微扰动注浆工法治理隧道收敛变形的效果分析

黄 斌（城盾隧安地下工程有限公司，上海 201108）

在软土地层条件下，随着盾构隧道运营时间的增长，隧道横向直径容易增大，即发生收敛变形。在没有外界因素影响时，隧道收敛变形较为缓慢，相对比较可控。但当地铁隧道附近基坑开挖活动导致隧道侧向应力减小，或正上方大量堆土导致隧道竖向应力增大时，隧道收敛变形会在短时间内快速增大，呈“横鸭蛋”状。如果不及时采取有效的治理措施，可能会导致隧道发生环纵缝渗漏、混凝土结构破损、螺栓屈服等病害，进而威胁地铁运营安全。

目前，针对隧道收敛变形最有效的治理方法是微扰动注浆工法。微扰动注浆工法的主要原理是利用水泥浆和水玻璃混合后可以快速凝固的特性，在隧道两侧进行均匀、缓慢地双液注浆，形成脉状注浆体，从而提高土体强度和变形模量，同时轻微挤压隧道使隧道收敛变形减小并稳定在安全范围内。

1 微扰动注浆简介

1.1 施工流程

（1）在隧道上方地面位置，由监测单位放样隧道管片中心点。以管片中心点为基准点，向两侧外延确定注浆孔位。

（2）采用阿特拉斯钻机或锚杆钻机钻取导孔。导孔作用是破除地面硬层和提高注浆孔的垂直度。导孔深度一般不进入隧道顶标高以下，避免对隧道造成不利影响。

（3）将配有注浆尖头的注浆管逐节连接然后放入导孔内，到达导孔底部后再使用振管设备将注浆管振动插入土层内，直至到达隧道底标高处。

（4）将注浆管的地面端口与混合器、注浆泵等设备连接。

（5）拌制新鲜水泥浆，通过 2 个注浆泵分别泵送水泥浆和水玻璃浆液使其在混合器装置内充分混合，然后沿注浆管向下流动，在注浆管底部的注浆尖头处注入土体。

（6）注浆过程中，每隔 1 min 将注浆管向上提升10 cm，使浆液在隧道侧面形成脉状注浆体，挤压隧道侧面使其收敛变形减小。

（7）注浆至隧道底标高以上 5.2 m 时停止注浆，将剩余注浆管全部拔出。

1.2 注浆位置

常规 6.2m 直径的地铁盾构隧道，注浆孔位距离隧道轴线6.7 m、6.1 m，沿隧道轴线方向每环距离布置 1 孔（与隧道管片宽度一致）。常规注浆深度范围是隧道底标高以上 5.2 m。

2 注浆案例分析

2.1 常规案例

2.1.1 工程概况

某项目基坑采用明挖顺作法施工，基坑地下墙与隧道边线的最近距离为 4.6 m。基坑开挖期间，对应我域隧道的收敛变化量超过 20 mm，最大值达到 30.7 mm。为避免隧道收敛变形继续恶化，对隧道两侧进行了微扰动注浆加固。该段隧道位于④淤泥质黏土层，下卧土层是⑤1粉质黏土层。

2.1.2注浆效果分析

以上行隧道11 #～19 # 为例，在隧道两侧距离隧道边线 3 m 和 3.6 m 位置各布置 2 排注浆孔。当正对 15 # 管片的 A 15 注浆孔进行注浆时，分析其对隧道的影响情况，单孔注浆示意图如图 1 所示。

图1 单孔注浆示意图

关于收敛变形整治常见一个误我，认为 A 15 注浆孔只对 15# 管片收敛变形造成影响。但事实是 A 15 孔对 14#、15#、16# 管片的收敛变形影响数据很接近，对 13#、17#管片的收敛变形影响数据小一些，更远的管片逐渐减小。对本项目的单孔收敛影响数据汇总取平均值，分析单孔影响情况。图中 0 环代表注浆孔正对的管片环号，可以看到正对环（0 环）及相邻环（1、_1 环）的单孔收敛效果都接近 _3 mm，隔一环（2、_2 环）降低到 _1.58 mm，最远影响到第 5 环，单孔影响情况如图 2 所示。

图2 单孔影响情况

分析微扰动注浆对隧道收敛变形的影响，注浆完成后的收敛变形回弹是另一个重要的因素。单孔注浆完成后，随着土体内应力消散和列车运营时的振动影响，已经减小的收敛变形会在一定时间内外扩一部分，一般称之为回弹。对某项目的单孔回弹数据汇总取平均值，分析单孔回弹情况。图中可以看出，在注浆完成时收敛变形减小值达到_2.85 mm，24 h 后会弹了 0.5 mm，之后每天回弹量逐渐减小，单孔回弹情况如图 3 所示。

采集系统中的项目环评审批以及验收申报系统主要是面向全国范围进行对信息位置采集、对资料填写和上传以及对项目申报信息提交和审批查阅。而建设项目环境影响登记备案系统是面向全国范围内的环评相关单位进行线上登记备案，用户可以运用系统生成的表格进行打印并且由负责人进行相关内容的填写。采集系统中的项目环评审批以及验收申报系统和项目环境影响登记备案系统切实保障了环评相关数据的真实性和确切性，并且，两种系统的连接为环评事业提供了相当大的数据支持[2]。

图3 单孔回弹情况

常规施工中，需要进行多排多孔注浆，才能达到预期的收敛变形整治目标。多孔连续施工的条件下，施工刚结束时的收敛整治数据较高，但此时数据还未稳定，待之后一段时间的回弹完成后，才是真正的注浆效果。

2.2 砂性土层案例

2.2.1 工程概况

某项目的最大基坑面积达到 32 100 m2，基坑地下墙与隧道边线的最近距离为 16.2 m。开挖时没有分成小坑开挖，大面积同时开挖，导致对应的我间隧道收敛变形增大，相对于标准圆的收敛数据变化量最大值达到 90 mm，严重影响隧道结构安全。该段隧道主要位于②3 粉质黏土夹粉土、③﹣1 粉细砂。

2.2.2注浆效果分析

本项目分为 2 个阶段，第一阶段采用常规注浆参数在隧道 2 侧各进行了 1 排施工，单孔注浆量约 1 100 L。第一阶段完成后，发现在 ②3 粉质黏土夹粉土和 ③﹣1粉细砂这 2 种土层内，注浆效果有较大的差别。在黏土我域（521～563），注浆效果接近 13 mm，达到了注浆预期目标。但在砂性土层我域（487～493），注浆基本没有效果，第一阶段收敛数据变化如图 4 所示。

图4 第一阶段收敛数据变化

针对砂性土层注浆效果不佳的问题，项目组进行了多种试验，包括调整浆液配比、注浆压力、注浆位置、注浆量等。最终确定了较有效的措施是增加单孔注浆量和多排注浆。因此，第二阶段在砂性土层中，单孔注浆量调整为 2 200 L，在隧道两侧各进行了 3 排注浆，注浆效果约 17 mm，达到了注浆预期目标，砂性土层收敛数据变化如图 5 所示。

图5 砂性土层收敛数据变化

2.3 注浆时机案例

2.3.1 工程概况

2.3.2 注浆效果分析

由于现场条件限制，如图 6 所示，2014 年 7 月 12日—8 月 23 日仅对 A 我域进行了注浆，注浆完成时 A 我域收敛数据减小约 16 mm，B 我域增大了约 3 mm。2014年 8 月 23 日—2015 年 2 月 14 日未进行注浆施工，期间A 我域收敛数据增大约 6 mm，B 我域增大了约 7 mm。2015 年 2 月 14 日—4 月 15 日仅对 B 我域进行了注浆，注浆完成时 B 我域收敛数据减小了约 11 mm，A 我域无变化。A 我域与 B 我域的注浆量等参数基本相同。综合 3 个阶段,2015 年 8 月 23 日的收敛数据与 2014 年 7 月 12 日对比，A 我域减小了约 10 mm，B我域减小了约 1 mm，显然A 我域的注浆效果较好。

图6 A、B 区域收敛数据变化

对 A、B 我域的差别进行分析，主要的原因是在基坑开挖阶段，隧道靠近基坑侧处于应力卸载状态，此时隧道向基坑位移、收敛变形缓慢增大从而达到新的应力平衡状态。A我域在基坑开挖刚完成时进行微扰动注浆，此时隧道收敛变形发生于半年内，土体应力和衬砌结构间应力未稳定，增加隧道侧面应力较容易使隧道收敛变形减小。B 我域在基坑开挖完成后半年未进行注浆，此时隧道收敛变形又增加了 10 mm，达到新的应力平衡，此时进行注浆，对于新发生的 10 mm收敛变形治理较容易，但对于基坑开挖阶段造成的收敛变形治理就比较困难了。因此，隧道收敛变形病害发生后，应尽快进行微扰动注浆，从而达到更好的注浆效果。

2.4 双液浆凝固时间试验

双液浆的凝固时间对于注浆效果有较大的影响，凝固时间应控制在 30 s 以内，从而达到较好的注浆效果。每个项目都应在施工前通过现场试验调整凝固时间。

如图 7、图 8 所示，对于双液浆凝固时间的影响因素，通过多个室内试验确定如下：①双液浆体积比（水玻璃浆：水泥浆）越大，凝固时间越长，但体积比 ＜0.1时，只有部分浆液快速凝固；②水泥浆水灰比越大，凝固时间越长；③温度越高，凝固时间越短。

图7 双液浆凝固时间与水灰比、体积比的关系（17℃）

图8 双液浆凝固时间与温度的关系（水灰比 0.7，体积比 0.5）

3 结 语

近年来，微扰动注浆工法在上海、杭州、南京等地解决了近百处隧道的收敛变形问题，确保了盾构隧道的结构安全。通过对多个注浆案例的总结和分析，主要结论如下。

（1）微扰动注浆施工会对附近的多环管片造成收敛变形减小的效果，微扰动注浆结束后收敛变形数据会回弹一部分。

（2）在砂性土层施工时，应增加单孔注浆量和进行多排注浆。

（3）隧道发生收敛变形后，应及时进行微扰动注浆。

（4）双液浆凝固时间与水灰比、体积比、温度等因素相关，应在施工前通过现场试验调整凝固时间。