盾构隧道管片壁后同步注浆的机理与方法探讨
2020-01-15关占印中铁工程装备集团盾构再制造有限公司天津300450
关占印（中铁工程装备集团盾构再制造有限公司 天津 300450
刘天成（中铁十一局集团第五工程有限公司 重庆 400037
乔清源（中建隧道建设有限公司 重庆 401320）
0 引言
地铁隧道工程具有隐蔽性，不确定性影响因素多样复杂，施工可能会引起地表沉降或隆起，进而影响到近接建筑物和构筑物，壁后同步注浆可以有效控制盾构隧道施工引起的地表变形和保障周边环境安全。
在盾构隧道壁后注浆研究方面，叶飞等[1]综述了盾构隧道壁后注浆的研究现状和未来的发展方向，指出当前对注浆效果的评估和注浆参数控制的应用研究还有待加强。蔡德国等[2]通过室内模型试验系统研究了砂性地层盾构隧道壁后注浆浆体扩的散机理。黄宏伟等[3-4]介绍了盾构隧道壁后注浆分布的探地雷达探测方法，并用模拟试验对注浆效果进行了解释。这些研究对盾构隧道壁后注浆研究具有一定的理论参考价值，结合盾构隧道开挖引起地层变形的过程、理论分析和工程应用实例，对隧道盾构管片壁后同步注浆的具体方法进行论述，以期为有效控制地铁盾构隧道施工引起岩土体变形和保障周边环境安全提供借鉴。
1 盾构施工引起地表沉降的时空效应
1.1 时间效应
根据盾构法隧道各个施工阶段影响因素的不同，可以把隧道施工引起的地表沉降细分为以下5 个阶段：
1.1.1 预沉降阶段
当盾构隧道开挖达到预先设定的监测断面之前，盾构开挖会扰动前方岩土体，产生地表沉降量极小，地质条件较好的隧道施工前期地表甚至是零沉降。预沉降阶段的地表沉降影响区主要受岩土体的水文地质条件控制，地下水下降和隧道上部覆土层厚度增大时，岩土体固结沉降会最终引起地表沉降。
1.1.2 掌子面附近地表沉降阶段
当盾构隧道开挖的掌子面正好下穿过监测断面时，盾构掘进参数设置不当引起掌子面的岩土体失稳、隧道掘进后岩土体的初始应力减小、岩土体产生塑性变形等原因，都会导致地表产生沉降或隆起。正常情况下，前期地质勘查设置的盾构土压力F1 应抵消掌子面处的水土压力之和F2。当F1
1.1.3 盾构穿过沉降阶段
从盾构刀盘通过监测断面开始，到盾尾穿过监测断面结束过程中，盾壳外径和刀盘外径不同，以及盾壳与岩土体之间的剪切作用，都会扰动周边岩土体，引起地表沉降。
1.1.4 注浆填充沉降阶段
为减小盾构推进的阻力，刀盘尺寸一般略大于盾构外壳尺寸，盾壳的外径又大于盾构管片外径，当管片脱离盾尾时，若注浆不及时，建筑空隙就会被周围的岩土体填充，产生较大的地层损失，在地表处产生沉降变形。可以通过控制同步注浆的压力和浆体填充率等参数来降低地层损失。
1.1.5 后期沉降阶段
表现为固结沉降和蠕变残余变形沉降，主要由前期盾构掘进时对周围岩土体的扰动和地层降水固结引起的，约占总地表沉降量的5%～30%。
1.2 空间效应
当盾构推进时，盾构法隧道施工引起的地表沉降在空间上表现为三维分布，具体有以下特点：
（1） 盾构刀盘前方和四周岩土体均可产生变形，隧道上部土层离盾构刀盘越近，地表沉降槽宽度越小。
（2） 盾构法隧道施工引起的地表沉降槽曲线在横断面上呈高斯分布，以隧道轴线为对称轴，两侧沉降逐渐减小。
（3） 地表沉降也随着隧道开挖，沿着纵向发展，地表沉降槽呈波浪形状。
（4） 在纵断面上不同位置的地表沉降，分布形式具有差异性，如盾构刀盘前方表现为拉伸区，后方表现为压缩区。
（5） 最终地表沉降值的大小主要与水文地质和埋深条件等影响因素有关。
2 同步注浆浆体与岩土体的作用机理
在注浆填充沉降阶段，受地质水文条件、施工工艺、注浆材料和注浆压力、注浆量、注浆速率等参数多种影响因素的耦合作用，同步注浆浆体在建筑空隙扩散的过程和机理复杂。按照浆体注入的时间，可以将盾构壁后注浆划分为3 种：同步注浆、二次补强注浆和即时注浆。其中，同步注浆，顾名思义，就是在盾构推进的同时，通过同步注浆系统和盾尾的注浆管向盾尾建筑空隙注入浆体，浆体最终和周围岩土体紧密接触，填充效果较好的浆体可以有效控制地层变形。
一般来说，同步注浆的浆体对周围岩土体的作用，在易坍塌的砂质土、含黏土少的砂、砂砾，以及土质较好的软黏土地层中以压密为主，在砂土地层中以渗透为主。不管是压密效应，还是渗透效应，浆体都会类似柱形孔向岩土体扩张，对岩土体产生径向附加压力，最终导致隧道围岩发生变形。此外，当注浆压力较大时，浆体会对周围岩土体产生劈裂效应。
3 盾构隧道管片壁后同步注浆的方法
结合上述盾构施工引起地表沉降的时间效应和空间效应，以及注浆填充沉降阶段浆体与岩土体的作用机理，以某土压平衡式盾构在泥岩砂岩互层地区施工为例，重点对盾构隧道管片壁后同步注浆的方法进行论述。
3.1 注浆材料和配比
土压平衡式盾构在开挖软硬交替的泥岩砂岩互层时，盾尾管片外壳与地层之间会形成环柱状宽度为115～140mm 的建筑空隙，为避免管片周围岩土体产生过大松动或坍塌，引起地表沉降，需要采用结石率>95%（固结收缩率<5%）、固结体强度>0.2MPa/天（>2.5MPa/28 天），以及耐久性好和防地下水侵蚀的水泥砂浆进行同步充填，其中，水泥为耐腐蚀性好的42.5 级抗硫酸盐水泥，根据施工经验，给出表1 同步注浆材料的配比范围，在实际施工过程中，可以根据地层和地下水变化以及周边环境等，不断对注浆材料的配比进行适当调整。
表1 同步注浆材料配比范围
3.2 关键技术参数
当盾构在硬质砂岩地层掘进时，盾构土仓应保持空仓，注浆压力、刀盘转速、贯入度和掘进速度分别控制在0.8～1.5bar、1.7rpm、1cm、10～30mm/min 范围内，每环注浆量应大于6m3；当含水量较大时，土仓的渣土应采用膨润土进行改良，增加油脂和水泥用量。当盾构进入软质泥岩地层时，上土仓压力控制为0.05～0.08Mpa（覆土10～17m＞1 倍隧道直径D=6.2m）；当盾构掘进上软下硬地层时，上土仓压力、刀盘转速和掘进速度分别控制为0.03Mpa、1.7rpm、10～30mm/min，掘进推力小于1 600t；当盾构掘进上硬下软地层时，刀盘转速可控制为1.8rpm。
3.3 同步注浆流程
当土压平衡式盾构掘进时，注浆可按同步注浆流程进行施工。
4 结语
结合盾构隧道开挖施工引起地表沉降的时空效应和同步注浆浆体与岩土体的作用机理，以某土压平衡式盾构在泥岩砂岩互层地区施工为应用实例，论述隧道盾构管片壁后同步注浆过程中的注浆材料和配比、关键技术参数以及同步注浆流程。
