盾构工程地表沉降控制系统的开发

2021-02-23

建筑机械化 2021年1期

（中铁高新工业股份有限公司，北京 100070）

近年来，盾构法作为城市地铁隧道施工的一种主要施工方法已在世界范围内得到了广泛的应用，由施工引起的地表沉降则越来越受到业界关注。一般认为，施工降水措施、盾构开挖扰动、管片环承压变形、盾尾空隙填充不足是由施工引起地表沉降的主要原因。针对盾尾空隙填充不足导致的地表沉降，张恒等以具体工程为依托，通过数值模拟和现场监测表明地表沉降随着注浆量及注浆压力的增大而减小。黄恒儒等对由于向盾尾隧道外空隙注浆不及时、注浆量不足、盾尾漏浆等导致的地层损失影响进行了分析，并提出严格壁后注浆的控制要求。陈广亮系统分析了超前注浆、同步注浆和补充注浆3 种方式改善砂卵石地层物理力学性能的机制，并介绍了不同注浆方式的注浆方法和参数，认为通过各阶段的注浆能够有效地控制盾构法施工引起的地表沉降。江玉生等从注浆量、注浆压力、浆液质量着手结合实例分析论证了同步注浆对控制地表沉降的影响和关系。

综合而言，通过控制壁后注浆来影响地表沉降是一个综合性问题，既与施工控制措施有关，也与盾构本身的注浆系统有关。

本文主要从盾构的设计角度，研究了一种盾构壁后注浆地表沉降控制系统，并通过试验确认了该系统针对砂质地层和黏土地层的沉降控制效果，验证了该系统的实用性。

1 系统概述

盾构工程地表沉降控制系统由压力保持装置和多个壁后注浆管组成，不仅能够自由切换注浆和清洗的管路，还可以不间断地向壁后注入注浆材料。该系统通过其中一个注浆管自动向壁后注入主要注浆材料（A 液），即使在管片拼装作业时，也能够将最佳压力连续施加到已填充的壁后注浆材料上（图1～图3）。

图1 盾构隧道断面图

图2 传统的壁后注浆

通过沉降控制系统，在掘进时或掘进停止进行管片拼装作业时，都能保持合适的壁后注浆材料压力，确保壁后注浆质量，最大限度控制地层变形，保证盾构施工安全。

图3 沉降控制系统

图4 为沉降控制系统的作业流程。该系统至少由两个壁后注浆管路（甲管路、乙管路）组成。掘进①的同时，通过甲管路注浆。在管片拼装①时，通过甲管路向壁后注入注浆材料或主要材料，对已经注入环隙的壁后注浆材料加压。与此同时，到管片拼装①结束为止，乙管路完成清洗①。掘进②中，通过乙管路进行壁后注浆，到掘进③开始之前甲管路完成清洗②。然后在管片拼装②时，通过乙管路进行壁后注浆。掘进③中，与掘进①相同，通过甲管路进行壁后注浆，在下一循环掘进前乙管路完成清洗③。测量壁后注浆材料压力的同时重复此作业流程，能够始终确保注入的壁后注浆材料的压力。

图4 沉降控制系统作业流程

2 验证试验

2.1 试验目的

目前，在盾构施工中，一般分为盾构掘进环节和管片拼装环节两个步骤，为有效论证管片拼装环节的地表沉降控制效果，我们制造了模拟尾盾和地层的试验装置，并在由砂质土和黏土构成的模拟地层中再现了盾构掘进时壁后注浆及盾构停止时的状态。试验分为2 种情况，一种是采用沉降控制系统，另一种是没有采用沉降控制系统，验证方法是通过测量安装在模拟地层中的沉降板的位移和试验装置中的壁后注浆压力，比较试验结果。

2.2 试验概况

1)试验装置图5 为试验装置原理图，装置由注浆管、土压计、沉降板、位移计、盾尾密封刷和油缸构成。图6 为试验装置照片。尺寸为800mm×800mm×1650mm，并在侧面的一侧安装了一块亚克力板，以便肉眼观察实际的壁后注浆状况。通过油缸可以将相当于尾盾的盾壳最大移动850mm，同时可以从尾盾注入壁后注浆材料。在盾壳上方200mm 处安装了2 个100mm×100mm 的沉降板，测量地表位移。另外，在试验装置的3 个位置和壁后注浆管附近的1 个位置（共计4 处）安装了土压计，以便可以测量壁后注浆材料内部的压力。

图5 试验装置原理图

2)试验用模拟地层模拟砂质土的地层是粒径0.15～5mm、含有砂、砾石的混凝土细骨料。模拟黏土的地层是非硬化性盾构用可塑填充材料。

3)试验用壁后注浆材料试验使用的是盾构工程中常规的壁后注浆材料。凝固时间在15s 以内，1h 后的单轴抗压强度为0.05N/mm2，28 天后的单轴抗压强度为2.00N/mm2。

图6 试验装置照片

2.3 试验顺序

表1 为实施的4 个试验及试验条件。油缸行程为850mm，在0～450mm 区间没有采用该系统；在450～850mm 区间采用该系统。通过向试验装置中的饱和土体施加0.4～0.5bar 的水压进行试验。油缸的顶推速度为50mm/min。壁后注浆条件是假设注浆材料没有渗入土体，且填充满注浆环隙。考虑到作用在装置内的水压（0.4bar）和模拟砂质土的重量，假设壁后注浆压力约为0.5bar；考虑到作用于装置内的水压为0.5bar 和模拟黏土的重量，假设壁后注浆压力约为0.6bar。

表1 4个试验（计划试验条件）

设定了壁后注浆压力的上限值和下限值作为该系统的系统设定压力。该系统根据装置内部压力的变动自动进行壁后注浆，当低于下限值时，开始注入，达到上限值时，停止注入。下限值是掘进刚停止时的壁后注浆压力，上限值是掘进刚停止后的壁后注浆压力+0.03bar。

在各区间掘进之后，设定掘进停止时间直到沉降板的位移变得稳定为止，约为30min（以实际测量结果为准），并且测量掘进期间和掘进停止后沉降板的位移和各种压力。

2.4 砂质土条件下的试验结果（试验1和试验2）

表2 为测量结果，表3 为沉降板1 的位移量。

表2 测量结果（试验1、试验2）

表3 沉降板1的位移量（试验1、试验2）

1)壁后注浆填充率如果将壁后注浆填充率的计划值看作100%，在试验1 中，壁后注浆填充率为102%；在试验2中，壁后注浆填充率为103%。

2)沉降板的位移油缸行程、壁后注浆材料流量和地层位移随时间推移发生变化。关于沉降板的位移，在试验1 中，掘进过程中的沉降为10.8 mm。掘进停止后，进一步沉降了8.8mm，直到测量完成为止，总沉降量为19.6mm。在试验2 中，掘进过程中的沉降为11.6mm，掘进停止后，启动运行沉降控制系统，通过壁后注入A液保持压力，逐步隆起5.7mm，在试验结束时总沉降量为5.9mm。

3)壁后注浆管喷浆口压力壁后注浆管喷浆口压力和地面位移随时间推移发生变化。关于壁后注浆管喷浆口压力，在试验1 中，掘进停止后压力呈波浪形变化，但压力逐渐降低至0.53bar。在试验2 中，掘进停止后由于系统运行而使压力交替地上升和下降，但是可以确认压力保持在设定的下限值0.55bar 以上。

2.5 黏土层条件下的试验结果（试验3和试验4）

表4 为测量结果，表5 为沉降板2 的位移量。

表4 测量结果（试验3、试验4）

表5 沉降板2的位移量（试验3、试验4）

1）壁后注浆填充率试验3的壁后注浆率为101%；试验4 的壁后注浆率为123%。在试验3 中，黏土发生龟裂和沉降导致壁后注浆填充率低。在试验4 中，壁后注浆填充率增加至120%。

2)沉降板的位移油缸行程、壁后注浆材料流量和地层位移随时间推移发生变化。关于沉降板的位移，在试验3 中，掘进过程中的沉降量为18.1mm；掘进停止后，进一步沉降了10.4mm，总沉降量为28.5mm。在试验4 中，掘进过程中的沉降量为5.4mm，掘进停止后，启动运行沉降控制系统，通过壁后注入A 液保持压力，逐步隆起3.6 mm，在试验结束时总沉降量为1.8mm。

3)壁后注浆管喷浆口压力图7 和图8 表示壁后注浆管喷浆口压力和地面位移随时间推移发生变化。关于注浆管喷浆口压力，在试验3 中，掘进停止后压力呈波浪形变化，变化范围为0.74～0.79bar。在试验4中，在掘进停止之后由于系统运行而使压力交替上升和下降，但是可以确认压力保持在设定的下限值0.75bar 以上。

图7 壁后注浆管喷浆口压力和地面位移变化（试验3）

图8 壁后注浆管喷浆口压力和地面位移变化（试验4）

2.6 试验结果分析

关于使用砂质土和黏土确定沉降控制系统有效性的试验结果研究如下。

1)砂质土在不采用沉降控制系统的情况下，掘进停止后产生了8.8mm 的沉降，在掘进停止后的45min 左右产生位移，位移量约为试验装置注浆环隙（90mm)的10%。另外，当掘进停止后，试验装置内部的注浆压力降低。这是因为在掘进停止之后注浆压力降低导致土体松动而沉降了8.8mm。在采用沉降控制系统的情况下，掘进停止后发生了5.7mm 的隆起。通过运行该系统，壁后注浆材料的主要材料总共被注入了8 次。在试验条件下，由于埋深较浅，因此上覆土荷载较小，地表壁后注浆压力反应敏感，从而导致隆起。在实际施工现场，埋深较大，通过适当调整设定压力，认为不会发生地表隆起。

2)黏土在不采用地表沉降控制系统的情况下，在掘进停止之后发生了10.4mm 的沉降。在掘进停止后约20min 内发生位移，位移量约为试验装置注浆环隙（90mm）的12%。另外，在不采用沉降控制系统的情况下维持了装置内部的注浆压力。这与使用的试验装置结构以及试验中使用的模拟土体的特性有关。因此，10.4mm 的沉降被认为是地层松动造成的。在采用地表沉降控制系统的情况下，在掘进过程中发生了5.4mm 的沉降，在掘进停止后产生了3.6mm 的隆起。通过运行该系统，壁后注浆材料的主要材料总共被注入了两次。在该试验条件下，认为与砂土相同，由于埋深小，所以上覆土荷载小，并且地层对壁后注浆压力敏感反应，从而引起隆起。在实际施工现场，埋深较大，而且通过适当调整设定压力，认为不会发生地表隆起现象。因此，在砂土和黏土地层中，认为能够通过适当调整系统的设定压力来抑制地面的沉降和位移（图9）。