盾构隧道微扰动斜孔注浆技术研究

2022-06-30李筱旻沈玺周群王嘉鸿沈佳雨

工程建设与设计 2022年11期

李筱旻，沈玺，周群，王嘉鸿，沈佳雨

(上海地铁维护保障有限公司，上海 200070)

1 引言

上海地区的浅层土总体上为软弱土层，存在着大量的饱和高压缩性软黏土层、饱和含水含砂土层，这两类土层正是造成盾构隧道病害的重要原因。且盾构隧道也容易受到周边施工和环境的影响，产生横向收敛变形，如不及时控制，任其发展，将影响地铁网络运营的安全，后果不堪设想[1，2]。

有关地铁盾构隧道变形机理和整治技术的研究受到了众多学者的关注[3-7]，也将会是今后地铁运维研究和发展的重、难点之一。微扰动注浆是目前软土地区整治盾构隧道横向收敛变形的有效措施之一，该技术可以增强盾构隧道两侧土体侧向约束，有效减少和控制盾构隧道的收敛变形[8]。

但是，常规微扰动注浆技术由于采用竖向直管的注浆管工艺，容易受到外界诸多因素的影响，如周边市政管线等，导致现场没有足够的空间进行注浆孔的布置。而改进后的微扰动斜孔注浆技术则很好地避免了此类问题。但是，采用斜打孔注浆的方式，在一定程度上改变了原工艺的整治作用，那么微扰动斜孔注浆技术的整治效果如何，有待进一步验证。

鉴于此，本文拟结合实际工程整治案例，结合现场情况，并基于地铁盾构隧道的监测数据，分析、探究微扰动斜孔注浆技术对整治软土地区地铁盾构隧道的可行性以及纠偏效果。

2 微扰动斜孔注浆

一般情况下，地铁盾构隧道常位于市政道路正下方，而道路两侧通常布设有众多市政管线，其存在一定控制范围。当地铁盾构隧道因外部施工作业，如基坑开挖等作业，产生收敛变形时，需采取微扰动注浆技术对其进行整治处理。但是，常规微扰动注浆技术需在地铁盾构隧道两侧一定水平距离的位置处布设注浆孔位（一般情况下是3 m 和3.6 m，可根据现场情况和注浆效果适当进行调整），而注浆孔位经常易和密集市政管线产生平面位置上的冲突，导致该位置附近的盾构隧道变形无法被整治。

考虑到市政管线往往埋深较浅（通常在2~3 m 以内），而地铁盾构隧道的埋深较深（通常在10 m 以上），两者在水平位置上距离相近，在竖向位置上存在一定距离。因此，若将常规微扰动注浆技术中的竖向注浆管偏转一定的小角度，既可使注浆管在上部位置避开市政管线，又可以保证注浆管在下部位置与盾构隧道保持既定的水平间距，达到注浆整治效果。

此外，因地铁盾构隧道具有一定埋深，注浆管往往由1 m长的注浆管节接杆而成。考虑到斜打注浆管时管节间的接头强度和连接性，经过反复测算后得到，当注浆管偏转角度控制在15°以内时，可确保微扰动斜孔注浆的可靠性。

3 工程案例

3.1 项目概况

上海徐汇区某地块基坑项目位于地铁M 号线安全保护区范围内，因该基坑项目面积大、开挖深、距离地铁盾构隧道结构近、施工难度大和项目风险高。受基坑施工影响，地铁盾构隧道上、下行线部分区间隧道管径收敛累计变形超过控制值，为控制盾构隧道结构变形和保障地铁运营安全，需对项目影响范围内区间隧道进行逐环微扰动注浆加固施工。

然而，经现场踏勘和排查后发现，在其中一个基坑区块对应范围内的地铁盾构隧道，涉及高压电缆，有着3 m 的红线控制距离。因此，现场并不具备常规微扰动注浆技术的施工条件，急需尝试微扰动斜孔注浆技术对盾构隧道进行纠偏整治。

3.2 微扰动斜孔注浆方案

3.2.1 注浆施工

在地铁盾构隧道变形超限且需注浆整治的范围内，两侧拟各布设一排注浆孔，并提前摸排好管线等障碍物和地铁盾构隧道的位置，结合现场条件，计算注浆管的斜孔角度、长度和注浆孔与盾构隧道之间的水平距离。通过注浆管将浆液注入地铁盾构隧道两侧土体中，并不断提升注浆管，在土体中形成脉状注浆加固体，以“均匀、少量、多点、多次”的量化注浆措施，达到对盾构隧道“微扰动”纠偏整治的目的，注浆剖面示意图如图1 所示，注浆流程如图2 所示。

图1 微扰动斜孔注浆示意图

图2 微扰动斜孔注浆流程

3.2.2 螺栓复紧

微扰动斜孔注浆单孔完成后立即开展对应环向连接螺栓的复紧工作（本项目对应区间隧道的紧固扭矩为970 N·m）。

复紧范围包括螺栓紧固作业间隔期间内微扰动斜孔注浆施工的对应环及其两侧外延3 环。

完成全部注浆施工后，整个注浆范围对应的区间隧道应统一再进行一次螺栓复紧，以确保注浆效果。

3.2.3 注浆设备的改进

为确保微扰动斜孔注浆的有效性，本次注浆试验特采用改进的“钻-注-拔”一体化注浆新设备，其有3 个特点：（1）改进混合器，连接在钻杆与动力头之间并能够支持两种浆液接口，混合装置与动力头连接处设置单向阀或不连通；（2）为满足机械施工需要，新的注浆管，特殊设计的中空钻杆，内径应与期望的注浆流量相匹配，且钻杆壁厚满足强度要求；（3）注浆头部分的改进，保证在“钻进”“振动”过程中注浆头的密闭性，又要保证“注”的过程中能够均匀喷浆。

3.3 一阶段注浆试验

一阶段微扰动斜孔注浆试验时间为2020 年12 月20日—2021 年3 月14 日，后期跟踪监测至2021 年5 月20 日，注浆范围为上行线S214~S243 环，累计完成注浆30 环（41 孔），注浆孔位距离盾构隧道结构外边线4.5 m，注浆深度为盾构隧道底部往上5.2 m。

一阶段微扰动斜孔注浆试验的单孔注浆分布和纠偏情况如图3 所示。由图3 可知，单孔注浆纠偏盾构隧道的收敛效果明显，纠偏量基本约2~-5 mm，且对于同一注浆孔而言，第一次注浆效果优于后续补注浆的效果。

图3 单孔注浆变形量（一阶段）

图4 为一阶段微扰动斜孔注浆试验监测期间，盾构隧道的沉降变形曲线。从变形曲线上可以看出，盾构隧道呈现逐渐下沉的趋势，但对比注浆区域与非注浆区域以及注浆前、注浆中、注浆后3 个时间段可知，微扰动斜孔注浆未对盾构隧道有明显的沉降影响。盾构隧道产生沉降是由于在微扰动斜孔注浆期间，该段区间隧道对应范围内有基坑项目正在进行开挖施工和地下结构施工，对盾构隧道产生了一定沉降变形影响。

图4 盾构隧道沉降变化曲线（一阶段）

进一步可知，虽然竖向注浆管在偏转后对盾构隧道存在一定斜向上作用力，但从监测数据上反映，一定量的小角度地偏转竖向注浆管并不会带来额外的沉降变形。

一阶段微扰动斜孔注浆试验监测期间，盾构隧道的收敛变化如图5 所示，盾构隧道的收敛变形得到了有效纠偏，平均收敛变化量-4.2 mm，最大收敛变化量-14.8 mm。由此可知，微扰动斜孔注浆可以有效改善盾构隧道的“椭圆度”，减小其横向水平直径，可以较好地整治软土地区盾构隧道的收敛变形，但与常规微扰动注浆技术相比，注浆整治效果有所下降（常规微扰动注浆的平均效果在10 mm 以上）。

同时，对比注浆区域与非注浆区域（见图5a），微扰动注浆的影响区域只限于注浆施工区域，对施工区域外扰动较小，体现了该技术较高的可控性，且未发生串浆等可能存在风险的事宜。而对比注浆前、注浆中、注浆后3 个时间段（见图5b），盾构隧道收敛变形的纠偏整治效果基本发生于微扰动斜孔注浆过程中。此外，在注浆后期的观测中，注浆纠偏效果仍有一定的持续，且后续纠偏效果出现了稍许回弹的现象，究其原因，在停止注浆后，一部分超孔隙水压力会逐渐消散，进一步使盾构隧道收敛变形又有所增加，出现“变形回弹”。

图5 盾构隧道收敛变化曲线（一阶段）

3.4 二阶段注浆试验

二阶段微扰动斜孔注浆试验时间为2021 年7 月14 日—2021 年9 月22 日，注浆范围为上行线S213~S254 环，累计完成注浆42 环（42 孔），注浆孔位距离盾构隧道结构外边线4 m，注浆深度为4.2 m（盾构隧道底部往上1 m 开始），注浆方案与一阶段微扰动斜孔注浆试验有所区别，主要是：根据现场条件进行了适当调整；因该工程整体体量过大，施工和微扰动注浆对盾构隧道的扰动次数过多，为了减少微扰动斜孔注浆对沉降的影响，尤其是竖向注浆管偏转后，故取消了盾构隧道底部1 m 位置的注浆。

二阶段微扰动斜孔注浆试验的单孔注浆分布和纠偏情况如图6 所示。本阶段每个注浆孔仅安排注浆一次，由图6 可知，单孔注浆纠偏盾构隧道的收敛效果明显，纠偏量基本约0~-5 mm。

图6 单孔注浆变形量（二阶段）

二阶段微扰动斜孔注浆试验监测期间，盾构隧道的沉降变形曲线如图7 所示。从变形曲线上可以看出，盾构隧道的整体沉降变形基本稳定，对比注浆前、注浆中、注浆后3 个时间段可知，在微扰动斜孔注浆过程中，盾构隧道的沉降变形出现了明显的波动，但最终变化量较小。同时也证明了，一定量小角度地偏转竖向注浆管并不会带来额外的沉降变形，与前文一阶段注浆试验所述相符。

图7 盾构隧道沉降变化曲线（二阶段）

图8 为二阶段微扰动斜孔注浆试验监测期间，盾构隧道的平均收敛变化量-4.9mm，最大收敛变化量-8.8mm，盾构隧道的收敛变形也得到了有效整治。

图8 盾构隧道收敛变化曲线（二阶段）

与一阶段微扰动斜孔注浆试验对比而言，不难发现3 个相同点和2 个不同点。其中，相同点：（1）微扰动斜孔注浆技术整治盾构隧道的收敛变形效果较为明显，收敛变形得到有效控制与改善；（2）盾构隧道的收敛变形整治效果主要集中于注浆区域内和注浆过程中，并不会引起不可控的情况，以“少量多次”的量化注浆措施，达到了对盾构隧道“微扰动”纠偏整治的目的；（3）在微扰动斜孔注浆的后期，盾构隧道均会因周边土体超孔隙水压力的消散而有“回弹”，但其回弹量较小。不同点：（1）一阶、二阶段微扰动斜孔注浆试验的整治效果存在一定差异性。首先，是微扰动斜孔注浆方案有所调整（注浆距离、注浆量）；其次，对应两次注浆试验的盾构隧道区域基本重叠，只是分别在位于盾构隧道的两侧，二阶段注浆试验在一定程度上会受到一阶段的耦合影响；最后，微扰动注浆整治技术受众多因素的影响，如盾构隧道本身状况、地层条件、孔隙水压力等。（2）二阶段微扰动斜孔注浆试验中，无论是盾构隧道单孔的纠偏效果还是整体的纠偏效果，其均匀性都要优于一阶段注浆试验，而一阶段注浆试验的纠偏效果离散性虽然较大，但最大纠偏效果也较为突出。

4 微扰动斜孔注浆机理分析

综合分析两个阶段的微扰动斜孔注浆试验成果可知，微扰动斜孔注浆技术是利用“双泵”将“双液浆”喷射出，通过特制的混合器充分混合，再将注浆芯管注入土体中，浆液在压力的作用下使土体劈开，随着注浆管的逐步提升，在土体中形成脉状注浆体，对隧道的周边土层有填充、压密和加固土体的作用，能提高土层的强度和变形模量，控制隧道变形。

从双侧单排的注浆布设方案来看，整体纠偏整治效果良好，已达到预期目标。此外，在施工过程中，注浆管存在一定量的小角度偏转（一般为5°~15°），因此，注浆作用机理发生了一定改变，注浆液体水平作用力有所分散，使注浆整治效果比常规微扰动注浆技术略差。但相比于常规微扰动注浆技术，因市政管线影响受扰而无法开展的情况而言，微扰动斜孔注浆技术可有效弥补这一大缺陷。

与常规微扰动注浆整治技术的区别是，注浆液体会对盾构隧道产生向上的作用力，使其产生抬升的可能性，属于多余的施工扰动。根据“少扰动、小扰动”的变形控制原则，施工过程中，在满足达到避开障碍物的情况下，应尽可能选择小角度的偏转，或缩小下段注浆范围，如二阶段微扰动斜孔注浆试验中采取的4.2 m 注浆高度，以减小对盾构隧道的向上作用力。