透水性复合地层盾构穿越注浆施工技术研究
时间：2022-12-06 18:05:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
袁 杰 肖 翔 李赞新 南 勇 潘以恒
（1.中国建设基础设施有限公司，北京 100044；
2.集美大学，福建 厦门 361000）
经济高速发展带动城市人口快速增长，人口增长带来了很多问题，其中交通拥堵问题尤其严重[1,2]。过去已有的路面交通已经无法满足人们日益增长的通行需求，因而不得不开发新的通行方式。路面交通已经趋向饱和，人们提出构建地下交通综合体来满足通行需求，城市轨道交通应运而生。城市轨道交通建设面临复杂的施工环境，传统的矿山施工方法不再适用，盾构法具有施工自动化程度高、受气候环境影响小、工期短和对周围环境影响小、防水性能好的特点，目前在城市轨道交通建设中得到了大规模应用[3]。盾构法于200多年前在英国得以实施，使用矩形盾构系统进行了河底隧道施工。我国盾构技术起步较晚，自第一条地铁采用盾构机施工以后轨道交通建设进入快速发展期，地下轨道交通的建设有效解决了城市交通堵塞问题[4,5]。
福州轨道交通4号线所处地层具有较强的渗透性，施工过程中面临较大的围岩失稳风险。本文以该4号线区间盾构隧道为例，在阐述盾构主要原理的基础上，对盾构注浆技术以及注浆参数优化措施等进行分析，为类似隧道工程围岩稳定性控制提供技术参考。
1.1 工程简介
福州地铁4号线一期工程东门站～三角池站区间线路出东门站后沿塔头路敷设，中途下穿晋安河、东郊河，而后接入三角池站。沿线主要控制性因素：晋安河、东郊河、隧道沿线较近建构筑物，区间总长977.562m。
盾构区间自三角池站至东门站，区间左线曲线半径分别为600m和1200m，右线曲线半径为900m和800m，线间距11～23m。纵断面为V型坡，最大纵坡21‰，最小纵坡2‰，区间隧道覆土厚度10.86～22.6m。
1.2 工程地质条件
盾构区间所处地层地质环境复杂，属于典型滨海软硬交替地层。隧道穿越地层大致分为淤泥质土、黏性土、风化花岗岩、风化正长斑岩等，洞身围岩主要为Ⅲ～Ⅳ级。地下水主要分为孔隙水和基岩裂隙水，地层渗透性为弱～强，区间左线和右线穿越地层信息统计图分别如图1、2所示。
图1 左线地层信息统计图
图2 右线地层信息统计图
2.1 盾构施工原理及优缺点
盾构施工主要设备为盾构机，施工自动化程度高，人员工作强度相对较低。施工流程大致分为支撑岩体、开挖、衬砌施工和壁后注浆。盾构施工以其施工速度快、安全性好、自动化程度高、人员劳动强度低的特点被广泛使用。此外，盾构施工全过程均在地下进行，对地面交通几乎无影响。同时当施工地层地下水系发达时，盾构施工的防水效果较好。盾构施工的缺点在于费用较高，不同挖掘线路需要专项施工方案，进一步增加了施工成本。盾构机尺寸较大，不适用于一些半径较小的隧道施工。盾构施工技术对施工人员要求较高，同时也需要为施工人员配备专用的劳动保护设备。
2.2 盾构穿越注浆施工技术
2.2.1 注浆目的
盾构施工容易引发地表沉降问题，为解决这一问题，在衬砌施工过程中同步注入水泥浆液充填盾尾环形空隙。盾构注浆主要有四方面的目的：
（1）填充盾尾空隙，支撑管片旁岩体从而降低地表沉降；
（2）增强盾构管片的防水性能，防止围岩中的地下水通过管片间隙流入隧道；
（3）促进管片稳定成形，确保隧道施工安全；
（4）预先对盾构穿越地层进行加固处理，防止盾构开挖时出现地层变形过大和土体塌陷等工程病害。
2.2.2 注浆方式及其特点
注浆方式分为同步注浆和二次注浆。
（1）同步注浆。依据盾构穿越地层情况，为尽快充填盾尾空隙及时支撑管片周围岩体，降低地层变形对施工安全的影响，通过同步注浆系统双泵四管路（四注入点）实施对称注浆，盾尾出现空隙时注浆，盾构掘进施工与注浆施工同步进行，如图3所示。
图3 同步注浆示意图
（2）二次注浆。二次注浆作为同步注浆的补充注浆方式，通常用于局部注浆不均匀或者浆液收缩诱发管片附近填充间隙情况。同时二次注浆还能够提高衬砌背后注浆层的防水性及密实度，进一步形成密实防水层，同时也能增加隧道衬砌的强度。施工时通过地质雷达扫描探测衬砌背后空洞，探测得出衬砌背后存在空洞时需进行二次注浆，如图4所示。
图4 盾构施工注浆平面图
2.2.3 注浆保护措施
为填充盾构管片周围松动土层，盾构施工时需要通过中盾和前盾向盾壳外注入浆液，该措施能对后期盾壳外注浆及盾构掘进起保护及润滑作用，还能有效降低涌水风险。中、前盾径向注入孔如图5所示，分别向中盾和前盾盾壳外侧注入浆液，浆液由高浓度浆液和水玻璃浆液混合形成。为避免注浆压力对盾尾的损害，通过盾尾后方的管片吊装孔注入聚氨酯和双液浆，先注聚氨酯，再注双液浆，这就是组合注浆，如图6所示。
图5 中、前盾径向注入孔示意图
图6 组合注浆示意图
2.2.4 地层预加固注浆施工过程
（1）根据设计进行钻孔定位及钻机就位，开始钻进；
（2）钻至设计深度后停止喷水，开始注浆；
（3）当底部满足要求时，低速回抽继续下步注浆，提升相邻孔位的高度，适当错开；
（4）采用后退式分段注浆，即在注浆管内由孔端向外分段进行注浆，每次注浆段长0.4～0.5m，注完此段后，再后退注下一段，直至全孔注浆完成；
相邻孔位提升段长度相互错开。注浆工艺流程如图7所示。
图7 地层预加固注浆工艺流程示意图
盾构隧道注浆过程中，注浆施工技术与浆液材料的适配性，不仅关系到隧道施工安全，同时还会影响到隧道工程的安全运营。特别是同步注浆施工，由于盾构掘进与浆液压注同时施工，对浆液的力学性能和注浆参数的设计和优化要求更高。
3.1 盾构隧道注浆浆材
目前主要关注注浆材料性能、类别、用量和外掺剂等，浆材类别和配比决定了浆液使用性能，是盾构注浆施工的关键指标。常用的注浆材料大致可分为单液浆、双液浆和各类新型浆液。也有很多研究通过室内试验的方法分析注浆工艺某阶段浆液的性能和最优配比，实际施工过程中，选定的浆液类型和配比会持续使用至工程施工结束，因而需要对工程全部周期综合选取适合工程全周期的浆液类别和配比。注浆材料的选取可通过室内三轴压缩试验和现场盾构试推等方法，能有效推广注浆工艺的实际应用。
3.2 盾构隧道注浆参数设计
盾构隧道注浆施工除了浆液类别和配比选择，注浆施工参数的控制也很重要。合适的注浆机能有效填充管片间隙，对管片外土体进行及时强化，防止地面变形过大和土体坍塌等问题。注浆施工过程中浆液扩散半径、凝结时间、土体平均注入率、注浆压力等参数的选取对注浆效果影响显著，施工中浆液配比及注浆参数应根据现场情况试桩进行适当调整、优化，以满足施工要求，注浆施工过程中选取的参数组合如表1所示。
表1 注浆参数表
4.1 常见问题及产生原因
盾构隧道注浆过程中常见的问题主要包括地表沉降和隆起问题、注浆系统管路堵塞、浆体从盾尾流入、管片上浮、管片注浆孔渗漏等。地表沉降和隆起问题的产生原因在于浆体强度和冷凝时间达不到要求，导致地表环境发生变化，同时也会影响盾构施工环境，带来施工安全隐患。注浆系统管路堵塞的原因在于浆体强度过高或冷凝时间较短等，同时注浆压力过大也是造成浆液泄露的原因。管片注浆孔渗漏的原因在于浆液强度和注浆位置达不到要求，应根据实际情况进行调整。
4.2 控制措施
盾构隧道注浆过程中为防止上述施工问题产生，应提前采取必要的措施。主要的措施包括根据工程所处地质条件合理选择浆液类型、注浆量、注浆压力和注浆位置，不同类型的浆液对应不同的强度、抗渗能力和冷凝时间，实际工程中应根据地层强度选择对应的浆液类型，防止浆液强度匹配问题引发的地表沉降或隆起等工程病害。另外，在注浆过程中要避免注浆压力较大导致的盾尾脱空问题。
注浆过程中应当开展管片和地表沉降监测，根据管片位置变化或者管片注浆孔浆液情况，及时调整注浆参数。同时，根据地面信息及时调整注浆量，注浆过程中严格记录与分析，绘制注浆压力和注浆量随时间的变化曲线。根据记录数据分析注浆效果，同时指导类似注浆工序。为避免浆液类型不匹配引发的注浆管道阻塞问题，注浆施工过程中准备专用的疏通工具，注浆工序要与盾构掘进工序协调，同时注浆工序完成后及时在注浆管中填埋膨润土，防止浆液流失。
（1）本文以富水地区盾构隧道为例，从盾构施工原理、盾构注浆、注浆浆材及参数优化和注浆施工流程等方面阐述盾构注浆技术要点，同时针对具体工程选定适宜的注浆参数，研究成果可为类似轨道交通施工围岩稳定性控制提供技术依据。
（2）盾构注浆作为隧道穿越掘进富水地层时围岩稳定性控制的有效方法，注浆施工质量好坏与工作条件和地质条件关系密切。注浆施工可能引发地表沉降与隆起和浆液渗漏等工程问题，本文分析了注浆施工过程中相关工程问题的产生原因，并提出了相应的预防措施，确保注浆工序顺利进行，同时能有效提高隧道掘进施工的安全性。
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