兰州地铁穿越黄河段盾构隧道施工注浆压力研究

李春清，梁庆国，马晓波

(1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州 730070;2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070;3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

国内外大多数位于透水地层(如砂、砂砾地层)中且处于河(海)底下的隧道均采用泥水加压式盾构施工，其施工经验丰富，技术成熟。泥水加压式盾构适应范围广，对于软弱的淤泥质土层、松动的砂土层、砂砾层、卵石砂砾层、砂砾和坚硬土的互层等均适用，如上海延安东路复线隧道、日本神田川地下调节池隧道、日本隅田川复线、日本东京污泥处理厂连接隧道等均是采用较大直径泥水加压式盾构施工［1］。由于兰州地铁穿越黄河段地层主要由上下两层卵石构成，因此，兰州地铁也拟采用泥水平衡盾构法施工，围岩注浆拟采用同步注浆。因此，确定合理的注浆压力是保证围岩稳定和施工安全的关键问题之一。

1 工程概况

兰州地铁穿越黄河共有2段，分别为奥体中心—世纪大道区间和迎门滩—马滩区间。在这两个区间的钻探结果表明，穿越黄河段地层主要有上下两层卵石构成。其中，奥体中心—世纪大道区间2～10卵石层平均厚度12.165 m，卵石含量约55% ～60%，3～11卵石层平均厚度28.568 m，卵石含量约55% ～70%;迎门滩—马滩区间2～10卵石层平均厚度7.18 m，卵石含量约50% ～55%，3～11卵石层平均厚度34.54 m，卵石含量约55%～60%。

2 注浆目的

盾构施工中壁后注浆的目的包括4个方面:①控制隧道周边地层松动，防止地层较大位移及坍塌;②稳定已拼装成形的管片，使作用于管片上的油缸推力顺利传递至地层中;③作为隧道防水系统的第一道屏障，防止地下水渗流到隧道内部;④作为隧道衬砌结构的加强层，使其具有耐久性和一定的强度［2-3］。

3 注浆压力

3.1 注浆压力的经验值

注浆压力必须克服地下水压力、土压力及管道的摩阻力才能将浆液压注到盾尾空隙中，一般来说压力越大，衬砌与地层之间的空隙充填越密实，四周地层越稳定。但是注浆压力又不能过大，否则会产生以下问题:①大压力对周围土体产生劈裂注浆，更容易损坏盾尾密封;②压力过高会影响开挖面的稳定，也使地层隆起甚至浆液上窜至地面;③施工期间对衬砌管片的受力不利;④在注浆孔单一的情况下，易引起接头部位破坏;⑤危及防水性能发挥。注浆压力的最佳值应在综合考虑地质条件、管片强度、设备性能、浆液特性和开挖面土舱或泥水压力的基础上来确定。

日本盾构施工的经验表明，注浆压力一般在200～400 kPa，应考虑管片强度、土压力、水压力、泥水压力等，设定能完全充填的压力。若注浆孔的压力达到400～600 kPa，混凝土管片会发展开裂或K管片发生螺栓剪断［4-5］。国内盾构隧道工程实践中，为了保证盾尾空隙得到充分填充，曾特意尽可能用较高压力进行注浆，但是也出现过螺栓断裂甚至管片从顶部坠落的事件。

国外有关学者对盾构注浆压力与地表沉降量之间关系的研究表明:当注浆压力相当于隧道埋深处的地层应力时，对减少地层损失和地表沉降量效果最为显著。实践中可大致选择注浆压力等于地层阻力强度(压力)加上0.1～0.2 MPa，地层阻力强度因土层条件(土质的种类、土压力、承压水压等)及切削条件(泥水或泥水压力等)的不同而不同，通常为0.1～0.3 MPa。另外，与先期注入压力相比，后期注入压力要比先期注入压力大0.05～0.1 MPa。一般采取的是设定一个稍微偏高的注浆压力并同时进行注入量的控制。上海地铁盾构施工经验表明，注浆压力按1.1～1.2倍的静止水土压力取值，通常为0.3～0.4 MPa。

王梦恕院士则认为:注浆压力一般是根据开挖面的围岩及埋深情况计算的水土压力来确定，但还需根据盾构施工的实际条件确定注浆压力。施工时的注浆压力一般为0.1～0.3 MPa，有时为了减少地表沉降，采取较高的注浆压力，对此要特别加以注意，并应考虑对隧道周边的软弱围岩的扰动从而产生的固结沉降［6］。国内其它类似卵石地层和水底隧道采用泥水盾构施工时采用的注浆压力及其相关参数汇总如表1。

表1 国内部分工程泥水盾构注浆参数汇总

3.2 注浆压力计算方法

注浆压力应在综合考虑地质条件、盾构机型、管片强度、注浆材料特性、地层沉降机理等情况的基础上进行选择。泥水平衡盾构同步注浆压力理论中，国外多倾向于取孔隙水压力+200 kPa左右，国内多取为开挖面水土压力+20 kPa左右，而土压力计算的理论公式及压力类型的选择每个工程不尽相同［5］。从表2中的经验数值看，北京地铁的经验是在泥水压力的基础上增加30～50 kPa，而其余工程则给出绝对数值在300～600 kPa之间，范围跨度较大，难以根据经验值给出适合兰州地铁工程地质条件和工程实际情况的合理数值，需要通过理论计算结合室内和现场试验予以确定。

图1 水压力与总压力相对比例

表2 注浆压力计算结果(c=0)

地铁隧道埋深一般在10～20 m，采用太沙基的土压力计算方法较为合理［5，7］。

3.3 注浆压力计算结果及分析

若取隧道拱顶距河床底部的距离分别为15，18，21，24和25 m，河水位取历史最高水位9 m，隧道直径D取6.0 m，衬砌厚度为0.25 m。由于衬砌厚度对结果影响甚小，计算时可不考虑。

图1为围岩黏聚力不同的情况下孔隙水压力占总压力的比例。从图1可以看出，随着黏聚力c的增大，孔隙水压力占总压力的比例也在增大;埋深增大时，孔隙水压力的相对比例也在增大。对于埋深为24 m的情况，顶部孔隙水压力占总压力比值可达87%以上，而底部也超过了85%以上。

根据太沙基理论水土分算的总压力主要由水压力组成，其比例至少在85%以上，这也为日本学者H.Mashimo的实测结果所证实，因此他们认为对于这种情况下的隧道衬砌受力，可只需考虑静水压力［7］。

图2 隧道侧向总压力

图2为不同黏聚力时隧道拱顶和底部侧向总压力。由图可知，黏聚力的影响很小，且随着黏聚力的增大，侧向压力呈降低趋势，但数值变化极小;而埋深则影响较大。埋深15 m时顶部侧向压力约270 kPa左右，底部则为350 kPa左右;埋深24 m时顶部侧向压力约为370 kPa左右，底部则为450 kPa左右。

3.4 建议注浆压力

1)考虑到埋深15 m和24 m时隧道顶部竖向压力PV分别约为136.3 kPa和180.0 kPa。若按照太沙基理论考虑总土压力的方法，在静水压力的基础上，参考北京地铁的经验值，提高30～50 kPa左右即可。

2)若按照仅考虑水压力模型的方法，埋深15 m时，隧道拱顶和底部的静水压力分别为235 kPa和295 kPa;埋深25 m时，拱顶和底部的静水压力分别为335 kPa和395 kPa。可在此基础上增加30～50 kPa作为注浆压力。

3)表2中的结果是按黏聚力c=0的情况计算的，是较为保守的算法。参数敏感性分析的结果也说明，黏聚力对土压力的影响相对较小，所以建议注浆压力可取两种方法计算结果的平均值。

两种情况下的建议注浆压力如表3，同时建议根据施工经验以及施工监测数据的反馈信息不断调整注浆压力参数，以期取得更好的注浆效果。

表3 建议注浆压力 kPa

4 结论

1)在注浆压力与隧道埋深处地层应力持平的情况下，按照太沙基土压力计算方法确定的总土压力以水压力为主，所占比例与日本学者实测结果较为接近。说明在类似地层中的注浆压力确定主要应考虑平衡处的孔隙水压力。

2)参数敏感性分析的结果说明，黏聚力对土压力的影响相对较小，所以建议注浆压力可取两种方法计算结果的平均值。

3)在隧道埋深15 m时拱部和底部的注浆压力分别为340 kPa和430 kPa，而埋深25 m时拱部和底部的注浆压力分别为420 kPa和520 kPa。

管片后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，宜采取以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法进行注浆试验，以确定合理的注浆参数。

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