（中鐵高新工業(yè)股份有限公司，北京 100070）

近年來，盾構(gòu)法作為城市地鐵隧道施工的一種主要施工方法已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，由施工引起的地表沉降則越來越受到業(yè)界關(guān)注。一般認(rèn)為，施工降水措施、盾構(gòu)開挖擾動(dòng)、管片環(huán)承壓變形、盾尾空隙填充不足是由施工引起地表沉降的主要原因。針對盾尾空隙填充不足導(dǎo)致的地表沉降，張恒等以具體工程為依托，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測表明地表沉降隨著注漿量及注漿壓力的增大而減小。黃恒儒等對由于向盾尾隧道外空隙注漿不及時(shí)、注漿量不足、盾尾漏漿等導(dǎo)致的地層損失影響進(jìn)行了分析，并提出嚴(yán)格壁后注漿的控制要求。陳廣亮系統(tǒng)分析了超前注漿、同步注漿和補(bǔ)充注漿3 種方式改善砂卵石地層物理力學(xué)性能的機(jī)制，并介紹了不同注漿方式的注漿方法和參數(shù)，認(rèn)為通過各階段的注漿能夠有效地控制盾構(gòu)法施工引起的地表沉降。江玉生等從注漿量、注漿壓力、漿液質(zhì)量著手結(jié)合實(shí)例分析論證了同步注漿對控制地表沉降的影響和關(guān)系。

綜合而言，通過控制壁后注漿來影響地表沉降是一個(gè)綜合性問題，既與施工控制措施有關(guān)，也與盾構(gòu)本身的注漿系統(tǒng)有關(guān)。

本文主要從盾構(gòu)的設(shè)計(jì)角度，研究了一種盾構(gòu)壁后注漿地表沉降控制系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)確認(rèn)了該系統(tǒng)針對砂質(zhì)地層和黏土地層的沉降控制效果，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)概述

盾構(gòu)工程地表沉降控制系統(tǒng)由壓力保持裝置和多個(gè)壁后注漿管組成，不僅能夠自由切換注漿和清洗的管路，還可以不間斷地向壁后注入注漿材料。該系統(tǒng)通過其中一個(gè)注漿管自動(dòng)向壁后注入主要注漿材料（A 液），即使在管片拼裝作業(yè)時(shí)，也能夠?qū)⒆罴褖毫B續(xù)施加到已填充的壁后注漿材料上（圖1～圖3）。

圖1 盾構(gòu)隧道斷面圖

圖2 傳統(tǒng)的壁后注漿

通過沉降控制系統(tǒng)，在掘進(jìn)時(shí)或掘進(jìn)停止進(jìn)行管片拼裝作業(yè)時(shí)，都能保持合適的壁后注漿材料壓力，確保壁后注漿質(zhì)量，最大限度控制地層變形，保證盾構(gòu)施工安全。

圖3 沉降控制系統(tǒng)

圖4 為沉降控制系統(tǒng)的作業(yè)流程。該系統(tǒng)至少由兩個(gè)壁后注漿管路（甲管路、乙管路）組成。掘進(jìn)①的同時(shí)，通過甲管路注漿。在管片拼裝①時(shí)，通過甲管路向壁后注入注漿材料或主要材料，對已經(jīng)注入環(huán)隙的壁后注漿材料加壓。與此同時(shí)，到管片拼裝①結(jié)束為止，乙管路完成清洗①。掘進(jìn)②中，通過乙管路進(jìn)行壁后注漿，到掘進(jìn)③開始之前甲管路完成清洗②。然后在管片拼裝②時(shí)，通過乙管路進(jìn)行壁后注漿。掘進(jìn)③中，與掘進(jìn)①相同，通過甲管路進(jìn)行壁后注漿，在下一循環(huán)掘進(jìn)前乙管路完成清洗③。測量壁后注漿材料壓力的同時(shí)重復(fù)此作業(yè)流程，能夠始終確保注入的壁后注漿材料的壓力。

圖4 沉降控制系統(tǒng)作業(yè)流程

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

目前，在盾構(gòu)施工中，一般分為盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)節(jié)和管片拼裝環(huán)節(jié)兩個(gè)步驟，為有效論證管片拼裝環(huán)節(jié)的地表沉降控制效果，我們制造了模擬尾盾和地層的試驗(yàn)裝置，并在由砂質(zhì)土和黏土構(gòu)成的模擬地層中再現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)壁后注漿及盾構(gòu)停止時(shí)的狀態(tài)。試驗(yàn)分為2 種情況，一種是采用沉降控制系統(tǒng)，另一種是沒有采用沉降控制系統(tǒng)，驗(yàn)證方法是通過測量安裝在模擬地層中的沉降板的位移和試驗(yàn)裝置中的壁后注漿壓力，比較試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)概況

1)試驗(yàn)裝置 圖5 為試驗(yàn)裝置原理圖，裝置由注漿管、土壓計(jì)、沉降板、位移計(jì)、盾尾密封刷和油缸構(gòu)成。圖6 為試驗(yàn)裝置照片。尺寸為800mm×800mm×1650mm，并在側(cè)面的一側(cè)安裝了一塊亞克力板，以便肉眼觀察實(shí)際的壁后注漿狀況。通過油缸可以將相當(dāng)于尾盾的盾殼最大移動(dòng)850mm，同時(shí)可以從尾盾注入壁后注漿材料。在盾殼上方200mm 處安裝了2 個(gè)100mm×100mm 的沉降板，測量地表位移。另外，在試驗(yàn)裝置的3 個(gè)位置和壁后注漿管附近的1 個(gè)位置（共計(jì)4 處）安裝了土壓計(jì)，以便可以測量壁后注漿材料內(nèi)部的壓力。

圖5 試驗(yàn)裝置原理圖

2)試驗(yàn)用模擬地層 模擬砂質(zhì)土的地層是粒徑0.15～5mm、含有砂、礫石的混凝土細(xì)骨料。模擬黏土的地層是非硬化性盾構(gòu)用可塑填充材料。

3)試驗(yàn)用壁后注漿材料 試驗(yàn)使用的是盾構(gòu)工程中常規(guī)的壁后注漿材料。凝固時(shí)間在15s 以內(nèi)，1h 后的單軸抗壓強(qiáng)度為0.05N/mm2，28 天后的單軸抗壓強(qiáng)度為2.00N/mm2。

圖6 試驗(yàn)裝置照片

2.3 試驗(yàn)順序

表1 為實(shí)施的4 個(gè)試驗(yàn)及試驗(yàn)條件。油缸行程為850mm，在0～450mm 區(qū)間沒有采用該系統(tǒng)；在450～850mm 區(qū)間采用該系統(tǒng)。通過向試驗(yàn)裝置中的飽和土體施加0.4～0.5bar 的水壓進(jìn)行試驗(yàn)。油缸的頂推速度為50mm/min。壁后注漿條件是假設(shè)注漿材料沒有滲入土體，且填充滿注漿環(huán)隙?？紤]到作用在裝置內(nèi)的水壓（0.4bar）和模擬砂質(zhì)土的重量，假設(shè)壁后注漿壓力約為0.5bar；考慮到作用于裝置內(nèi)的水壓為0.5bar 和模擬黏土的重量，假設(shè)壁后注漿壓力約為0.6bar。

表1 4個(gè)試驗(yàn)（計(jì)劃試驗(yàn)條件）

設(shè)定了壁后注漿壓力的上限值和下限值作為該系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)定壓力。該系統(tǒng)根據(jù)裝置內(nèi)部壓力的變動(dòng)自動(dòng)進(jìn)行壁后注漿，當(dāng)?shù)陀谙孪拗禃r(shí)，開始注入，達(dá)到上限值時(shí)，停止注入。下限值是掘進(jìn)剛停止時(shí)的壁后注漿壓力，上限值是掘進(jìn)剛停止后的壁后注漿壓力+0.03bar。

在各區(qū)間掘進(jìn)之后，設(shè)定掘進(jìn)停止時(shí)間直到沉降板的位移變得穩(wěn)定為止，約為30min（以實(shí)際測量結(jié)果為準(zhǔn)），并且測量掘進(jìn)期間和掘進(jìn)停止后沉降板的位移和各種壓力。

2.4 砂質(zhì)土條件下的試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)1和試驗(yàn)2）

表2 為測量結(jié)果，表3 為沉降板1 的位移量。

表2 測量結(jié)果（試驗(yàn)1、試驗(yàn)2）

表3 沉降板1的位移量（試驗(yàn)1、試驗(yàn)2）

1)壁后注漿填充率 如果將壁后注漿填充率的計(jì)劃值看作100%，在試驗(yàn)1 中，壁后注漿填充率為102%；在試驗(yàn)2中，壁后注漿填充率為103%。

2)沉降板的位移 油缸行程、壁后注漿材料流量和地層位移隨時(shí)間推移發(fā)生變化。關(guān)于沉降板的位移，在試驗(yàn)1 中，掘進(jìn)過程中的沉降為10.8 mm。掘進(jìn)停止后，進(jìn)一步沉降了8.8mm，直到測量完成為止，總沉降量為19.6mm。在試驗(yàn)2 中，掘進(jìn)過程中的沉降為11.6mm，掘進(jìn)停止后，啟動(dòng)運(yùn)行沉降控制系統(tǒng)，通過壁后注入A液保持壓力，逐步隆起5.7mm，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總沉降量為5.9mm。

3)壁后注漿管噴漿口壓力 壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移隨時(shí)間推移發(fā)生變化。關(guān)于壁后注漿管噴漿口壓力，在試驗(yàn)1 中，掘進(jìn)停止后壓力呈波浪形變化，但壓力逐漸降低至0.53bar。在試驗(yàn)2 中，掘進(jìn)停止后由于系統(tǒng)運(yùn)行而使壓力交替地上升和下降，但是可以確認(rèn)壓力保持在設(shè)定的下限值0.55bar 以上。

2.5 黏土層條件下的試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)3和試驗(yàn)4）

表4 為測量結(jié)果，表5 為沉降板2 的位移量。

表4 測量結(jié)果（試驗(yàn)3、試驗(yàn)4）

表5 沉降板2的位移量（試驗(yàn)3、試驗(yàn)4）

1）壁后注漿填充率 試驗(yàn)3的壁后注漿率為101%；試驗(yàn)4 的壁后注漿率為123%。在試驗(yàn)3 中，黏土發(fā)生龜裂和沉降導(dǎo)致壁后注漿填充率低。在試驗(yàn)4 中，壁后注漿填充率增加至120%。

2)沉降板的位移 油缸行程、壁后注漿材料流量和地層位移隨時(shí)間推移發(fā)生變化。關(guān)于沉降板的位移，在試驗(yàn)3 中，掘進(jìn)過程中的沉降量為18.1mm；掘進(jìn)停止后，進(jìn)一步沉降了10.4mm，總沉降量為28.5mm。在試驗(yàn)4 中，掘進(jìn)過程中的沉降量為5.4mm，掘進(jìn)停止后，啟動(dòng)運(yùn)行沉降控制系統(tǒng)，通過壁后注入A 液保持壓力，逐步隆起3.6 mm，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)總沉降量為1.8mm。

3)壁后注漿管噴漿口壓力 圖7 和圖8 表示壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移隨時(shí)間推移發(fā)生變化。關(guān)于注漿管噴漿口壓力，在試驗(yàn)3 中，掘進(jìn)停止后壓力呈波浪形變化，變化范圍為0.74～0.79bar。在試驗(yàn)4中，在掘進(jìn)停止之后由于系統(tǒng)運(yùn)行而使壓力交替上升和下降，但是可以確認(rèn)壓力保持在設(shè)定的下限值0.75bar 以上。

圖7 壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移變化（試驗(yàn)3）

圖8 壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移變化（試驗(yàn)4）

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

關(guān)于使用砂質(zhì)土和黏土確定沉降控制系統(tǒng)有效性的試驗(yàn)結(jié)果研究如下。

1)砂質(zhì)土 在不采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，掘進(jìn)停止后產(chǎn)生了8.8mm 的沉降，在掘進(jìn)停止后的45min 左右產(chǎn)生位移，位移量約為試驗(yàn)裝置注漿環(huán)隙 （90mm)的10%。另外，當(dāng)掘進(jìn)停止后，試驗(yàn)裝置內(nèi)部的注漿壓力降低。這是因?yàn)樵诰蜻M(jìn)停止之后注漿壓力降低導(dǎo)致土體松動(dòng)而沉降了8.8mm。在采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，掘進(jìn)停止后發(fā)生了5.7mm 的隆起。通過運(yùn)行該系統(tǒng)，壁后注漿材料的主要材料總共被注入了8 次。在試驗(yàn)條件下，由于埋深較淺，因此上覆土荷載較小，地表壁后注漿壓力反應(yīng)敏感，從而導(dǎo)致隆起。在實(shí)際施工現(xiàn)場，埋深較大，通過適當(dāng)調(diào)整設(shè)定壓力，認(rèn)為不會(huì)發(fā)生地表隆起。

2)黏土 在不采用地表沉降控制系統(tǒng)的情況下，在掘進(jìn)停止之后發(fā)生了10.4mm 的沉降。在掘進(jìn)停止后約20min 內(nèi)發(fā)生位移，位移量約為試驗(yàn)裝置注漿環(huán)隙（90mm）的12%。另外，在不采用沉降控制系統(tǒng)的情況下維持了裝置內(nèi)部的注漿壓力。這與使用的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)中使用的模擬土體的特性有關(guān)。因此，10.4mm 的沉降被認(rèn)為是地層松動(dòng)造成的。在采用地表沉降控制系統(tǒng)的情況下，在掘進(jìn)過程中發(fā)生了5.4mm 的沉降，在掘進(jìn)停止后產(chǎn)生了3.6mm 的隆起。通過運(yùn)行該系統(tǒng)，壁后注漿材料的主要材料總共被注入了兩次。在該試驗(yàn)條件下，認(rèn)為與砂土相同，由于埋深小，所以上覆土荷載小，并且地層對壁后注漿壓力敏感反應(yīng)，從而引起隆起。在實(shí)際施工現(xiàn)場，埋深較大，而且通過適當(dāng)調(diào)整設(shè)定壓力，認(rèn)為不會(huì)發(fā)生地表隆起現(xiàn)象。因此，在砂土和黏土地層中，認(rèn)為能夠通過適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)定壓力來抑制地面的沉降和位移（圖9）。

圖9 沉降概念圖

3 結(jié)論與建議

通過以上驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得經(jīng)驗(yàn)如下。

1)在砂土模擬地層中進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，在不采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，由于掘進(jìn)停止后壁后注漿壓力降低，地表出現(xiàn)沉降。但采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，由于保持壁后注漿壓力的原因，發(fā)生了地表隆起現(xiàn)象。

2)在黏土模擬地層中進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，不采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，由于掘進(jìn)停止后地層松動(dòng)，發(fā)生了地表沉降。但采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，由于保持壁后注漿壓力的原因，發(fā)生了地表隆起現(xiàn)象。

3)在試驗(yàn)中，由于埋深小，因此上覆土荷載小，并且地層對壁后注漿壓力敏感反應(yīng)，從而引起隆起。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證了新開發(fā)的沉降控制系統(tǒng)的有效性，認(rèn)為通過適當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)定壓力，能夠控制盾構(gòu)施工引起的地層擾動(dòng)和地表沉降問題，可進(jìn)一步提升盾構(gòu)工程的安全性。