盾构隧道壁后注浆试验的研究现状与发展

韩 鑫，叶 飞，何 彪，赵 猛，应凯臣

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

随着城市人口的不断增长，交通拥堵日益成为城市发展的重要问题。目前，城市轨道交通是解决这一问题的重要手段之一。根据中国城市轨道交通协会的统计数据[1]，2017年北京累计完成客运量37.8亿人次，日均客运量1 035万人次，居全国首位；西安累计完成客运量6.05亿人次，日均客运量165.8万人次，居全国第13位。由此可见，城市轨道交通正发挥着越来越重要的作用。在城市轨道交通的各类线路中(地下、地面、高架)，地下线是其重要的组成部分。由于城市地下线的建设大多在城市内，盾构工法以其施工效率高、对周边环境影响小而被广泛应用在城市地下线的建设中。

盾构隧道的建设主要是通过盾构机这一具有掘削、临时支撑、拼装管片等作用的综合设备进行施工。在盾构隧道施工过程中，壁后注浆是其中较为关键的施工技术。针对盾构隧道壁后注浆施工过程，黄宏伟等[2]通过地质雷达探测了壁后注浆浆液扩散特征；Hashimoto等[3]、Bezuijen等[4]通过在管片衬砌上安装压力盒等检测仪器，分析壁后注浆在管片表面产生的压力；叶飞[5]、李志明等[6]研究了壁后注浆浆液的扩散特征，进一步阐明了浆液的扩散机理。

由于盾构壁后注浆具有一定的隐蔽性，室内模拟试验成为认识盾构壁后注浆浆液扩散特征的重要方式。目前国内外学者已开展了一些壁后注浆的模拟试验，本文试图通过对各类模拟试验的总结，分析其特征，为进一步开展相关试验研究提供参考。

1 盾构壁后注浆施工

壁后注浆作为盾构隧道施工过程中的关键施工技术，具有独特的施工工艺，可以实现掘进过程中的同步注浆、二次补浆等，能够及时填充盾尾间隙，控制地层变形，确保管片衬砌结构的受力等，因此该技术在盾构施工中具有重要作用。

1.1 壁后注浆施工工艺

根据注入浆液的位置，盾构隧道壁后注浆施工可分为盾尾注浆和管片注浆，盾尾注浆是通过盾壳内预制的注浆孔将浆液注入到盾尾间隙中，而管片注浆是通过管片中心预留的吊装孔，将浆液注入盾尾间隙，盾尾注浆和管片注浆如图1所示[7]。

图1 壁后注浆

盾尾注浆和管片注浆是2种不同的注浆施工技术，因此其施工操作难易性、灵活性、注浆效果等方面具有差异，2种施工工艺的优缺点如表1所示。

表1 盾尾注浆及管片注浆的优缺点比较

由于管片注浆和盾尾注浆的差异性，在盾构施工中这2种不同的注浆方式具有其对应的应用场景。盾尾注浆主要是在盾构掘进过程中通过管片注浆孔进行同步注浆，能够及时填充管片和地层之间的间隙，有效控制隧道周边地层的变形；管片注浆主要用于二次补浆，针对管片背后局部不密实的地层，通过螺栓孔补充浆液，为盾构隧道控制地层变形提供一种补救措施。

1.2 壁后注浆的作用及影响

盾构壁后注浆的主要作用可以概括为以下几个方面[8-9]。

(1)阻塞渗水通道，提高盾构隧道抗渗效果。

(2)充填盾尾间隙，缓解地层变形。

(3)充填地层空隙，提高地层骨架承载能力。

(4)使管片受力均匀，避免应力集中。

(5)固定管片位置，避免管片漂移。

(6)改善地层性质，减少扰动沉降。

(7)均匀包裹管片，缓震减冲。

盾构壁后注浆不仅可以提高地层的抗渗性、缓解地层变形、提高地层的承载能力等，还能固定管片位置，确保管片受力均匀，同时也能起到一定的减震作用。上述壁后注浆的作用主要是指壁后注浆完成后可以达到的预期效果，然而在壁后注浆施工过程中，由于注浆压力的施加以及盾尾间隙的不断产生，将对管片衬砌及周边地层产生一定的影响。

盾构壁后注浆施工过程对管片和地层的影响主要表现为：管片所受浆液压力过大时，将会导致管片错缝、破裂等；注浆量或浆液压力过大时，将挤压地层，导致地表隆起，注浆量或注浆压力过小时，将导致地表发生沉降变形。

目前针对壁后注浆施工过程，国内外学者通过现场实测、理论分析、模型试验等方法开展了大量的研究工作，其中模型试验是认识壁后注浆浆液扩散特征的重要手段。目前开展的模型试验大致可以分为两类：一类是模拟盾构隧道施工过程中，随着盾构掘进而同步进行的盾构壁后注浆；另外一类是开展局部注浆试验，选取盾构隧道外侧局部地层，分析施工参数对浆液扩散的影响。前一类模型试验可分析注浆施工对管片、地层的影响，属于现象方面的研究；后一类模型试验属于机理方面的研究，从浆液扩散机理方面提高对盾构壁后注浆的认识。

2 盾构注浆整体模拟试验

针对盾构壁后注浆施工对管片衬砌结构的影响以及对隧道周边地层的影响，开展盾构壁后注浆整体模拟试验。该类盾构注浆模拟试验，主要按照真实隧道的施工过程进行设计，随着盾构的不断推进进行同步注浆施工，通过在隧道衬砌结构上和周边地层中埋设测量装置，测量盾构壁后注浆的影响过程，同时也可以观察浆液在地层中的扩散过程。

董其昌等[10]设计了同步注浆模型试验系统，如图2所示，该系统包括试验箱、推进系统、注浆系统、监测系统。试验系统通过预埋直径为125 mm的长管模拟刀盘开挖轮廓，通过左侧直径110 mm短管的顶进、长管的逐渐顶出模拟盾构掘进，第一节短管由钢材料制成，并通过该节上的小孔模拟同步注浆。试验过程中，在箱体中央横断面等间距布置了位移计监测地表变形。通过该试验系统，作者分析了浆液配比和注浆量对地表位移的影响。

图2 同步注浆模型试验系统

李文涛[11]采用透明土代替天然土进行壁后注浆模拟试验，设计的试验系统由模型箱、推进系统、注浆系统、数据采集系统、数据分析系统组成，如图3所示。该试验系统和董其昌等提出的模型试验系统有一定差异，它是将管片预先固定在模型箱上，然后将盾构套在管片外侧，随着盾构拉出，管片逐渐脱出盾尾，形成盾尾间隙。盾构注浆的注浆管预置在盾壳内，随着盾构的推进同步进行盾尾注浆。

图3 基于透明土的同步注浆试验系统

该试验系统可较好地模拟管片逐渐脱出盾壳、隧道周边形成盾尾间隙并进行同步注浆的施工过程。数据采集过程采用激光器片光源成像，工业数字相机捕获图像，并通过后处理软件对图像的分析，较为准确地测试壁后注浆浆液扩散过程。通过该试验系统研究了级配均匀砂与细砂、同步注浆与未注浆、不同注浆压力对地层沉积及浆液扩散过程的影响。

张莎莎等[12]设计了盾构壁后注浆模型试验系统，同样由土箱、盾构系统、驱动系统、注浆系统和数据采集系统组成，如图4所示。其中土箱、管片、盾构模型如图5所示。

图4 壁后注浆模型试验平台

图5 土箱、管片、盾构模型

该试验所用的土箱尺寸较大，整体刚度较高，而且可在地表面加载，分析不同地层应力条件下的壁后注浆施工过程。模型试验系统采用玻璃树脂模拟管片，采用钢套筒模拟盾构机，与李文涛等设计的试验思路类似，随着盾构机的掘进，盾尾间隙形成，同时进行壁后注浆施工。试验过程中，通过管片表面埋设的压力盒测试管片所受到的浆液压力，通过视频监测装置分析浆液的扩散过程。采用该试验装置可施加较高的注浆压力，模拟不同的地层应力水平，因此该试验装置可较为真实地模拟盾构壁后注浆施工过程。

杨鹏博[13]针对隧道下部注浆孔浆液的扩散过程设计了模型试验系统，该试验系统由模型箱、注浆系统、地下水模拟系统、数据测试及处理系统组成，如图6所示。该试验系统模型箱中采用2层有机玻璃模拟管片和盾壳，其中管片固定在模型箱中，盾壳可以移动，并在盾壳上设置了注浆孔，通过该注浆孔可进行同步注浆。在试验过程中，随着盾壳的移动，在管片和地层之间形成盾尾间隙，通过同步注浆逐渐填充盾尾间隙。在地层中埋设土压力盒和孔压计，可测试浆液扩散过程中地层的压力和孔隙水压力分布。通过该试验系统，研究了注浆方式、注浆压力、浆液水灰比、地层分维数对浆液扩散过程的影响。

图6 浆液扩散试验装置平面布置

根据上述对同步注浆模型试验的分析可以看出，该类模型试验主要是对实际工程施工过程进行模拟分析，即随着盾构的掘进，管片衬砌逐渐脱出盾尾，在管片和土层之间形成盾尾间隙，并通过注浆孔进行注浆。在该类模型试验中，主要分析了浆液扩散特征、管片所受浆液压力、地层的变形等。

该类模型试验从较为宏观的角度分析了盾构壁后注浆浆液扩散过程及其对管片和地层的影响。通过该类模型试验可以直接分析盾构施工的动态过程，为科学研究和工程建设提供有参考价值的资料。

3 盾构注浆局部扩散试验

针对盾构壁后注浆扩散过程开展的另一类试验，主要是对浆液扩散机理的分析，通过选取隧道周边局部地层进行注浆试验，分析浆液的扩散机理。

Bezuijen等[14]对一直径为9.5 m的盾构隧道管片所受的压力进行现场实测，发现管片所受压力随着盾构的掘进而增加，随着盾构的停机而减小。当盾尾通过测试断面后，盾构掘进过程中的壁后注浆施工对前期已完成注浆的管片环仍有影响，即盾尾通过后，测试断面管片所受压力仍有变化，但管片所受的压力总体上随着盾构的掘进而逐渐减小分析认为，产生该现象的原因主要是浆液注入地层后发生固结，选取隧道周边局部地层放大，浆液的固结过程如图7所示[15]。

图7 浆液固结机理

Bezuijen等[15]设计了浆液固结试验，如图8所示，试验设备如图9所示。该试验系统通过压缩空气提供压力(可提供30～300 kPa的压力)，通过测量集水箱中的排出水量分析浆液的固结过程，注浆完成后，通过测试地层的剪切强度，分析注浆对地层的加固效果。

图8 浆液固结试验

图9 浆液固结试验设备

梁精华[16]针对壁后注浆完成后浆体的硬化、变形过程设计了试验装置，如图10所示。该试验系统假设浆体固结过程中浆体压力不变，并通过在活塞上方砝码堆载模拟浆体压力，试验过程中测试浆体渗出的水量。通过该试验系统分析了浆体压力和注浆材料对注浆体固结过程的影响。

图10 浆液恒压扩散装置

梁精华在浆体恒压固结试验的基础上设计了如图11所示的试验装置[17]，该试验装置由三部分组成：注浆系统、单元体系统、量测系统。该试验系统通过注浆系统提供注浆压力和浆液；单元体系统的下部安装有千斤顶，可以使土体具有一定的初始应力；单元体内土体上方有预留孔隙，模拟盾尾间隙，在该预留孔隙内放置气囊，可以使地层保持一定的初始应力；同步注浆过程中，气囊注浆排气，模拟同步注浆过程。通过该试验装置研究了注浆完成后浆液压力随时间的变化过程，分析了所施加的注浆压力、地层条件对浆液压力消散过程的影响。

图11 浆体变压注浆装置

袁小会等[18]针对注浆体固结变形过程设计了如图12所示的试验系统，该系统在图10所示系统的基础上增加了百分表、孔压计，以监测堆载体的下沉量和注浆体内的孔隙水压力，并增加了地下水压系统，使注浆体内可保持一定的孔隙水压力，较为准确地分析注浆体内孔隙水压的变化。

图12 浆体固结变形孔压测试试验

盾构壁后注浆局部试验主要针对注浆体固结变形机理、注浆体压力消散等过程进行了试验研究。试验中考虑盾尾间隙、浆液、地层3个主要因素，通过提供约束条件，使浆液地层内具有一定的压力，并监测注浆体、地层内的压力以及孔隙水的排出量，分析注浆体的固结过程和压力消散过程。

4 结 语

通过对壁后注浆室内模拟试验进行总结，分析了目前已有的各类试验装置的主要组成特征以及可开展的研究内容，对进一步开展壁后注浆室内模拟试验具有一定的参考价值。根据上述分析，主要可得以下结论。

(1)分析总结了壁后注浆施工工艺、注浆的作用及其影响，根据试验研究的对象，将壁后注浆模拟试验研究分为整体模拟试验和局部模拟试验。

(2)盾构壁后注浆整体模拟试验的研究对象为实际施工过程，根据相关模型试验理论，建立盾构掘进、管片脱出、壁后注浆的盾构掘进和注浆的动态模型。通过设置位移计、压力盒、孔压计等监测仪器，分析壁后注浆施工过程中的地表沉降、地层及管片受力、地层内孔隙水的变化等，采用透明土代替天然土，结合相关设备可分析浆液扩散距离、地层位移情况等。

(3)盾构壁后注浆局部模拟试验的研究对象为隧道周边局部地层中盾尾间隙、注浆体、地层的相互作用关系，该类模型试验装置也主要由这三方面的因素组成，局部模拟试验主要分析了注浆体的固结过程和注浆体压力消散的过程。

(4)目前，壁后注浆的室内试验主要是通过压力盒、孔压计等手段进行测试，分析浆液和管片的受力情况，进而说明浆液扩散特征，针对浆液扩散的细观、微观研究较少，虽有部分学者开展了相关研究，但主要是针对岩土工程，对盾构隧道施工的特征分析不足，需进一步考虑盾构隧道壁后注浆浆液扩散的微细观特征。