系統進行了河底隧道施工。我國盾構技術起步較晚，自第一條地鐵采用盾構機施工以后軌道交通建設進入快速發展期，地下軌道交通的建設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的滲透性，施工過程中面臨較大的圍巖失穩風險。本文以該4號線區間盾構隧道為例，在闡述盾構主要原理的基礎上，對盾構注漿技術以及注漿參數優化措施等進行分析，為類似隧道工程圍巖穩定性控制提供技術參考。

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～三角池站區間線路出東門站后沿塔頭路敷設，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、隧道沿線較近建構筑物，區間總長977.562m。

盾構區間自三角池站至東門站，區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‰，區間隧道覆土厚度10.86～22.6m。

1.2 工程地質條件

盾構區間所處地層地質環境復雜，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土、黏性土、風化花崗巖、風化正長斑巖等，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，區間左線和右線穿越地層信息統計圖分別如圖1、2所示。

圖1 左線地層信息統計圖

圖2 右線地層信息統計圖

2 盾構穿越掘進注漿技術研究

2.1 盾構施工原理及優缺點

盾構施工主要設備為盾構機，施工自動化程度高，人員工作強度相對較低。施工流程大致分為支撐巖體、開挖、襯砌施工和壁后注漿。盾構施工以其施工速度快、安全性好、自動化程度高、人員勞動強度低的特點被廣泛使用。此外，盾構施工全過程均在地下進行，對地面交通幾乎無影響。同時當施工地層地下水系發達時，盾構施工的防水效果較好。盾構施工的缺點在于費用較高，不同挖掘線路需要專項施工方案，進一步增加了施工成本。盾構機尺寸較大，不適用于一些半徑較小的隧道施工。盾構施工技術對施工人員要求較高，同時也需要為施工人員配備專用的勞動保護設備。

2.2 盾構穿越注漿施工技術

2.2.1 注漿目的

盾構施工容易引發地表沉降問題，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形空隙。盾構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）增強盾構管片的防水性能，防止圍巖中的地下水通過管片間隙流入隧道；

（3）促進管片穩定成形，確保隧道施工安全；

（4）預先對盾構穿越地層進行加固處理，防止盾構開挖時出現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

注漿方式分為同步注漿和二次注漿。

（1）同步注漿。依據盾構穿越地層情況，為盡快充填盾尾空隙及時支撐管片周圍巖體，降低地層變形對施工安全的影響，通過同步注漿系統雙泵四管路（四注入點）實施對稱注漿，盾尾出現空隙時注漿，盾構掘進施工與注漿施工同步進行，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充注漿方式，通常用于局部注漿不均勻或者漿液收縮誘發管片附近填充間隙情況。同時二次注漿還能夠提高襯砌背后注漿層的防水性及密實度，進一步形成密實防水層，同時也能增加隧道襯砌的強度。施工時通過地質雷達掃描探測襯砌背后空洞，探測得出襯砌背后存在空洞時需進行二次注漿，如圖4所示。

圖4 盾構施工注漿平面圖

2.2.3 注漿保護措施

為填充盾構管片周圍松動土層，盾構施工時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掘進起保護及潤滑作用，還能有效降低涌水風險。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 地層預加固注漿施工過程

（1）根據設計進行鉆孔定位及鉆機就位，開始鉆進；

（2）鉆至設計深度后停止噴水，開始注漿；

（3）當底部滿足要求時，低速回抽繼續下步注漿，提升相鄰孔位的高度，適當錯開；

（4）采用后退式分段注漿，即在注漿管內由孔端向外分段進行注漿，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開。注漿工藝流程如圖7所示。

圖7 地層預加固注漿工藝流程示意圖

3 盾構穿越掘進注漿漿材選擇與參數設計

盾構隧道注漿過程中，注漿施工技術與漿液材料的適配性，不僅關系到隧道施工安全，同時還會影響到隧道工程的安全運營。特別是同步注漿施工，由于盾構掘進與漿液壓注同時施工，對漿液的力學性能和注漿參數的設計和優化要求更高。

3.1 盾構隧道注漿漿材

目前主要關注注漿材料性能、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，是盾構注漿施工的關鍵指標。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試驗的方法分析注漿工藝某階段漿液的性能和最優配比，實際施工過程中，選定的漿液類型和配比會持續使用至工程施工結束，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三軸壓縮試驗和現場盾構試推等方法，能有效推廣注漿工藝的實際應用。

3.2 盾構隧道注漿參數設計

盾構隧道注漿施工除了漿液類別和配比選擇，注漿施工參數的控制也很重要。合適的注漿機能有效填充管片間隙，對管片外土體進行及時強化，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散半徑、凝結時間、土體平均注入率、注漿壓力等參數的選取對注漿效果影響顯著，施工中漿液配比及注漿參數應根據現場情況試樁進行適當調整、優化，以滿足施工要求，注漿施工過程中選取的參數組合如表1所示。

表1 注漿參數表

4 盾構穿越掘進注漿常見問題及控制措施

4.1 常見問題及產生原因

盾構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生原因在于漿體強度和冷凝時間達不到要求，導致地表環境發生變化，同時也會影響盾構施工環境，帶來施工安全隱患。注漿系統管路堵塞的原因在于漿體強度過高或冷凝時間較短等，同時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度和注漿位置達不到要求，應根據實際情況進行調整。

4.2 控制措施

盾構隧道注漿過程中為防止上述施工問題產生，應提前采取必要的措施。主要的措施包括根據工程所處地質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不同的強度、抗滲能力和冷凝時間，實際工程中應根據地層強度選擇對應的漿液類型，防止漿液強度匹配問題引發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致的盾尾脫空問題。

注漿過程中應當開展管片和地表沉降監測，根據管片位置變化或者管片注漿孔漿液情況，及時調整注漿參數。同時，根據地面信息及時調整注漿量，注漿過程中嚴格記錄與分析，繪制注漿壓力和注漿量隨時間的變化曲線。根據記錄數據分析注漿效果，同時指導類似注漿工序。為避免漿液類型不匹配引發的注漿管道阻塞問題，注漿施工過程中準備專用的疏通工具，注漿工序要與盾構掘進工序協調，同時注漿工序完成后及時在注漿管中填埋膨潤土，防止漿液流失。

5 結束語

（1）本文以富水地區盾構隧道為例，從盾構施工原理、盾構注漿、注漿漿材及參數優化和注漿施工流程等方面闡述盾構注漿技術要點，同時針對具體工程選定適宜的注漿參數，研究成果可為類似軌道交通施工圍巖穩定性控制提供技術依據。

（2）盾構注漿作為隧道穿越掘進富水地層時圍巖穩定性控制的有效方法，注漿施工質量好壞與工作條件和地質條件關系密切。注漿施工可能引發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工程問題的產生原因，并提出了相應的預防措施，確保注漿工序順利進行，同時能有效提高隧道掘進施工的安全性。