壁后注浆对地表沉降的影响试验研究

郑东升

0 引言

盾构施工中为了便于管片安装,不可避免地存在盾尾空隙——盾壳与管片外缘之间的空隙。通常情况下,可以通过同步注浆的方式在盾构往前开挖推进的同时,进行同步的壁后注浆(硬性水泥砂浆或惰性浆),这是盾构施工中主动控制地层变形的重要环节。

为了实现壁后注浆的目的和满足盾构施工要求,除浆液的注入必须迅速、饱满地充填盾尾空隙外,壁后注浆的浆液工程特性必须满足下列要求:1)具有良好的充填性,且不易流窜到盾尾空隙以外的其他区域(不漏失到掘削面及围岩土体中去);2)浆液应具有良好的和易性和流动性,且离析少;3)浆液应具有适当的稠度,不易被地下水稀释;4)材料稳定性好,不易分层,以便能长距离压送;5)壁后注浆填充后,应能及早凝结约束管片,并且早期强度最好与原状土的强度相当;6)浆液硬化后的体积收缩率和渗透系数要小;7)无公害、价格便宜。其中,最为重要的工程特性是充填性、流动性、强度和收缩性能,满足这些工程特性是实现壁后注浆目的的关键。

目前,由于盾构施工中主要风险点在盾构端头加固、盾构始发和联络通道地基加固、施工。目前盾构施工中的重大事故也是在这一块。但是随着盾构施工穿越地面建筑物和地中构筑物(例如桥梁基础、已建隧道、地中管线等)的实例越来越多,引起结构物开裂的工程事故也越来越多,因此越来越引起各方的重视。

本文通过一个试验段,分析了不同类型的壁后注浆对地面变形的影响。

1 工程地质和水文地质条件简介

盾构穿越土层主要为晚更新世海陆交互相沉积层(4层和5层)。

试验段1盾构穿越地层为④-1a粉质黏土(1 m),④-1粉土(1.5m),⑤层粉质黏土～淤泥质粉质黏土(3.5 m)。

场地地下水有潜水和承压水两种类型。潜水稳定水位在地面下1.0 m～1.9 m。对盾构施工及以后地铁运营影响较大的含水层为④-1和④-2层土层构成的含水层组,即第一层微承压水,承压水头高程为1.51 m～1.65 m。场地分布的砂性土层,为不液化土层。

2 惰性浆液对地表沉降的影响

2.1 浆液配比

选用惰性浆液,其配比如表1所示。浆液的初凝时间为27 h。

表1 惰性浆液配比

2.2 监测方案

惰性浆液施工时地表沉降监测布置如图1所示。

2.3 地表沉降

100环布设的地表监测点得到的地表沉降如图2所示。

从图2中可以看出:

1)注浆参数黄砂量较少,缺少支撑盾构衬砌骨料支撑,虽然稠度经每环监测均符合9～11之间,但强度无法满足要求,衬砌脱出盾尾后沉降较大。2)80环～100环之间姿态较差,处于姿态调整期间,盾构刀盘切削土体扰动较大。3)部分管片拼装时发现漏浆现象,虽然在下一环推进过程中已进行补浆,但已经造成刚脱出盾尾的管片沉降较大。4)盾构处在干将河及驳岸中间,左右两侧土压力不均匀,容易致使盾构刀盘切口压力不平衡。5)地表沉降点位布设大部分在草地上,土质松软,人员流动较大,不排除人为踩踏影响。6)目前盾构在9.5‰的竖曲线推进,头部千斤顶顶力大于底部顶力,实际开挖面不是圆形而是椭圆,因此引起地层损失。

3 硬性浆液对地表沉降的影响

3.1 浆液配比

为了减小地表沉降,选用了硬性浆液,其配比如表2所示。浆液的初凝时间为8.5 h。

表2 硬性浆液配比 kg

3.2 监测方案

硬性浆液施工时地表沉降监测布置如图3所示。

3.3 地表沉降

从硬性浆液施工时地面隆陷与盾构掘进过程的关系可以看出:1)盾体前方普遍隆起较大,最大值达到4 mm,主要原因为掘进过程中推进速度过快,土压波动值大,以及土压设定偏高引起。2)管片脱出盾尾后沉降,主要原因为同步注浆量偏少造成,后期沉降加大,原因为未及时进行二次注浆。3)采用硬性浆液施工,地表沉降有较大的减少。这主要是由于硬性浆液初凝时间早,减少了浆液初凝前固结收缩,也就减少了地层损失,对于渗透性较大的地层,最好采用硬性浆液进行壁后注浆施工。

4 结语

通过以上分析可知,盾构施工在保持开挖面稳定的前提下,壁后注浆性能及种类对地层变形、地面沉降影响极大。采用惰性浆液施工时,最大地表沉降接近30 mm,加上后续沉降,可能突破30 mm,对周围环境带来不利的影响。通过严格控制盾构掘进参数,采用水泥硬化浆,地表累计沉降可控制在-20 mm,满足相关规范的要求。

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