大直径泥水盾构同步注浆量变化及浆液分布规律分析

汪 磊,刘陕南,赵育林,肖晓春,李 磊

(1.上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海 201620； 2.上海隧道工程有限公司,上海 200032)

1 概述

盾构法已成为我国重大地下工程建设的主要方法。在盾构施工过程中，对盾尾空隙进行同步注浆是盾构施工的关键工序[1]。同步注浆对控制地层位移，减少对周边地下结构物的扰动和维持盾构隧道结构的稳定性起着重要作用[2]。注浆浆液的选取和注浆量与注浆压力的设定是盾构同步注浆施工参数确定的关键，目前国内外大断面泥水盾构同步注浆浆液选取方面主要是单液浆和双液浆[2]，在虹梅南路隧道、上中路隧道和长江路隧道施工中主要使用的是抗剪型单液浆[3-5]，而在南京长江隧道和复兴东路隧道等工程中采用了双液浆[6-7]。另外，深圳地铁华—岗盾构区间在国内首次运用惰性浆液注浆，并取得了很好的效果[8]。在注浆机理分析方面，宋天田等[9]在分析盾构隧道盾尾同步注浆的作用机理的基础上，采用理论分析及计算的方法，重点对同步注浆的注浆压力和注浆量进行了分析和研究。叶飞等[10-12]将浆液分别看作牛顿流体和宾汉姆流体，考虑充填、压密和渗透和劈裂等不同浆液扩散模型，分析了注浆压力分布规律；汪磊和李涛[13]基于宾汉姆流体假设采用Wittke和Wallner公式、Lombadi公式和黄春华公式对裂隙岩体注浆扩散半径进行计算。周智[14]阐述了在浅埋富水沙层中土压平衡盾构机土仓压力和同步注浆对地表沉降的影响。在注浆量方面，郝润霞[15]对软土地区盾构施工过程中曲线段因盾构超挖产生的空隙进行了理论计算，并对直线段与曲线段的同步注浆量进行了比较。

目前大量的注浆量的分析都是基于理论计算展开，但在实际工程中注浆量和浆液分布规律与理论计算有一定的差别，尤其是对于大断面泥水平衡盾构隧道的同步注浆受多种因素的影响。为了更一步指导后续大断面泥水盾构隧道同步注浆施工，以某盾构注浆量实测数据为依据，分别分析了全断面、直线段、上坡段和下坡段和曲线段的注浆量变化和浆液分布规律，旨在为相关工程的注浆设计和施工提供参考。

2 工程概况

某盾构隧道全长约5 260 m。越江隧道部分长度为3 390 m，有东西2条隧道。采用德国海瑞克公司生产的1台φ14.93 m泥水加压平衡盾构机进行施工，该盾构机最大推力203 066 kN，刀盘额定扭矩34 735 kN/m。盾构穿越的主要地层有粉质黏土层，黏质粉土层，砂质粉土层和淤泥质黏土层等等。盾构段隧道外径14.5 m，采用C60P12混凝土管片，管壁厚度为600 mm，一共有10块不同类型的管片，由7块标准块和2块邻接块以及1块封顶块组成，采用错缝拼装的形式。管片之间采用直螺栓连接，每环衬砌环设有38根M27纵向螺栓、20根M36环向螺栓。盾构段最大覆土厚度为43 m，设计最大水压达到580 kPa，隧道中心埋深为18～52.2 m。

3 大断面泥水盾构同步注浆浆液类型及施工技术

盾构同步注浆就是在盾构机掘进的同时，当隧道的衬砌管片装配完成之后，在管片离开盾尾的时候，注浆泵通过对注浆浆液加压，将合适量的注浆材料通过管片上预留出的注浆孔注入到掘进时产生的空隙当中[1]。因为浆液具有一定的强度能够在注入的一瞬间填充周围空隙，避免土体沉降，使得空隙体被快速的填充，保证了土体的相对稳定，可以避免地表出现较大规模的沉降和保持地层的相对稳定性。在实际盾构施工中，注浆孔在盾构管片上的位置通常设置在管片的末端，随着盾构机的掘进注入浆液，通常在完成一环管片距离的掘进后，浆液会从注浆孔流出填充土体。

在大断面泥水盾构隧道施工时，想要使得浆液分布均匀，空隙被充分地进行填充，避免浆液填充的不均匀而造成的管片受力不均匀，管片上的注浆孔不少于4个，通常为6孔或8孔注浆。如图1所示，施工中可以根据地层分布，地表沉降等情况及时调整同步注浆的位置。通常在每一个注浆孔都设有一个压力控制器，可以用来监测和控制各个孔的注浆量和注浆压力，并可以及时进行调整，以使盾构管片注浆浆液分布均匀。

图1 多点注浆方式示意

盾构同步注浆施工中浆液选取材料类型要结合地质条件，同时也与掘进机种类、土层状况、施工成本等方面有关[2]，主要基于以下几方面考虑：(1)如果对于土体条件较好的施工环境或者在岩石层中施工，通常可考虑单液注浆；(2)在软土地层或者地上建筑物密集的地段，尤其是在地下管线密集和土层变化较大的地段，尽可能使用双液注浆。如果施工方施工水平较高，经验丰富，可使用单液型浆液进行注浆，其有着黏性大和保水性强等优点，施工成本较低，同时还可以起到提高隧道的整体稳定性的作用；(3)在地下水充沛的地层中，应该使用双液浆，防止地下水对浆液造成稀释；(4)在泥水盾构施工中，为了避免盾尾的泥水流动而造成浆液稀释，应采用双浆液施工。

在实际工程中，各地各单位均会根据自己遇到的实际情况选择相应配比的注浆浆液，但主要为双液浆和抗剪型单液浆。双液浆存在易堵管，造价昂贵等缺点，但早期强度较高。抗剪型单液浆具有造价便宜、抗浮效果较好，不易堵管等优点。二者在同步注浆作用上有明显区别。目前在上海隧道建设过程中使用到的注浆材料以单液浆为主，而中铁系统则使用以双液浆主，本文盾构隧道工程中采用的是单液浆。

另外在注浆施工控制方面，有两种方法可以对注浆过程进行控制。一种方法是通过设定注浆压力的大小来控制注浆量，还有一种是将施工前计算好的注浆量完全注入。因为注浆压力在施工中难以精确控制，所以目前施工中大多数是通过预设注浆量来进行注浆施工，可以看出注浆量的设定对于同步注浆施工是十分重要的。为此，本文接下来将以某大断面泥水盾构隧道工程同步注浆的注浆量数据在各工况下的规律进行分析。

4 大断面泥水盾构同步注浆浆液分布规律

4.1 全断面同步注浆量分析

该盾构隧道采用6孔注浆，如图1(a)所示，全断面同步注浆量分析选取共1684环管片的同步注浆数据，平均注浆量为22.55 m3，平均注浆率为113.5%，各孔平均注浆量见表1。其中，1号(右上)平均注浆量为5.45 m3、2号(右中)平均注浆量3.42 m3、3号(右下)平均注浆量1.99 m3、4号(左下)平均注浆量1.97 m3、5号(左中)平均注浆量3.59 m3、6号(左上)平均注浆量6.12 m3。另外，上部注浆量约占67%，下部注浆量约占33%。右半边注浆量约占48%，左半边注浆量约占52%，左侧注浆量略大于右侧。由于全断面注浆形成的注浆圈相当于一个完整且均匀的360°圆环，另外在同步注浆时各孔是同时开注，因此可计算出各孔注浆量所占总注浆量的角度，即为各孔注浆量形成注浆圈的具体范围，如图2所示。

表1 各个注浆孔平均注浆量

图2 各个孔注浆量分布

4.2 直线段同步注浆量分析

选取共200环的直线段盾构同步注浆数据进行分析，平均注浆量为21.98 m3，直线段平均注浆率为110.6%，各环注浆量变化如图3所示。各孔平均注浆量形成的注浆圈范围如图4所示，其中管片上部注浆量约占65%，下部注浆量约占35%；需要说明的是在本文注浆量分析中，将上方1号、6号孔注浆量及中部2号、5号孔注浆量的一半确定为上部注浆量，而将下方3号、4号孔的注浆量及中部2号、5号孔注浆量的另一半确定为下部注浆量。右半边1号、2号、3号注浆孔注浆量约占51%，左半边4号、5号、6号注浆孔注浆量约占49%。因此，在盾构直线段，管片注浆量两侧基本相同，相互对称。

图3 直线段各环注浆量变化

图4 直线段各个孔注浆量分布

选取共100环200 m长、坡度为-30‰的下坡段盾构注浆量数据进行分析，在200 m范围盾构高程下降了6 m。各环注浆量变化如图5所示，平均注浆量为21.90 m3，下坡段平均注浆率为110.2%，分析图5可以发现，在直线下坡段随着埋深增加，平均注浆量并没有明显变化，且与直线段平均注浆量相近，原因是二者埋深相近，基本维持在21.90 m3附近震荡。

图5 下坡段各环注浆量变化

下坡段上部、中部和下部的注浆量变化规律如图6所示，其中盾构管片上方1号、6号号注浆孔注浆量平均约占49%，中部2号、5号注浆孔注浆量平均约占32%，下方3号、4号注浆孔注浆量平均约占19%。分析图6可以发现随埋深增加，上方1号、6号注浆孔注浆量逐渐增大，中部2号、5号注浆孔注浆量基本维持不变，下方3号、4号注浆孔注浆量逐渐减小。

图6 下坡段上中下各孔注浆量变化

另外，选取共100环200 m坡度为+40‰的上坡段盾构注浆量数据进行分析，在200 m范围内盾构高程上升了8 m。各环注浆量变化如图7所示，平均注浆量为22.25 m3，上坡段平均注浆率为112.0%。分析图7可以发现上坡段随埋深减小，各环注浆量也逐渐减少，与直线段和下坡段的平均注浆量相比，由于上坡段埋深变化较大，所以各孔注浆量变化也大。

上坡段上部、中部和下部的注浆量变化规律如图8所示，其中盾构管片上方1号、6号注浆孔注浆量平均约占50%，中部2号、5号注浆孔注浆量平均约占32%，下方3号、4号注浆孔注浆量平均约占18%。

图8 上坡段上中下各孔注浆量变化

对比分析直线上不同坡度段的盾构同步注浆量可以发现，在坡度为-30‰的直线下坡段，随着盾构隧道埋深的增加，各环平均注浆量呈线性变化。期间，每环管片随深度增加的注浆量约为0.000 9 m3，埋深增加6 m，注浆量增加了0.09 m3。另外，在坡度为+40‰的直线上坡段，随着隧道埋深的减小，各环平均注浆量也呈现线性变化。每环管片注浆量减少约为0.010 9 m3。即埋深降低了8 m，注浆量减小了1.09 m3。

4.3 曲线段同步注浆量分析

选取曲线半径R0=3 014.675 m的右曲线盾构同步注浆量数据进行分析，每环平均注浆量为22.35 m3，每环左右两侧注浆量变化如图9所示。显然，从图9可知，在盾构机向右转弯的过程中，每环左侧注浆量除个别环外均大于右侧注浆量，最大差值达到了0.8 m3，但在大部分范围内均小于0.4 m3。右曲线段右侧和左侧平均注浆量分布范围如图10所示，其中，右半边1号、2号、3号孔注浆总量约占49%，而左半边4号、5号、6号孔注浆总量约占51%，左侧4号、5号、6号孔合计平均注浆量略大于右侧1号、2号、3号孔合计平均注浆量。

图9 右曲线段两侧注浆量变化

图10 右曲线段两侧平均注浆分布

同理，选取曲线半径R=1985.3250 m的左曲线盾构注浆量数据进行分析，平均注浆量为22.25 m3。每环左右两侧注浆量变化如图11所示。从图11可知，在盾构机向左转弯的过程中，每环左侧注浆量均小于右侧注浆量，且二者平均差值达到了0.8 m3。左曲线段右侧和左侧平均注浆量分布范围如图12所示，其中，右侧1号、2号、3号孔注浆总量约占54%，而左侧4号、5号、6号孔注浆总量约占46%，显然，左侧4号、5号、6号孔合计平均注浆量明显大于右侧1号、2号、3号孔合计平均注浆量。

图11 左曲线段两侧注浆量变化

图12 右曲线段两侧平均注浆分布

通过对比分析右曲线段和左曲线段盾构同步注浆量，并结合直线段数据可以得出，在右曲线中，左侧平均注浆量略大于右侧平均注浆量，二者相差约0.45 m3；在左曲线中，右侧平均注浆量大于左侧平均注浆量，二者相差约0.89 m3。盾构隧道曲线段两侧注浆量是不对称的，右曲线时左侧注浆量较大，左曲线时右侧注浆量较大，同直线段注浆量相比较能够看出两侧注浆量的差值与曲线半径有关。直线段可以看作半径无限大的曲线段，而曲线的半径越大，管片两侧注浆量差异越小，曲线的半径越小，管片两侧注浆量差异越大。

另外，根据曲线段超挖部分的注浆增加量计算公式[15]，可计算得曲线半径Rc分别为1 985.325 m和3 014.675 m时，其中盾构机壳体长度L取10 m和盾构机外径D为14.93 m，理论超挖区域注浆量分别为0.29 m3和0.19 m3，而实际两侧注浆量差值分别为0.89 m3和0.45 m3，因此曲线段超挖部分的平均注浆率分别达到了306.9%和236.8%。显然，曲线段超挖区域实际注浆量远大于理论值，且曲线半径越小，差值越大。

5 结论

(1)全断面注浆量基本呈现出左右对称分布，上中下各孔注浆量比例为0.512∶0.311∶0.177。

(2)直线段左右两侧平均注浆量基本相同，呈对称分布；每环平均注浆率与线路坡度有关，坡度越大注浆率越大；另外，在直线上坡段平均注浆量逐渐减小，而在直线下坡段注浆量逐渐增大。

(3)曲线段每环两侧注浆量是不对称的，右曲线段左侧注浆量较大，左曲线段右侧注浆量较大；两侧注浆量的差值与曲线半径相关，曲线半径越小，两侧注浆量差值越大，且超挖部分平均注浆率越大，并远大于直线段。