地铁盾构隧道同步注浆地表沉降控制效果影响因素的现场试验研究*

颜 静 王 飞 付春青 刘 维 史培新

(1.苏州大学轨道交通学院，215131，苏州;2.苏州轨道交通集团公司，215004，苏州;3.北京住总集团有限责任公司，100101，北京∥第一作者，硕士研究生)

盾构法施工因其安全快速的优点，已广泛应用于各大城市地下隧道的修建。盾构法施工时，由于盾壳自身厚度、超挖等因素的影响，盾尾脱离管片后，地层与管片之间会形成盾尾间隙，土体将向这一间隙产生位移，从而引起地面沉降［1］。盾尾间隙一般在8～16 cm左右［2］，并随盾构直径的增大基本成线性增大。当隧道直径达到14 m以上时，盾尾间隙可达20 cm［3］。目前，通常采用同步注浆的方式填充间隙，以减小地表沉降。

为了达到良好的控制效果，需要合理地使用压浆系统，选择好注浆材料、注浆压力及注浆量等参数，且应按照施工工况，因地制宜进行调整。注浆浆液要有较好的填充性、流动性及抗离析性，且满足一定的早期强度、硬化后体积收缩率低等要求［4］。目前，同步注浆一般分为双液浆和单液浆两大类。其中，单液浆包括可硬性浆液和惰性浆液。同步注浆要求地层中的注浆压力大于该点的静止水压及土压力之和，避免注浆压力过大，做到尽量填补而不劈裂，一般控制在0.25～0.40 MPa。注浆量在实际工程中往往根据工程经验和监测数据来确定。在软土地层，注浆率一般介于180%～250%的范围内［5-6］。

现有对同步注浆地层沉降控制效果影响因素的研究手段多集中于数值计算［7-9］和理论分析［10-11］，通过现场试验开展研究的较少。但现场监测试验恰能真实反映隧道周边土体特性、同步注浆施工参数和地表沉降的实际情况。通过合理的现场试验设计所得出的沉降影响规律能更符合实际。本文依托苏州轨道交通1号线(以下简为“1号线”)隧道建设实例，选择与周边环境相似的区段建立注浆量、注浆压力、注浆材料等影响因素的现场试验段，结合现场监测数据，分析不同影响因素对同步注浆地层沉降控制效果的影响规律，提出合理的同步注浆施工参数，为后续类似地层盾构法施工提供有益参考。

1 工程概况

1号线呈东西走向，全长25.74 km，共设24个车站。隧道区间采用盾构法施工。盾构采用统一尺寸的土压平衡盾构机，外径为6.34 m，主长为8.58 m;衬砌管片外径为6.2 m，环宽为1 200 mm。

1号线沿线区域广泛分布有杂填土、黏土、粉土、粉质黏土及粉砂土等类型土。地表水常水位在1.10～1.30 m，其年变幅在1.0 m以内。盾构在富水软土中掘进时，施工参数难以控制，地表沉降容易超标。盾构掘进中通常采用同步注浆来控制地层损失引起的瞬时沉降。1号线主要采用惰性浆液和可硬性浆液作为同步注浆材料，材料用量如表1所示。

表1 1号线不同同步注浆材料用量Tab.1 Mix proportion of synchronous grouting materials for Line 1 单位:kg/m3

为研究同步注浆量、注浆压力、注浆材料等参数单因素变化对地表沉降控制的影响，在1号线选择隧道线形、地层分布及周边环境等条件相似的试验段进行现场试验。在单个区间中，随盾构掘进距离加大，隧道线形、穿越地层、埋深等均会发生较大变化，故试验段在多个区间中选取。

2 现场试验

在1号线沿线选取3个试验段，分别进行注浆量、注浆压力和注浆材料等参数对地表沉降影响规律的现场试验研究。各试验段同步注浆施工参数如表2所示。

表2 1号线各试验段同步注浆施工参数Tab.2 Construction parameters of synchronous grouting in each test section on Line 1

如图1所示，试验段Ⅰ位于汾湖路站—玉山公园站区间;试验段盾构共掘进60环(340～400环)，其中，R340—R360环注浆量为2.6～2.8 m3/环，R361—R380环注浆量为3.2～3.6 m3/环，R381—R400环注浆量为3.6～3.9 m3/环;试验段注浆压力保持在0.30～0.35 MPa范围内;注浆材料采用可硬性浆液。盾构隧道主要穿越⑤3粉质黏土层和部分④2粉砂夹粉土层，上覆地层主要为①杂填土、③1黏土、③2粉质黏土、④1粉土及④2粉砂夹粉土。盾构埋深为13 m左右。试验段地层分布较为均匀，随盾构掘进，地层变化不大。在其他沉降影响因素相似的前提下，通过改变同步注浆量，结合现场监测数据分析其对沉降控制效果的影响。

图1 1号线现场试验段地质情况图Fig.1 The geological situation of field test section on Line 1

试验段Ⅱ位于狮子山站—塔园路站区间。盾构共掘进60环(R270—R330环)，其中，R270—R290环注浆压力为0.27～0.40 MPa，R291—R310环注浆压力为0.35～0.45 MPa，R311—R330环注浆压力为0.35～0.39 MPa;试验段注浆量保持在3.4～3.6 m3/环范围内;注浆材料为可硬性浆液。试验段Ⅱ主要穿越⑤3层和部分④2层，上覆地层主要为①杂填土、③1黏土、③2粉质黏土、④1粉土及④2粉砂夹粉土。隧道埋深为13 m左右。试验段Ⅱ主要研究同步注浆压力变化对地表沉降控制的影响。

试验段Ⅲ位于临顿路站—相门站区间。盾构共掘进50环(R120—R170环)，其中，试验段注浆量保持在3.5～4.0 m3/环范围内，注浆压力为0.35～0.40 MPa，注浆材料为惰性浆液。试验段Ⅲ主要穿越⑤3层，上覆地层为①杂填土、③1黏土、③2粉质黏土和④1粉土。隧道埋深为13 m左右。与试验段Ⅰ、Ⅱ相比，试验段Ⅲ地层分布稍有变化，但其物理力学性质指标相似。对试验段Ⅲ，以及与试验段Ⅲ注浆量、注浆压力类似的试验段Ⅱ中R311—R330环的监测数据进行对比，分析注浆材料对地表沉降控制效果的影响。各试验段地质情况如图1所示。各试验段地层物理力学性质如表3所示。

表3 1号线现场试验段地层参数Tab.3 Formation parameters of field test section on Suzhou metro Line 1

3 现场试验结果分析

3.1 注浆量对地表沉降控制效果的影响

以盾尾建筑空隙量为基础，结合地层、线路及掘进方式等因素，同时考虑适当的注浆率确定注浆量，以达到充填密实的目的。1个行程注浆量的理论估算公式为:

式中:

Q——注浆量，m3/环;

D1——盾构外径，m;

D2——盾构管片外径，m;

L——行程长度，m;

α1——注浆率，%。

注浆量试验段的注浆量及地表沉降变化如图2所示。R340—R360环、R361—R380环、R381—R400环试验段每环平均注浆量分别为2.71 m3、3.46 m3和3.77 m3。试验段盾构外径为6.34 m，管片外径为6.2 m，行程长度即环宽为1.2 m，由此计算可得R340—R360环、R361—R380环、R381—R400环试验段平均注浆率分别为163%、209%和228%。

图2 注浆量对地表沉降的影响曲线Fig.2 Influence curve of grouting amount on surface settlement

由图2可知，随着同步注浆量的增加，相应的地表沉降减小;前期R340—R360环试验段地表沉降较大，最大值达到30.73 mm，平均沉降值为26.64 mm，主要原因是同步注浆量偏少;当注浆量增加，注浆率增大到209%后，R361—R380环试验段地表平均沉降量减小至22.89 mm，减小了13%;注浆率继续增大到228%，R381—R400环试验段地表平均沉降量减小至21.26 mm，减小了19%。

对注浆量试验段典型断面R350、R370、R390地表沉降规律进行分析，利用PECK公式拟合地表沉降曲线计算地层损失量［13］:

式中:

x——距隧道轴线的横向水平距离，m;

δ(x)——地面沉降量，m;

δmax——隧道轴线上方的最大地面沉降量，m;

VS——隧道单位长度的土体损失量，m3/m;

i——地面沉降槽宽度系数，m。

监测断面沉降槽曲线及特征值如图3和表4所示。注浆量试验段地面沉降槽宽度系数为5.44～5.64 m，地层损失为0.264～0.355。

图3 注浆量试验段地表沉降曲线Fig.3 Surface settlement curve of grouting amount test section

表4 注浆量试验段沉降槽特征值Tab.4 Characteristic value of settling tanks in grouting amount test section

浆液对盾尾间隙的填充效果用间隙填充率η2表示:

式中:

VG——理论开挖空隙;

VK——开挖空隙内的浆液量。

式(4)中，单位长度理论开挖空隙为1.378 m3/m。假定间隙填充率为100%时，地层损失为0，则VK=VG－VS。

由表4可知，随着注浆量增大，沉降槽宽度和地层损失减小，填充率得到提高。由此可见，通过优化同步注浆量参数可以降低盾构施工对周围环境的影响。当平均注浆量为2.71 m3/环、注浆率为163%时，填充率为74%;当平均注浆量为3.46 m3/环、注浆率为209%时，填充率接近80%;此时继续增大注浆量，填充率变化不明显。由上述分析可知，增大同步注浆量有助于控制地表沉降，但注浆量在3.5 m3/环、注浆率在210%以上时，对沉降控制效果变化不显著。因此，建议施工中同步注浆量为3.5 m3/环、注浆率为210%。

3.2 注浆压力对地表沉降控制效果的影响

如图4所示，由于施工原因，注浆压力试验段中R270—R290环、R291—R310环注浆压力波动范围较大，R311—R330环注浆压力较为稳定。地表沉降变化与注浆压力变化趋势大致相反，随着注浆压力增大，地表沉降得到有效抑制。平均注浆压力由0.314 MPa增加到0.365 MPa时，地表平均沉降由23.56 mm减小到20.72 mm，减小了2.84 mm。值得注意的是，在R291—R310环试验段，注浆压力超过0.4 MPa后，由于注浆压力过大，出现跑浆现象，地表沉降反而增加。

图4 注浆压力对地表沉降的影响曲线Fig.4 Influence curve of grouting pressure on surface settlement

在R270—R290环、R291—R310环试验段，注浆压力波动范围为0.27～0.40 MPa，波动幅度超过0.1 MPa，地表沉降波动超过5 mm;在注浆压力分布较为均匀的R311—R330环试验段，地表沉降波动小于2 mm。地表沉降受注浆压力的波动影响较大。

注浆压力试验段典型断面R280、R306、R320沉降槽曲线及特征值分别如图5和表5所示。

图5 注浆压力试验段地表沉降曲线Fig.5 Surface settlement curve of grouting pressure test section

表5 同步注浆压力试验段沉降槽特征值Tab.5 Characteristic value of grouting pressure test section

由表5可知，试验段Ⅱ沉降槽宽度系数为7.39～7.71 m，地层损失为0.362～0.405;注浆压力增大对填充率的影响不大。在一定范围内，增大注浆压力可以减小地表沉降;但注浆压力过大会导致劈裂、跑浆，进而增大地层损失。由此可见，当注浆压力小于0.40 MPa时，受注浆压力单因素影响，注浆压力增大时地表沉降减小，建议将注浆压力保持在0.35～0.40 MPa范围内。地表沉降受注浆压力波动影响较大，为控制地表沉降平稳发展，施工时注浆压力应尽量保持均匀。

3.3 注浆材料对地表沉降控制效果的影响

试验段Ⅲ典型断面R143、R148、R153与试验段Ⅱ典型断面R320沉降槽曲线及其特征值如图6和表6所示。

表6 注浆材料试验段沉降槽特征值Tab.6 Characteristic value of settling tanks in grouting material test section

试验段Ⅲ沉降槽宽度系数为6.36～6.92 m，地层损失为0.435～0.479。如图6所示，采用可硬性浆液的试验段Ⅱ的R320断面地表最大沉降量为20.98 mm;而采用惰性浆液的试验段Ⅲ的3个典型断面地表最大沉降量均大于25 mm，最大为30.10 mm，填充率不足70%。

图6 注浆材料对地表沉降的影响曲线Fig.6 Grouting material influence on surface settlement

3个试验段地层主要为富水软土，围岩较为软弱、自稳性差。在水、土压力的作用下，惰性浆液凝结时间长、初期强度低、保水性差，会产生较大变形，并更易向周围土体渗透、流失，导致填充率降低。而可硬性浆液凝结时间短，初期强度高，可以在较短时间内和周围土体形成有一定承载力的结实体，增强地层稳定性。因此，可硬性浆液对地表沉降的控制效果明显比惰性浆液要好，建议同步注浆材料采用可硬性浆液。

4 盾构施工地层沉降控制措施

综上所述，为减小盾构施工引起的地表沉降，可从同步注浆量、注浆压力、注浆材料等方面提出相应的控制措施:

1)地表沉降较大时，可增大同步注浆量，提高间隙填充率，减小地层损失，从而控制地表沉降。

2)地表沉降起伏较大时，可控制同步注浆操作中注浆压力，使注浆压力保持平稳，控制注浆压力大小，做到尽量填补而不造成劈裂，从而减小地表沉降起伏。

3)地表沉降较大，且在富水软土地层中掘进时，可采用凝结时间短、初期强度大，保水性好的注浆材料，以便短时间内增强地层稳定性，控制地表沉降。

5 结论

1)随着注浆量的增大，地表沉降减小;注浆量增大到一定程度后，地表沉降的控制效果不再明显。对于类似工程，建议施工中同步注浆量为3.5 m3/环、注浆率为210%。

2)当注浆压力小于0.4 MPa时，地表沉降随注浆压力增大而减小;当注浆压力过大，超过0.4 MPa时，对地表沉降控制不利，容易造成劈裂、漏浆，导致地表沉降增大，建议注浆压力保持在0.35～0.40 MPa范围内。地表沉降受注浆压力波动影响较大，为控制地表沉降平稳发展，施工时注浆压力应尽量保持均匀。

3)在富水软土地层中，可硬性浆液对地表沉降的控制效果比惰性浆液要好，建议采用可硬性浆液。