韓 鑫，葉 飛，何 彪，趙 猛，應凱臣

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

隨著城市人口的不斷增長，交通擁堵日益成為城市發(fā)展的重要問題。目前，城市軌道交通是解決這一問題的重要手段之一。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，2017年北京累計完成客運量37.8億人次，日均客運量1 035萬人次，居全國首位；西安累計完成客運量6.05億人次，日均客運量165.8萬人次，居全國第13位。由此可見，城市軌道交通正發(fā)揮著越來越重要的作用。在城市軌道交通的各類線路中(地下、地面、高架)，地下線是其重要的組成部分。由于城市地下線的建設大多在城市內，盾構工法以其施工效率高、對周邊環(huán)境影響小而被廣泛應用在城市地下線的建設中。

盾構隧道的建設主要是通過盾構機這一具有掘削、臨時支撐、拼裝管片等作用的綜合設備進行施工。在盾構隧道施工過程中，壁后注漿是其中較為關鍵的施工技術。針對盾構隧道壁后注漿施工過程，黃宏偉等[2]通過地質雷達探測了壁后注漿漿液擴散特征；Hashimoto等[3]、Bezuijen等[4]通過在管片襯砌上安裝壓力盒等檢測儀器，分析壁后注漿在管片表面產(chǎn)生的壓力；葉飛[5]、李志明等[6]研究了壁后注漿漿液的擴散特征，進一步闡明了漿液的擴散機理。

由于盾構壁后注漿具有一定的隱蔽性，室內模擬試驗成為認識盾構壁后注漿漿液擴散特征的重要方式。目前國內外學者已開展了一些壁后注漿的模擬試驗，本文試圖通過對各類模擬試驗的總結，分析其特征，為進一步開展相關試驗研究提供參考。

1 盾構壁后注漿施工

壁后注漿作為盾構隧道施工過程中的關鍵施工技術，具有獨特的施工工藝，可以實現(xiàn)掘進過程中的同步注漿、二次補漿等，能夠及時填充盾尾間隙，控制地層變形，確保管片襯砌結構的受力等，因此該技術在盾構施工中具有重要作用。

1.1 壁后注漿施工工藝

根據(jù)注入漿液的位置，盾構隧道壁后注漿施工可分為盾尾注漿和管片注漿，盾尾注漿是通過盾殼內預制的注漿孔將漿液注入到盾尾間隙中，而管片注漿是通過管片中心預留的吊裝孔，將漿液注入盾尾間隙，盾尾注漿和管片注漿如圖1所示[7]。

圖1 壁后注漿

盾尾注漿和管片注漿是2種不同的注漿施工技術，因此其施工操作難易性、靈活性、注漿效果等方面具有差異，2種施工工藝的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 盾尾注漿及管片注漿的優(yōu)缺點比較

由于管片注漿和盾尾注漿的差異性，在盾構施工中這2種不同的注漿方式具有其對應的應用場景。盾尾注漿主要是在盾構掘進過程中通過管片注漿孔進行同步注漿，能夠及時填充管片和地層之間的間隙，有效控制隧道周邊地層的變形；管片注漿主要用于二次補漿，針對管片背后局部不密實的地層，通過螺栓孔補充漿液，為盾構隧道控制地層變形提供一種補救措施。

1.2 壁后注漿的作用及影響

盾構壁后注漿的主要作用可以概括為以下幾個方面[8-9]。

(1)阻塞滲水通道，提高盾構隧道抗?jié)B效果。

(2)充填盾尾間隙，緩解地層變形。

(3)充填地層空隙，提高地層骨架承載能力。

(4)使管片受力均勻，避免應力集中。

(5)固定管片位置，避免管片漂移。

(6)改善地層性質，減少擾動沉降。

(7)均勻包裹管片，緩震減沖。

盾構壁后注漿不僅可以提高地層的抗?jié)B性、緩解地層變形、提高地層的承載能力等，還能固定管片位置，確保管片受力均勻，同時也能起到一定的減震作用。上述壁后注漿的作用主要是指壁后注漿完成后可以達到的預期效果，然而在壁后注漿施工過程中，由于注漿壓力的施加以及盾尾間隙的不斷產(chǎn)生，將對管片襯砌及周邊地層產(chǎn)生一定的影響。

盾構壁后注漿施工過程對管片和地層的影響主要表現(xiàn)為：管片所受漿液壓力過大時，將會導致管片錯縫、破裂等；注漿量或漿液壓力過大時，將擠壓地層，導致地表隆起，注漿量或注漿壓力過小時，將導致地表發(fā)生沉降變形。

目前針對壁后注漿施工過程，國內外學者通過現(xiàn)場實測、理論分析、模型試驗等方法開展了大量的研究工作，其中模型試驗是認識壁后注漿漿液擴散特征的重要手段。目前開展的模型試驗大致可以分為兩類：一類是模擬盾構隧道施工過程中，隨著盾構掘進而同步進行的盾構壁后注漿；另外一類是開展局部注漿試驗，選取盾構隧道外側局部地層，分析施工參數(shù)對漿液擴散的影響。前一類模型試驗可分析注漿施工對管片、地層的影響，屬于現(xiàn)象方面的研究；后一類模型試驗屬于機理方面的研究，從漿液擴散機理方面提高對盾構壁后注漿的認識。

2 盾構注漿整體模擬試驗

針對盾構壁后注漿施工對管片襯砌結構的影響以及對隧道周邊地層的影響，開展盾構壁后注漿整體模擬試驗。該類盾構注漿模擬試驗，主要按照真實隧道的施工過程進行設計，隨著盾構的不斷推進進行同步注漿施工，通過在隧道襯砌結構上和周邊地層中埋設測量裝置，測量盾構壁后注漿的影響過程，同時也可以觀察漿液在地層中的擴散過程。

董其昌等[10]設計了同步注漿模型試驗系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)包括試驗箱、推進系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)通過預埋直徑為125 mm的長管模擬刀盤開挖輪廓，通過左側直徑110 mm短管的頂進、長管的逐漸頂出模擬盾構掘進，第一節(jié)短管由鋼材料制成，并通過該節(jié)上的小孔模擬同步注漿。試驗過程中，在箱體中央橫斷面等間距布置了位移計監(jiān)測地表變形。通過該試驗系統(tǒng)，作者分析了漿液配比和注漿量對地表位移的影響。

圖2 同步注漿模型試驗系統(tǒng)

李文濤[11]采用透明土代替天然土進行壁后注漿模擬試驗，設計的試驗系統(tǒng)由模型箱、推進系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成，如圖3所示。該試驗系統(tǒng)和董其昌等提出的模型試驗系統(tǒng)有一定差異，它是將管片預先固定在模型箱上，然后將盾構套在管片外側，隨著盾構拉出，管片逐漸脫出盾尾，形成盾尾間隙。盾構注漿的注漿管預置在盾殼內，隨著盾構的推進同步進行盾尾注漿。

圖3 基于透明土的同步注漿試驗系統(tǒng)

該試驗系統(tǒng)可較好地模擬管片逐漸脫出盾殼、隧道周邊形成盾尾間隙并進行同步注漿的施工過程。數(shù)據(jù)采集過程采用激光器片光源成像，工業(yè)數(shù)字相機捕獲圖像，并通過后處理軟件對圖像的分析，較為準確地測試壁后注漿漿液擴散過程。通過該試驗系統(tǒng)研究了級配均勻砂與細砂、同步注漿與未注漿、不同注漿壓力對地層沉積及漿液擴散過程的影響。

張莎莎等[12]設計了盾構壁后注漿模型試驗系統(tǒng)，同樣由土箱、盾構系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖4所示。其中土箱、管片、盾構模型如圖5所示。

圖4 壁后注漿模型試驗平臺

圖5 土箱、管片、盾構模型

該試驗所用的土箱尺寸較大，整體剛度較高，而且可在地表面加載，分析不同地層應力條件下的壁后注漿施工過程。模型試驗系統(tǒng)采用玻璃樹脂模擬管片，采用鋼套筒模擬盾構機，與李文濤等設計的試驗思路類似，隨著盾構機的掘進，盾尾間隙形成，同時進行壁后注漿施工。試驗過程中，通過管片表面埋設的壓力盒測試管片所受到的漿液壓力，通過視頻監(jiān)測裝置分析漿液的擴散過程。采用該試驗裝置可施加較高的注漿壓力，模擬不同的地層應力水平，因此該試驗裝置可較為真實地模擬盾構壁后注漿施工過程。

楊鵬博[13]針對隧道下部注漿孔漿液的擴散過程設計了模型試驗系統(tǒng)，該試驗系統(tǒng)由模型箱、注漿系統(tǒng)、地下水模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測試及處理系統(tǒng)組成，如圖6所示。該試驗系統(tǒng)模型箱中采用2層有機玻璃模擬管片和盾殼，其中管片固定在模型箱中，盾殼可以移動，并在盾殼上設置了注漿孔，通過該注漿孔可進行同步注漿。在試驗過程中，隨著盾殼的移動，在管片和地層之間形成盾尾間隙，通過同步注漿逐漸填充盾尾間隙。在地層中埋設土壓力盒和孔壓計，可測試漿液擴散過程中地層的壓力和孔隙水壓力分布。通過該試驗系統(tǒng)，研究了注漿方式、注漿壓力、漿液水灰比、地層分維數(shù)對漿液擴散過程的影響。

圖6 漿液擴散試驗裝置平面布置

根據(jù)上述對同步注漿模型試驗的分析可以看出，該類模型試驗主要是對實際工程施工過程進行模擬分析，即隨著盾構的掘進，管片襯砌逐漸脫出盾尾，在管片和土層之間形成盾尾間隙，并通過注漿孔進行注漿。在該類模型試驗中，主要分析了漿液擴散特征、管片所受漿液壓力、地層的變形等。

該類模型試驗從較為宏觀的角度分析了盾構壁后注漿漿液擴散過程及其對管片和地層的影響。通過該類模型試驗可以直接分析盾構施工的動態(tài)過程，為科學研究和工程建設提供有參考價值的資料。

3 盾構注漿局部擴散試驗

針對盾構壁后注漿擴散過程開展的另一類試驗，主要是對漿液擴散機理的分析，通過選取隧道周邊局部地層進行注漿試驗，分析漿液的擴散機理。

Bezuijen等[14]對一直徑為9.5 m的盾構隧道管片所受的壓力進行現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)管片所受壓力隨著盾構的掘進而增加，隨著盾構的停機而減小。當盾尾通過測試斷面后，盾構掘進過程中的壁后注漿施工對前期已完成注漿的管片環(huán)仍有影響，即盾尾通過后，測試斷面管片所受壓力仍有變化，但管片所受的壓力總體上隨著盾構的掘進而逐漸減小分析認為，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是漿液注入地層后發(fā)生固結，選取隧道周邊局部地層放大，漿液的固結過程如圖7所示[15]。

圖7 漿液固結機理

Bezuijen等[15]設計了漿液固結試驗，如圖8所示，試驗設備如圖9所示。該試驗系統(tǒng)通過壓縮空氣提供壓力(可提供30～300 kPa的壓力)，通過測量集水箱中的排出水量分析漿液的固結過程，注漿完成后，通過測試地層的剪切強度，分析注漿對地層的加固效果。

圖8 漿液固結試驗

圖9 漿液固結試驗設備

梁精華[16]針對壁后注漿完成后漿體的硬化、變形過程設計了試驗裝置，如圖10所示。該試驗系統(tǒng)假設漿體固結過程中漿體壓力不變，并通過在活塞上方砝碼堆載模擬漿體壓力，試驗過程中測試漿體滲出的水量。通過該試驗系統(tǒng)分析了漿體壓力和注漿材料對注漿體固結過程的影響。

圖10 漿液恒壓擴散裝置

梁精華在漿體恒壓固結試驗的基礎上設計了如圖11所示的試驗裝置[17]，該試驗裝置由三部分組成：注漿系統(tǒng)、單元體系統(tǒng)、量測系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)通過注漿系統(tǒng)提供注漿壓力和漿液；單元體系統(tǒng)的下部安裝有千斤頂，可以使土體具有一定的初始應力；單元體內土體上方有預留孔隙，模擬盾尾間隙，在該預留孔隙內放置氣囊，可以使地層保持一定的初始應力；同步注漿過程中，氣囊注漿排氣，模擬同步注漿過程。通過該試驗裝置研究了注漿完成后漿液壓力隨時間的變化過程，分析了所施加的注漿壓力、地層條件對漿液壓力消散過程的影響。

圖11 漿體變壓注漿裝置

袁小會等[18]針對注漿體固結變形過程設計了如圖12所示的試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)在圖10所示系統(tǒng)的基礎上增加了百分表、孔壓計，以監(jiān)測堆載體的下沉量和注漿體內的孔隙水壓力，并增加了地下水壓系統(tǒng)，使注漿體內可保持一定的孔隙水壓力，較為準確地分析注漿體內孔隙水壓的變化。

圖12 漿體固結變形孔壓測試試驗

盾構壁后注漿局部試驗主要針對注漿體固結變形機理、注漿體壓力消散等過程進行了試驗研究。試驗中考慮盾尾間隙、漿液、地層3個主要因素，通過提供約束條件，使?jié){液地層內具有一定的壓力，并監(jiān)測注漿體、地層內的壓力以及孔隙水的排出量，分析注漿體的固結過程和壓力消散過程。

4 結 語

通過對壁后注漿室內模擬試驗進行總結，分析了目前已有的各類試驗裝置的主要組成特征以及可開展的研究內容，對進一步開展壁后注漿室內模擬試驗具有一定的參考價值。根據(jù)上述分析，主要可得以下結論。

(1)分析總結了壁后注漿施工工藝、注漿的作用及其影響，根據(jù)試驗研究的對象，將壁后注漿模擬試驗研究分為整體模擬試驗和局部模擬試驗。

(2)盾構壁后注漿整體模擬試驗的研究對象為實際施工過程，根據(jù)相關模型試驗理論，建立盾構掘進、管片脫出、壁后注漿的盾構掘進和注漿的動態(tài)模型。通過設置位移計、壓力盒、孔壓計等監(jiān)測儀器，分析壁后注漿施工過程中的地表沉降、地層及管片受力、地層內孔隙水的變化等，采用透明土代替天然土，結合相關設備可分析漿液擴散距離、地層位移情況等。

(3)盾構壁后注漿局部模擬試驗的研究對象為隧道周邊局部地層中盾尾間隙、注漿體、地層的相互作用關系，該類模型試驗裝置也主要由這三方面的因素組成，局部模擬試驗主要分析了注漿體的固結過程和注漿體壓力消散的過程。

(4)目前，壁后注漿的室內試驗主要是通過壓力盒、孔壓計等手段進行測試，分析漿液和管片的受力情況，進而說明漿液擴散特征，針對漿液擴散的細觀、微觀研究較少，雖有部分學者開展了相關研究，但主要是針對巖土工程，對盾構隧道施工的特征分析不足，需進一步考慮盾構隧道壁后注漿漿液擴散的微細觀特征。