地鐵盾構(gòu)隧道同步注漿地表沉降控制效果影響因素的現(xiàn)場試驗研究*

顏 靜 王 飛 付春青 劉 維 史培新

(1.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，215131，蘇州;2.蘇州軌道交通集團公司，215004，蘇州;3.北京住總集團有限責(zé)任公司，100101，北京∥第一作者，碩士研究生)

盾構(gòu)法施工因其安全快速的優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各大城市地下隧道的修建。盾構(gòu)法施工時，由于盾殼自身厚度、超挖等因素的影響，盾尾脫離管片后，地層與管片之間會形成盾尾間隙，土體將向這一間隙產(chǎn)生位移，從而引起地面沉降［1］。盾尾間隙一般在8～16 cm左右［2］，并隨盾構(gòu)直徑的增大基本成線性增大。當隧道直徑達到14 m以上時，盾尾間隙可達20 cm［3］。目前，通常采用同步注漿的方式填充間隙，以減小地表沉降。

為了達到良好的控制效果，需要合理地使用壓漿系統(tǒng)，選擇好注漿材料、注漿壓力及注漿量等參數(shù)，且應(yīng)按照施工工況，因地制宜進行調(diào)整。注漿漿液要有較好的填充性、流動性及抗離析性，且滿足一定的早期強度、硬化后體積收縮率低等要求［4］。目前，同步注漿一般分為雙液漿和單液漿兩大類。其中，單液漿包括可硬性漿液和惰性漿液。同步注漿要求地層中的注漿壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，避免注漿壓力過大，做到盡量填補而不劈裂，一般控制在0.25～0.40 MPa。注漿量在實際工程中往往根據(jù)工程經(jīng)驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)來確定。在軟土地層，注漿率一般介于180%～250%的范圍內(nèi)［5-6］。

現(xiàn)有對同步注漿地層沉降控制效果影響因素的研究手段多集中于數(shù)值計算［7-9］和理論分析［10-11］，通過現(xiàn)場試驗開展研究的較少。但現(xiàn)場監(jiān)測試驗恰能真實反映隧道周邊土體特性、同步注漿施工參數(shù)和地表沉降的實際情況。通過合理的現(xiàn)場試驗設(shè)計所得出的沉降影響規(guī)律能更符合實際。本文依托蘇州軌道交通1號線(以下簡為“1號線”)隧道建設(shè)實例，選擇與周邊環(huán)境相似的區(qū)段建立注漿量、注漿壓力、注漿材料等影響因素的現(xiàn)場試驗段，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同影響因素對同步注漿地層沉降控制效果的影響規(guī)律，提出合理的同步注漿施工參數(shù)，為后續(xù)類似地層盾構(gòu)法施工提供有益參考。

1 工程概況

1號線呈東西走向，全長25.74 km，共設(shè)24個車站。隧道區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)采用統(tǒng)一尺寸的土壓平衡盾構(gòu)機，外徑為6.34 m，主長為8.58 m;襯砌管片外徑為6.2 m，環(huán)寬為1 200 mm。

1號線沿線區(qū)域廣泛分布有雜填土、黏土、粉土、粉質(zhì)黏土及粉砂土等類型土。地表水常水位在1.10～1.30 m，其年變幅在1.0 m以內(nèi)。盾構(gòu)在富水軟土中掘進時，施工參數(shù)難以控制，地表沉降容易超標。盾構(gòu)掘進中通常采用同步注漿來控制地層損失引起的瞬時沉降。1號線主要采用惰性漿液和可硬性漿液作為同步注漿材料，材料用量如表1所示。

表1 1號線不同同步注漿材料用量Tab.1 Mix proportion of synchronous grouting materials for Line 1 單位:kg/m3

為研究同步注漿量、注漿壓力、注漿材料等參數(shù)單因素變化對地表沉降控制的影響，在1號線選擇隧道線形、地層分布及周邊環(huán)境等條件相似的試驗段進行現(xiàn)場試驗。在單個區(qū)間中，隨盾構(gòu)掘進距離加大，隧道線形、穿越地層、埋深等均會發(fā)生較大變化，故試驗段在多個區(qū)間中選取。

2 現(xiàn)場試驗

在1號線沿線選取3個試驗段，分別進行注漿量、注漿壓力和注漿材料等參數(shù)對地表沉降影響規(guī)律的現(xiàn)場試驗研究。各試驗段同步注漿施工參數(shù)如表2所示。

表2 1號線各試驗段同步注漿施工參數(shù)Tab.2 Construction parameters of synchronous grouting in each test section on Line 1

如圖1所示，試驗段Ⅰ位于汾湖路站—玉山公園站區(qū)間;試驗段盾構(gòu)共掘進60環(huán)(340～400環(huán))，其中，R340—R360環(huán)注漿量為2.6～2.8 m3/環(huán)，R361—R380環(huán)注漿量為3.2～3.6 m3/環(huán)，R381—R400環(huán)注漿量為3.6～3.9 m3/環(huán);試驗段注漿壓力保持在0.30～0.35 MPa范圍內(nèi);注漿材料采用可硬性漿液。盾構(gòu)隧道主要穿越⑤3粉質(zhì)黏土層和部分④2粉砂夾粉土層，上覆地層主要為①雜填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1粉土及④2粉砂夾粉土。盾構(gòu)埋深為13 m左右。試驗段地層分布較為均勻，隨盾構(gòu)掘進，地層變化不大。在其他沉降影響因素相似的前提下，通過改變同步注漿量，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析其對沉降控制效果的影響。

圖1 1號線現(xiàn)場試驗段地質(zhì)情況圖Fig.1 The geological situation of field test section on Line 1

試驗段Ⅱ位于獅子山站—塔園路站區(qū)間。盾構(gòu)共掘進60環(huán)(R270—R330環(huán))，其中，R270—R290環(huán)注漿壓力為0.27～0.40 MPa，R291—R310環(huán)注漿壓力為0.35～0.45 MPa，R311—R330環(huán)注漿壓力為0.35～0.39 MPa;試驗段注漿量保持在3.4～3.6 m3/環(huán)范圍內(nèi);注漿材料為可硬性漿液。試驗段Ⅱ主要穿越⑤3層和部分④2層，上覆地層主要為①雜填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1粉土及④2粉砂夾粉土。隧道埋深為13 m左右。試驗段Ⅱ主要研究同步注漿壓力變化對地表沉降控制的影響。

試驗段Ⅲ位于臨頓路站—相門站區(qū)間。盾構(gòu)共掘進50環(huán)(R120—R170環(huán))，其中，試驗段注漿量保持在3.5～4.0 m3/環(huán)范圍內(nèi)，注漿壓力為0.35～0.40 MPa，注漿材料為惰性漿液。試驗段Ⅲ主要穿越⑤3層，上覆地層為①雜填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土和④1粉土。隧道埋深為13 m左右。與試驗段Ⅰ、Ⅱ相比，試驗段Ⅲ地層分布稍有變化，但其物理力學(xué)性質(zhì)指標相似。對試驗段Ⅲ，以及與試驗段Ⅲ注漿量、注漿壓力類似的試驗段Ⅱ中R311—R330環(huán)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，分析注漿材料對地表沉降控制效果的影響。各試驗段地質(zhì)情況如圖1所示。各試驗段地層物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示。

表3 1號線現(xiàn)場試驗段地層參數(shù)Tab.3 Formation parameters of field test section on Suzhou metro Line 1

3 現(xiàn)場試驗結(jié)果分析

3.1 注漿量對地表沉降控制效果的影響

以盾尾建筑空隙量為基礎(chǔ)，結(jié)合地層、線路及掘進方式等因素，同時考慮適當?shù)淖{率確定注漿量，以達到充填密實的目的。1個行程注漿量的理論估算公式為:

式中:

Q——注漿量，m3/環(huán);

D1——盾構(gòu)外徑，m;

D2——盾構(gòu)管片外徑，m;

L——行程長度，m;

α1——注漿率，%。

注漿量試驗段的注漿量及地表沉降變化如圖2所示。R340—R360環(huán)、R361—R380環(huán)、R381—R400環(huán)試驗段每環(huán)平均注漿量分別為2.71 m3、3.46 m3和3.77 m3。試驗段盾構(gòu)外徑為6.34 m，管片外徑為6.2 m，行程長度即環(huán)寬為1.2 m，由此計算可得R340—R360環(huán)、R361—R380環(huán)、R381—R400環(huán)試驗段平均注漿率分別為163%、209%和228%。

圖2 注漿量對地表沉降的影響曲線Fig.2 Influence curve of grouting amount on surface settlement

由圖2可知，隨著同步注漿量的增加，相應(yīng)的地表沉降減小;前期R340—R360環(huán)試驗段地表沉降較大，最大值達到30.73 mm，平均沉降值為26.64 mm，主要原因是同步注漿量偏少;當注漿量增加，注漿率增大到209%后，R361—R380環(huán)試驗段地表平均沉降量減小至22.89 mm，減小了13%;注漿率繼續(xù)增大到228%，R381—R400環(huán)試驗段地表平均沉降量減小至21.26 mm，減小了19%。

對注漿量試驗段典型斷面R350、R370、R390地表沉降規(guī)律進行分析，利用PECK公式擬合地表沉降曲線計算地層損失量［13］:

式中:

x——距隧道軸線的橫向水平距離，m;

δ(x)——地面沉降量，m;

δmax——隧道軸線上方的最大地面沉降量，m;

VS——隧道單位長度的土體損失量，m3/m;

i——地面沉降槽寬度系數(shù)，m。

監(jiān)測斷面沉降槽曲線及特征值如圖3和表4所示。注漿量試驗段地面沉降槽寬度系數(shù)為5.44～5.64 m，地層損失為0.264～0.355。

圖3 注漿量試驗段地表沉降曲線Fig.3 Surface settlement curve of grouting amount test section

表4 注漿量試驗段沉降槽特征值Tab.4 Characteristic value of settling tanks in grouting amount test section

漿液對盾尾間隙的填充效果用間隙填充率η2表示:

式中:

VG——理論開挖空隙;

VK——開挖空隙內(nèi)的漿液量。

式(4)中，單位長度理論開挖空隙為1.378 m3/m。假定間隙填充率為100%時，地層損失為0，則VK=VG－VS。

由表4可知，隨著注漿量增大，沉降槽寬度和地層損失減小，填充率得到提高。由此可見，通過優(yōu)化同步注漿量參數(shù)可以降低盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響。當平均注漿量為2.71 m3/環(huán)、注漿率為163%時，填充率為74%;當平均注漿量為3.46 m3/環(huán)、注漿率為209%時，填充率接近80%;此時繼續(xù)增大注漿量，填充率變化不明顯。由上述分析可知，增大同步注漿量有助于控制地表沉降，但注漿量在3.5 m3/環(huán)、注漿率在210%以上時，對沉降控制效果變化不顯著。因此，建議施工中同步注漿量為3.5 m3/環(huán)、注漿率為210%。

3.2 注漿壓力對地表沉降控制效果的影響

如圖4所示，由于施工原因，注漿壓力試驗段中R270—R290環(huán)、R291—R310環(huán)注漿壓力波動范圍較大，R311—R330環(huán)注漿壓力較為穩(wěn)定。地表沉降變化與注漿壓力變化趨勢大致相反，隨著注漿壓力增大，地表沉降得到有效抑制。平均注漿壓力由0.314 MPa增加到0.365 MPa時，地表平均沉降由23.56 mm減小到20.72 mm，減小了2.84 mm。值得注意的是，在R291—R310環(huán)試驗段，注漿壓力超過0.4 MPa后，由于注漿壓力過大，出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，地表沉降反而增加。

圖4 注漿壓力對地表沉降的影響曲線Fig.4 Influence curve of grouting pressure on surface settlement

在R270—R290環(huán)、R291—R310環(huán)試驗段，注漿壓力波動范圍為0.27～0.40 MPa，波動幅度超過0.1 MPa，地表沉降波動超過5 mm;在注漿壓力分布較為均勻的R311—R330環(huán)試驗段，地表沉降波動小于2 mm。地表沉降受注漿壓力的波動影響較大。

注漿壓力試驗段典型斷面R280、R306、R320沉降槽曲線及特征值分別如圖5和表5所示。

圖5 注漿壓力試驗段地表沉降曲線Fig.5 Surface settlement curve of grouting pressure test section

表5 同步注漿壓力試驗段沉降槽特征值Tab.5 Characteristic value of grouting pressure test section

由表5可知，試驗段Ⅱ沉降槽寬度系數(shù)為7.39～7.71 m，地層損失為0.362～0.405;注漿壓力增大對填充率的影響不大。在一定范圍內(nèi)，增大注漿壓力可以減小地表沉降;但注漿壓力過大會導(dǎo)致劈裂、跑漿，進而增大地層損失。由此可見，當注漿壓力小于0.40 MPa時，受注漿壓力單因素影響，注漿壓力增大時地表沉降減小，建議將注漿壓力保持在0.35～0.40 MPa范圍內(nèi)。地表沉降受注漿壓力波動影響較大，為控制地表沉降平穩(wěn)發(fā)展，施工時注漿壓力應(yīng)盡量保持均勻。

3.3 注漿材料對地表沉降控制效果的影響

試驗段Ⅲ典型斷面R143、R148、R153與試驗段Ⅱ典型斷面R320沉降槽曲線及其特征值如圖6和表6所示。

表6 注漿材料試驗段沉降槽特征值Tab.6 Characteristic value of settling tanks in grouting material test section

試驗段Ⅲ沉降槽寬度系數(shù)為6.36～6.92 m，地層損失為0.435～0.479。如圖6所示，采用可硬性漿液的試驗段Ⅱ的R320斷面地表最大沉降量為20.98 mm;而采用惰性漿液的試驗段Ⅲ的3個典型斷面地表最大沉降量均大于25 mm，最大為30.10 mm，填充率不足70%。

圖6 注漿材料對地表沉降的影響曲線Fig.6 Grouting material influence on surface settlement

3個試驗段地層主要為富水軟土，圍巖較為軟弱、自穩(wěn)性差。在水、土壓力的作用下，惰性漿液凝結(jié)時間長、初期強度低、保水性差，會產(chǎn)生較大變形，并更易向周圍土體滲透、流失，導(dǎo)致填充率降低。而可硬性漿液凝結(jié)時間短，初期強度高，可以在較短時間內(nèi)和周圍土體形成有一定承載力的結(jié)實體，增強地層穩(wěn)定性。因此，可硬性漿液對地表沉降的控制效果明顯比惰性漿液要好，建議同步注漿材料采用可硬性漿液。

4 盾構(gòu)施工地層沉降控制措施

綜上所述，為減小盾構(gòu)施工引起的地表沉降，可從同步注漿量、注漿壓力、注漿材料等方面提出相應(yīng)的控制措施:

1)地表沉降較大時，可增大同步注漿量，提高間隙填充率，減小地層損失，從而控制地表沉降。

2)地表沉降起伏較大時，可控制同步注漿操作中注漿壓力，使注漿壓力保持平穩(wěn)，控制注漿壓力大小，做到盡量填補而不造成劈裂，從而減小地表沉降起伏。

3)地表沉降較大，且在富水軟土地層中掘進時，可采用凝結(jié)時間短、初期強度大，保水性好的注漿材料，以便短時間內(nèi)增強地層穩(wěn)定性，控制地表沉降。

5 結(jié)論

1)隨著注漿量的增大，地表沉降減小;注漿量增大到一定程度后，地表沉降的控制效果不再明顯。對于類似工程，建議施工中同步注漿量為3.5 m3/環(huán)、注漿率為210%。

2)當注漿壓力小于0.4 MPa時，地表沉降隨注漿壓力增大而減小;當注漿壓力過大，超過0.4 MPa時，對地表沉降控制不利，容易造成劈裂、漏漿，導(dǎo)致地表沉降增大，建議注漿壓力保持在0.35～0.40 MPa范圍內(nèi)。地表沉降受注漿壓力波動影響較大，為控制地表沉降平穩(wěn)發(fā)展，施工時注漿壓力應(yīng)盡量保持均勻。

3)在富水軟土地層中，可硬性漿液對地表沉降的控制效果比惰性漿液要好，建議采用可硬性漿液。