1、砂卵石地层盾构施工注浆对地表沉降的分析及措施【摘要】：盾构法隧道施工时地表沉降仍然是施工控制中的突出问题之一。砂卵石地层中，由于地质条件的特殊性，地表沉降反应快、具突发性，危害极大，是工程中急待解决的问题。本文分析了地表沉降的原因，结合北京地铁十号线盾构隧道的工程实践，有针对性提出了各种应对措施，为各位读者略作参考。 【关键词】：盾构施工；砂卵石地层；地表沉降；注浆；对策。 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 引言 盾构法隧道施工技术以其施工速度快、施工安全性好、工程质量有保障、对周边环境影响小而成为城市地铁隧道施工最佳的工法选择。随着盾构制造技术的逐步国产化，盾构法隧道成本进一
2、步降低，近年来该工法在城市地铁施工中得以大面积推广。但在盾构法隧道施工过程中，地表沉降控制由于受地质水文条件、盾构选型、施工参数、施工经验、施工工艺控制等条件的影响仍然是施工控制中的突出问题之一。特别是在砂卵石地层中，由于地质条件的特殊性，地表沉降具有突发性，反应快，处理不当易造成较严重的安全事故。 一、沉降原因 盾构掘进引起土体变形的原因很多， 而且各自发生的机理不同，主要有以下几方面。 1、开挖时水土压力不平衡。土压平衡式盾构或泥水盾构，由于掘进量与排土量不等，开挖面土压力、水压力与压力舱形成压力不平衡， 致使开挖面失去平衡，产生土体变形。 2、推进过程中围岩扰动。盾构推进时，由于盾构的壳
3、板与围岩摩擦和围岩的扰动而引起土体下沉或隆起，特别是蛇形修正和曲线推进时的超挖，是产生围岩松动的原因。 3、盾尾空隙和壁后注浆不充分。由于盾尾空隙的产生使受盾壳支撑的围岩朝着盾尾空隙变形而产生土体下沉。土体下沉程度受壁后注浆材料的性质、注入时间、位置、压力、数量等影响。 4、衬砌变形与变位。管片连接螺栓不紧固，管片环易变形，盾尾空隙增大，盾尾脱出后外压不均等导致衬砌变形或变位，从而造成土体沉降。 二、砂卵石地层的掘进注浆对地表沉降影响的分析 砂卵石地层掘进，地表沉降反应快，如不及时处理将导致地表较大沉降或坍塌，地表建筑物将出现裂缝，甚至垮塌，在砂卵石地层进行盾构掘进施工及时有效的同步、二次、径
4、向注浆对地表沉降控制尤为关键。1、同步注浆对地表沉降影响分析 影响地表沉降的第二个主要因素就是同步注浆，根据施工总结，在渣土改良完全充分、良好的情况下，同步注浆控制不好，将是影响地表沉降的最不利因素。同步注浆的目的是为了填充管片脱出盾尾后管片与盾构刀盘开挖面轮廓的土体空隙。在同步注浆过程中主要考虑的就是浆液的收缩率，能减小浆液的收缩率就能控制地表沉降，怎样能控制浆液收缩率，根据分析，首先分析地层，其地层组成成分的颗粒大小以及颗粒之间的间隙，在砂卵石地层注浆，首先考虑有压力和无压力的情况下组成浆液的颗粒被地层吸收的情况。根据分析，砂卵石地层中同步注浆，在无压力的情况下，其组成的浆液的颗粒粒径要大
5、于砂卵石地层颗粒之间的间隙，这样才能保证地层在无压力的情况无法吸收浆液颗粒，从而管片与土层的间隙才能有效的填充，减少浆液损失，才能保证地层和地表的沉降。本次试验就是研究在使用不同配比的浆液时地表沉降的变化规律；二是对注浆量和注浆压力进行调整。最后，根据监测数据，找出一种在这种砂卵石地层中对控制地表沉降效果最好的参数。 2、 二次补浆对地表沉降影响分析： 主要针对二次补浆的位置和注浆压力进行调整。砂卵石地层对浆液的吸收性较强，当管片脱出盾尾后，同步注浆能及时填充间隙，但鉴于地层的吸收和同步注浆浆液自身的收缩性，地层与管片壁厚会出现间隙，地表出现沉降，及时的二次补注浆，能有效的较小地表沉降的速率和
6、沉降值。 3、径向注浆对地表沉降影响分析： 盾构同步注浆后，由于浆液的脱水，浆液体积收缩会加剧地表的后期沉降量，虽然采取了二次补浆措施，但由于在盾构掘进过程中对地层的扰动，土体之间存在细微的间隙，二次补浆后其浆液同样会收缩，不能完全填充被扰动土体的间隙，再由于地面的冲击动荷载，地层后期可能会引起叠加沉降，如果能在被扰动的地层进行有偿的挤密性注浆加固，就能阻止地层后期的叠加沉降。 三、砂卵石地层的掘进注浆措施 1、同步注浆 隧道衬砌管片外径为 6000mm，环形衬砌管片与土体之间有环形空隙，此空隙需及时填充，防止周围的土体产生应变而致使上部土体下沉。此区间保持一定压力不间断地从盾尾直接向壁后注浆
7、，当盾构推进结束时，达到设定压力后停止注浆。 （1）注浆量计算 通常可按下式估算：Q=V 式中，V 为理论空隙量， 为注入率。 盾构机刀盘直径和预制钢筋混凝土管片外径有差值，则理论上每掘进一环，盾构掘削土体形成空间与管片外壁之间空隙的理论体积为： 注入率 主要影响因素包括注入压力决定的压密系数 1、土质系数（砂卵石）2、施工损耗系数 3 和超挖系数 4。在一般情况下，1 取 0.10，2 取 0.4，3 取 0.10，4 取 0.15。则 =1+1 +2+3+4=1.75，即注入率为 175%。同步壁后注浆的注入量受浆液向土体中的渗透、泄露损失（浆液流到注入区域之外） 、大坡度半径施工、超挖、
8、壁后注浆所用浆液的种类等多种因素的影响，控制注入量多少的基本原则是要保证有足够的浆液能很好的填充管片与地层之间的空隙。 （2）注浆压力 在同步壁后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，本工程采取的是以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法。 （3）注浆关键技术的控制 注浆操作是盾构施工中的一个关键工序，直接关系工程安全和经济效益。因此在施工中加强注浆管理，严格按照“确保注浆压力，兼顾注浆量”的双重保障原则（所谓双控就是注浆方量和注浆压力的控制，根据开挖土体的空隙和注浆地层的渗透以及注浆过程的损失计算出一个理论注浆方量和压力，根据理论值控制浆液的注入方量和压力
9、。注浆方量控制：即注入过程中当浆液方量已经达到理论值时，其注浆压力还远远达不到要求，此时就得考虑，地层是否有空洞、地层是否被击穿形成地面冒浆；注浆压力控制，即注浆压力值已经达到，而注浆方量还不够，这种情况下就得考虑，注浆系统是否堵塞） 。注浆操作必须有专人完成，在每环掘进完成后必须对注浆量进行记录，当发现注浆量变化较大时，应认真分析其原因，通过加大注浆压力等方法补注，当同步注浆无法满足沉降要求时，必需及时进行二次（多次）补浆。 2、二次补浆 同步注浆后，由于收缩，土体之间仍存在空隙，又由于盾构推力，衬砌和土层间会相互分离，二次注浆能有效地进一步充实背衬空隙和提高止水能力。 （1）二次注浆利用管
10、片的预留注浆孔和管片吊装孔开口后进行补浆，二次补浆采用水泥水玻璃浆液，弥补壁后浆液的填充不实的空隙，减小因同步注浆不饱满产生的沉降，为满足地表沉降要求，施工中要求每环都二次补浆。 （2）二次补浆浆液材料为水泥浆液和水玻璃，其浆液配比为水灰比=1:1，水泥浆液与水玻璃混合液体积比为 1:1，根据技术参数和设备能力调节水玻璃混合液的浓度，此处施工要求双液浆的凝结时间为 2530 秒。（3）二次补浆选择在同步浆液初凝时间内，同时补浆不能太靠近盾尾，双液浆凝结速度快，可能导致盾构外壳被箍住，以致无法向前掘进，选择太远的地方，单液浆初凝收缩后会引起地层下沉，根据以上分析和盾构施工经验，二次补注浆安排在当
11、前拼装管片后第 45 环管片处。开始补浆时应注意注浆量的控制，应根据同步注浆浆液的收缩率，确定二次补浆的浆液方量。当注浆量已达到要求而注浆压力仍达不到要求则考虑除设备原因外，地层是否被击穿，浆液通过缝隙冒浆而导致泄压。 （4）二次补浆压力和注浆量不要过大，根据上部地层覆土厚度注浆压力控制在 0.250.28MPa，根据地表监测值以满足沉降的要求。 3、径向补偿注浆 （1） 径向补偿注浆利用管片的预留注浆孔和管片吊装孔开口后进行补浆，补偿注浆采用水泥水玻璃浆液，弥补壁后浆液的填充不实的空隙，减小因同步注浆和二次补浆不饱满产生的沉降。 （2）径向注浆工艺 先将与管片吊装孔配套的有 50cm 长螺纹
12、的钢管安装在吊装孔中，钢管安装时螺纹处用生料带缠绕，钢管外露 10cm 并接上单向阀。 采用 YT28 气腿式凿岩机进行钻孔，钻杆顶进时，注意管口不受损、变形、以便与注浆管路连接。 在盾尾脱离管片 6-7 环后，实施径向补偿注浆措施。 钻孔过程中每循环钻进 50cm 便注浆加固，加固成型后再进行钻进施工，如此循环钻孔和注浆两个步骤，逐步深入，直至钻孔、加固至隧洞径向 3m。 注浆导管采用 42mm，长 3.5m，壁厚为 3.75mm。 （2）径向补偿注浆的注浆量受砂卵石地层的渗透率、泄漏损失、浆液的种类和注浆压力等多种因素的影响，为保证注浆效果、控制地层沉降，浆液为普通水泥浆液，其浆液水灰比=
13、1:1， ，注浆最终压力为23MPa，每孔注浆为 33.5m，注浆半径为 1m。在注浆过程中注意地表沉降点的监测，根据其监测结果及时调整注浆量和注浆压力，以达到最优效果，注浆后期采用高标号防水砂浆回填堵孔，进行防水密封处理。 结束语 上图为北京十号线某标段区间，盾构在砂卵石掘进施工过程的沉降曲线图，从图上可看出，盾构掘进施工地表沉降主要发生在刀盘上方和管片脱出盾尾的上 方，而通过有效、及时的注浆（同步注浆、二次补浆、径向注浆）措施后，地表沉降能得到的控制，满足相关规范要求。 本文只要是针对砂卵石地层盾构掘进施工注浆对地表沉降影响进行了一些初步分析，给予初浅的技术措施，对完全控制在此地层掘进施工的沉降方法还有待进一步探索和研究。 参考文献 【1】周文波盾构法隧道施工技术及应用M 北京：中国建筑工业出版社，2004 【2】张云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析J 岩石力学与工程学报，2002 【3】朱伟，秦建设，卢廷浩.砂土中盾构开挖面变形与破坏数值模拟研究J 岩土工程学报，2005
