地铁盾构施工同步注浆加固质量的控制

苏 伟，吴纯奇

（佛山市铁路投资建设集团有限公司 佛山市城市轨道交通三号线发展有限公司，广东 佛山 528000）

盾构机掘进管片脱出盾尾后形成盾尾环形间隙，此时管片壁后的围岩处于一种无支护的状态，若壁后同步注浆加固质量较差，围岩就会因应力释放产生不均匀的应力分布，使岩体产生位移，从而引发地面建筑物、构筑物的沉降变形或隧道偏移[1-2]。反之，若壁后同步注浆加固质量较好，注浆体可起到临时支撑的作用且强度上升到一定程度可与管片共同抵御围岩的应力变形，并与围岩结合成一个整体，重新形成一种新的应力平衡体，防止地层沉降。

1 工程概况

美旗站—水口站区间起止里程为DK38+412.484～DK40+388.785，该区间采用两台泥水、土压双模式盾构机，其直径为6 490 mm，隧道衬砌混凝土管片外径为6 200 mm、内径为5 600 mm、厚度为300 mm、宽度为1 500 mm。区间线路纵断面呈“V”字型节能坡形式，隧道覆土8.2～27.9 m。由于区间线路穿越软弱、富水地层及高层建筑物，因此该施工项目对盾构机掘进和同步注浆加固质量要求较高。

2 影响同步注浆加固质量的因素分析

2.1 注浆材料及其配比

注浆材料及其配比不同，形成的浆液在强度、流动性、填充性、凝结时间、收缩率等方面存在较大差异，直接影响同步注浆加固质量。若注浆材料及其配比选择不当，则同步注浆加固质量较差，浆液就起不到稳定管片的作用，导致管片上浮或下沉，可能会引起施工安全方面的问题。

2.2 同步注浆量

盾构掘进过程中管片脱离盾尾，从而在管片壁后形成较大的环形间隙，该环形间隙需要注入浆液进行填充[3-4]。若同步注浆量不足，管片壁后的环形间隙不能被充分填充，管片与浆液无法充分结合，不能形成一体化支撑结构，从而不能约束地层产生位移，在易扰动地层中容易出现地表下沉现象，引起路面开裂、管线破损、建筑物沉陷等安全问题。若同步注浆量超过原有环形间隙的土体体积，在注浆压力远远超过该位置的静止水土压力时，易引起地表隆起等安全问题。

2.3 同步注浆压力

同步注浆地层中浆液压力应大于该点的静止水压与土压力之和，但浆液压力又不能过高[5]。若注浆压力过高，可能会破坏围岩原有土体的稳定结构，严重时将导致地表隆起变形，甚至在软土浅埋地层中会出现冒浆的情况。同时管片也可能因注浆压力过高产生应力集中现象，导致管片错台、变形，影响管片的成型姿态。若注浆压力过低，浆液填充速度慢，填充路径短，无法延伸到地层间隙中，造成管片与浆液包裹体或浆液与土层之间存在间隙，在地层应力释放的过程中易引起地表沉降和变形等问题。

2.4 同步注浆施工流程

同步注浆施工流程的合理性是保证注浆施工质量的关键。同步注浆施工流程是根据工程实践总结出来的，不一定适应所有的施工环境，其施工流程还应根据具体的施工环境进行优化与提高。科学合理的施工流程能够提高生产效率和质量，而照搬原有的施工流程不一定符合预期的施工要求，甚至会起到相反的作用。

3 同步注浆加固质量的控制

3.1 同步注浆材料选择的确定

注浆材料应根据工程地质条件、隧道条件和工程环境进行选择，同时注浆材料应满足强度、流动性、填充性、凝结时间、收缩率等施工要求[6]。本研究通过对水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆两种注浆材料的性能进行对比（见表1），发现水泥-水玻璃双液浆流动性差，极易导致堵管且价格较贵；相比之下，水泥单液浆具有填充性好、强度高、收缩率低、价格便宜等优势。考虑到施工的安全性、经济性、地层的适应性等因素，本研究采用工程技术较成熟、应用较普遍的水泥单液浆作为同步注浆材料。

表1 两种常见的同步注浆材料的性能比较

3.2 同步注浆材料配比设计的确定

注浆材料配比的准确性直接影响浆液的性能，选用最优的配比可以较明显地改善浆液性能，提高管片的背后注浆质量[6]。鉴于浆液的填充性、流动性、凝结时间、固结强度是影响管片背后注浆加固质量的关键因素[7-9]，本研究将浆液的填充性、流动性、凝结时间、固结强度作为判断浆液配比准确性的主要指标，通过调整单位体积水泥单液浆不同材料的配比进行浆液的性能测试，并最终确定满足最优性能的同步注浆材料浆液最优配比。

3.3 同步注浆量的确定

3.3.1 注浆量的理论计算

同步注浆用来填充盾构机的刀盘与管片外径所产生的环形间隙，因此理论注浆量应等于环形间隙的体积，本研究采用的理论计算公式为

式中：V为理论环形注浆量；L为环宽；D1为开挖直径；D2为管片外径。

3.3.2 注浆量的经验修正

由于盾构机穿越的地层较为复杂，盾构掘进过程中理论出土量与实际出土量存在偏差，所以根据施工经验，一般盾构机每环的实际出土量应控制在理论值的95%～110%，而实际注浆量的大小应根据实际出土量调整为理论值的1～1.25倍，以补充围岩间隙，使同步注浆量能够充分地填充环形间隙。本研究根据现场测试，确定实际注浆量随实际出土量的变化关系，并得出对应的调整系数，再结合注浆量的理论计算公式，得出注浆量的经验修正值。当然，具体的调整系数还应结合地层、注浆压力、管片成型质量等来综合确定。

3.4 同步注浆压力的确定

3.4.1 注浆压力的理论计算

隧道同步注浆地层中浆液压力应大于该点的静止水压与土压力之和，因此本研究首先计算出理论注浆压力。理论注浆压力的公式为

式中：p为理论注浆压力值；p1为地下水压力；p2为静止土压力；p3为变动土压力；h为地下水位以下的隧道埋深；Ko为静止土压力系数；γ为土的容重；wγ为水的容重；1h为每层土的地下水位埋深；0h为不含水层的厚度。

3.4.2 注浆压力的经验确定

由于隧道掘进穿越的地层土质及地下水埋深等施工参数不同，所以采用理论计算公式确定的注浆压力只能代表某一点的情况，不具有普遍适用性。为确保注浆压力的合理性，本研究采用理论计算的注浆压力作为盾构区间节点控制值，掘进过程中根据盾构机注浆压力控制室反馈的数据进行适当调整，实现注浆压力随掘进进度动态调整。根据施工经验可知，最终注浆压力是在理论计算的注浆压力基础上再增大20～100 kPa，下部每孔压力比上部每孔压力大500～1 000 kPa。

3.5 施工流程的质量控制

施工流程的质量控制是保证施工质量的关键。为提高隧道区间的同步注浆质量，本研究从注浆系统和注浆分析两方面进行控制，根据同步注浆流程和每个环节的质量控制指标可知，美旗站—水口站区间前100环成型隧道质量验收是合格的，满足施工质量要求。同步注浆施工流程如图1所示。

图1 同步注浆施工流程

4 结论

本研究在分析盾构同步注浆目的的基础上，从同步注浆材料选择、主要技术参数设定、施工流程优化等方面进行综合控制，确保同步注浆每个环节的施工质量，分析得到以下结论：

1）水泥单液浆适用于软弱、富水地层，具有填充性好、强度高、收缩率低、价格便宜、工艺成熟等优势；

2）同步注浆量和注浆压力应以理论计算为基础，并应根据施工经验进行适当调整，一般为在理论值基础上再增大20～100 kPa；

3）从注浆系统和注浆分析两方面进行施工质量控制，按照所设计的同步注浆流程和相应环节的质量控制标准，可提高同步注浆加固质量。