微扰动注浆工艺在地铁保护中的应用

张 晨

上海隧道工程有限公司 上海 201108

随着我国城市化的发展， 开发利用城市地下空间已经成为扩大城市容量、提高土地利用率、优化空间结构并增强城市综合承载能力、促进城市可持续发展的重要途径[1]。然而，高水位软土地层中的深基坑工程会不可避免地改变地基土的原有应力场，从而改变周边建（构）筑的受力情况并导致其发生附加位移[2]。大量研究及实践均已表明，在隧道上部进行大面积堆载或在隧道周边进行深大基坑的卸载作业，对隧道结构的受力情况都会产生较大影响，改变隧道管片的结构受力情况，引起管片变形、漏水等一系列病害问题，威胁地铁运营安全[3]。

基坑开挖引起的隧道变形或位移一旦超过隧道结构的承载能力，隧道结构就可能会受到不可逆的严重破坏[4]。针对这种情况，以往工程中往往采用在管片预留孔内对隧道体周围流塑及软塑黏土层进行注浆加固的方式，来提高软土地基的承载力，改善隧道沉降变形。而实际工作中，在运营隧道内注浆受到列车运行、隧道结构界限要求等诸多因素的限制，因此，微扰动注浆作为一种处理效果好、对周围土体扰动小的新型灌浆技术，正在工程实践中被越来越多地使用[5]。

与传统的补偿注浆技术不同，微扰动注浆通过在地面开孔后插入注浆管，并通过特制设备监控注浆压力及浆液流量来实现对隧道周围土体的微扰动加固（图1）。然而，如何把握刘建航院士提出的“均匀、少量、多次、多点”的注浆原则，真正做到对地铁隧道的“微扰动”，仍需要更多的工程实践来探索和验证。

图1 微扰动注浆装置示意

1 工程概况

杭州某物业公司的项目规划用地32 214 m2，项目南侧邻地铁最近处为11.4 m，盾构顶离地面8.2 m。基坑围护设计分为南北浅深坑，深坑为地下3层3道支撑，浅坑为地下1层1道支撑（靠近地铁一侧），如图2所示。

图2 工程项目地理位置

受影响的区间盾构隧道结构基本位于饱和中密⑤粉砂和流塑⑥1淤泥质粉质黏土的交界面上。根据监测，基坑开挖范围附近隧道39—50环管片结构变形严重，最大收敛径长均大于设计控制值（60 mm），其中43环变形最为严重，达到64 mm（图3）。

图3 整治前隧道横向变形情况

2 注浆流程及参数选择

2.1 注浆流程

本次注浆范围为隧道两侧拱底标高以下1.5 m至拱底以上5.2 m，主要注浆流程如图4所示。施工时优先对变形大的区域及靠近基坑侧孔位进行注浆整治。同一断面内、外注浆孔宜同步施工，或采取梅花形路线进行内外侧注浆。同一排注浆孔位按照做1跳5施工。

图4 微扰动注浆流程

2.2 注浆参数选择

微扰动注浆工艺通过双泵将双液浆（水泥浆、水玻璃）打出，通过特制的混合器使得2种浆液充分混合后注入土体，填充、压密隧道下卧软土层，从而对土体进行加固。该工艺可以有效提高隧道周边土体的物理性能，改善管片的受力情况。为保证注浆效果并减少对隧道的扰动，根据早期工程实践经验并结合施工现场实际情况，确定水泥浆水灰比为0.7，水泥浆与水玻璃（35°Be′，模数28）体积比控制在2～2.5。单孔最佳注浆量根据式（1）计算确定（实际注浆量根据施工监测情况进行适当调整）。

微扰动注浆的理念是“少量、均匀、多次、多点”，在各孔注浆过程中，严格把握注浆参数是该工艺的核心，也是取得良好整治效果的基础。根据杭州地区的地质条件及早期施工的经验，本次注浆施工采用的其他主要参数为：水灰比0.7，水玻璃与水泥浆的体积比为1∶（2.0～2.5），注浆压力0.3～0.5 MPa，水泥浆流量14～16 L/min，水玻璃流量5～10 L/min，相邻孔位注浆间隔＞2 d。

3 结果与讨论

3.1 隧道变形分析

现有运营地铁隧道多为预制混凝土管片和高强螺栓连接的盾构隧道，对变形较为敏感。随着基坑开挖，隧道管片收敛变形及沉降均逐渐加剧，与早期研究结论一致[6]。截至施工前，受影响隧道沉降已达到－14.1 mm，全断面水平径向变形最大已达到66.8 mm，较图3更为严重。

环缝错台导致的剪切变形及纵向变形导致的张开量等，会影响环缝的渗漏水及纵向螺栓处的混凝土破损等。根据相关研究及工程经验，当椭变径向变形达到62.4 mm左右时，螺栓开始屈服。据此，受基坑开挖影响，邻近隧道下行线区段共计有12环管片的椭变径向直径达到或超过椭变限制值，环向螺栓进入屈服范围，占比达到7.74%，严重影响隧道结构稳定及地铁运营安全。

3.2 注浆整治效果

由于本工程区域地质条件较差，并且考虑到对隧道管片整体性的保护，施工中将单次整治效果控制在－3 mm以内，以减小对运营隧道的扰动。微扰动施工过程中，浆液使隧道周围土体开裂，对隧道产生侧向压力，导致管片水平方向受力增加。从监测数据来看，除50环外，整治前收敛变形量超过60 mm的管片最大收敛径长与标准圆差值均降低到60 mm以下，整治效果明显（图5）。

图5 整治前后隧道管片水平收敛情况

Liu等[7]学者对南京地铁2号线的微扰动整治研究表明：微扰动注浆对地铁水平收敛的影响除上述修正阶段外，还包含整治完成后隧道管片的回弹阶段，并且二阶段的回弹量可以达到一阶段修正总量的30%。

然而，本次施工中，经过一段时间的稳定，隧道管片的回弹并不明显，这可能是因为：本次注浆整治范围较小（24环），而注浆孔数较多（96孔），且每次注浆量较少，因此对整治区域的地质改良加固效果较好，限制了施工完成后的管片回弹。

4 结语

本文通过采用微扰动注浆工艺对受基坑开挖影响，而产生变形的隧道进行整治，表明：微扰动注浆工艺可以有效加固管片周边土体，改善隧道的受力情况；对于隧道管片的收敛变形，微扰动注浆整治效果明显，对变形较大的隧道有较好的改善、加固作用；通过对施工参数、过程的控制，可以在一定程度上减少施工完成后隧道管片的回弹情况。

然而，微扰动注浆工艺还存在一些问题需要进一步探究：虽然通过控制施工参数及流程可以在一定程度上减少施工完成后的管片回弹，但其具体机理仍是不明确的；对于变形大的管片，仅采用微扰动注浆很难将其变形完全控制，而一旦过量注浆还可能引起隧道内冒浆、掉块、裂缝加剧等情况，对于这种变形严重的管片可能需要联合其他工法对隧道进行保护加固。