地鐵盾構(gòu)隧道施工同步注漿參數(shù)控制

李 娟

(深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司南京分公司，江蘇南京210000)

0 前言

城市地鐵是現(xiàn)代城市交通的重要組成部分，隨著城市交通發(fā)展的需求，地鐵建設(shè)大范圍上馬。在地鐵施工技術(shù)得到飛速發(fā)展的同時(shí)，施工過(guò)程對(duì)城市環(huán)境造成的破壞事故屢見(jiàn)不鮮。由于地鐵施工面臨城市大規(guī)模高密度建筑群和道路等，如何減小地鐵施工對(duì)城市環(huán)境的影響成為地鐵施工的研究重難點(diǎn)［1～3］。

盾構(gòu)作為地鐵施工領(lǐng)域的新興技術(shù)，近年來(lái)得到了飛速發(fā)展。盾構(gòu)施工同步注漿技術(shù)是減小盾構(gòu)施工對(duì)周?chē)貙佑绊懙年P(guān)鍵手段，如圖1所示，在管片拼裝完成并脫出盾尾后，及時(shí)將適量的具有一定的早期強(qiáng)度的漿液注入盾尾空隙內(nèi)，利用其固結(jié)硬化后的強(qiáng)度填充建筑空隙，為管片提供一定的支撐反力［4，5］。盾構(gòu)同步注漿的施工參數(shù)主要包括注漿壓力、注漿量、注漿速率、注漿時(shí)間等，較為重要的是注漿壓力和注漿量。施工中通常采用注漿量與注漿壓力雙重標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行注漿控制，保證有足夠的漿液能很好的填充管片與地層之間的空隙。

圖1 盾構(gòu)同步注漿示意圖

本文通過(guò)深入分析依托工程地鐵盾構(gòu)隧道施工中的同步注漿技術(shù)要點(diǎn)，研究了同步注漿注漿量和注漿壓力施工控制標(biāo)準(zhǔn)，確保有效降低盾構(gòu)施工過(guò)程中的地層即時(shí)變形。

依托工程盾構(gòu)刀盤(pán)直徑為6250 mm，管片外徑為6000 mm，某標(biāo)段穿越土層主要為粘性土，盾構(gòu)埋深約12.5 m。

1 同步注漿注漿量設(shè)定

影響盾構(gòu)同步注漿的注漿量因素很多，在實(shí)際施工過(guò)程中注漿量按下式估算：

式中：Q——單環(huán)管片注漿量，m3;D——盾構(gòu)刀盤(pán)直徑，m;d——預(yù)制管片外徑，m;L——管片襯砌每環(huán)長(zhǎng)度，取2 m。

根據(jù)式(1)計(jì)算可得該標(biāo)段單環(huán)管片注漿量為4.8 m3。

1.1 超挖區(qū)附加注漿量

如圖2所示，實(shí)際施工過(guò)程中，盾構(gòu)掘進(jìn)軸線往往為曲線，必然增加盾尾空隙。施工經(jīng)驗(yàn)表明，若盾構(gòu)超挖1 cm，注漿量將增加10%左右，超挖區(qū)附加注漿量計(jì)算方法如下：

圖2 曲線施工超挖量示意圖

式中：Vc——盾構(gòu)超挖附加注漿量，m3;Rc——盾構(gòu)曲線轉(zhuǎn)彎半徑，取800 m;C——盾構(gòu)機(jī)自刀盤(pán)到盾尾的長(zhǎng)度，取9.76 m;D——盾構(gòu)機(jī)外徑，m。

根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算可得該標(biāo)段超挖區(qū)附加注漿量為0.29 m3。

1.2 同步注漿量施工損耗系數(shù)

在盾尾同步注漿施工中，注漿多采用直接壓送方式，即注漿管多是從設(shè)置在盾構(gòu)始發(fā)工作井附近的注漿泵開(kāi)始，隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，不斷接長(zhǎng)注漿管，一直延續(xù)到接受井。漿液被壓送到注漿孔的過(guò)程中，漿液的損耗是不可避免的。隨著盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度的增加，殘留在注漿管道內(nèi)的漿液量逐漸增多，施工過(guò)程中砂漿的損耗必須考慮，以確保盾尾注漿的注漿量［6，7］。按照常規(guī)施工經(jīng)驗(yàn)，需要考慮1.1～1.2的損耗系數(shù)。本工程施工中采用1.2的損耗系數(shù)，計(jì)算可得該標(biāo)段單環(huán)管片實(shí)際注漿量為6.108 m3。

2 同步注漿注漿壓力設(shè)定

施工過(guò)程中注漿壓力控制標(biāo)準(zhǔn)常常以注漿孔的漿液壓力為準(zhǔn)，而非漿液系統(tǒng)的輸出壓力，通常在盾構(gòu)機(jī)上設(shè)置土壓力傳感器，等效監(jiān)測(cè)注漿壓力的大小。注漿過(guò)程中必須克服管道壓力損失和地下水土壓力，施工過(guò)程中應(yīng)盡可能增加注漿壓力，從而減小襯砌與地層之間的空隙，有效控制地層壓力損失，控制地表沉降和建筑物傾斜等。

2.1 同步注漿壓力下限

如圖3所示，理想的注漿壓力下限必須維持土塊A的穩(wěn)定，使之不塌陷。

圖3 理想注漿壓力計(jì)算示意圖

根據(jù)靜力學(xué)分析，假定粘土層摩擦角近似為零，則同步注漿壓力下限值為：

式中：P下限——注漿壓力下限值，MPa;γ——土的容重，取 18 kN/m3;cu——粘聚力，取 24 kPa。

計(jì)算可得該標(biāo)段注漿壓力下限值為0.125 MPa。

2.2 同步注漿壓力上限

實(shí)際施工過(guò)程中，同步注漿壓力常常遵循舍小取大的原則，盡可能將注漿壓力設(shè)置足夠大，有條件的區(qū)段在地表設(shè)置沉降測(cè)點(diǎn)，以地表隆起為臨界點(diǎn)，這種方法在控制地表沉降和建筑物隆起方面非常有效，同時(shí)可以大大縮短同步注漿時(shí)間。注漿壓力也不能設(shè)置過(guò)大，避免土層發(fā)生劈裂破壞，從而造成大范圍地表沉降;注漿壓力過(guò)大也可能導(dǎo)致盾尾刷損壞、管片接頭破損等工程事故。因而注漿壓力必須設(shè)定在最小注漿壓力與劈裂注漿壓力之間［8，9］。

對(duì)注漿壓力分析時(shí)可采用真三軸周應(yīng)力模型，各參數(shù)意義如圖4所示，其中Pf為注漿壓力上限值，利用圖4所示的應(yīng)力疊加原理，可以確定孔周任意點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，在r=a處有：

圖4 應(yīng)力疊加原理圖

同步注漿的壓力上限對(duì)應(yīng)土體的拉裂破壞，則注漿壓力上限值為：

計(jì)算可得該標(biāo)段注漿壓力上限值為0.316 MPa。由前面計(jì)算可知注漿壓力下限值為0.125 MPa，按照同步注漿壓力盡可能大的原則［10，11］，取該標(biāo)段同步注漿壓力為0.3 MPa。

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究地鐵盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中同步注漿參數(shù)設(shè)置技術(shù)，確定了考慮超挖和施工損耗的注漿量設(shè)置方法，通過(guò)注漿壓力上下限提出合理的注漿壓力設(shè)置原則。采用上述原則確定依托工程某標(biāo)段單環(huán)管片同步注漿量為6.108 m3，注漿壓力下限為0.125 MPa，上限為0.316 MPa，按照舍小求大原則，將同步注漿壓力定為0.3 MPa，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明采用該注漿參數(shù)有效地控制了地表變形。

［1］ 李鐘，黃常波，劉強(qiáng)，等.地鐵隧道盾構(gòu)施工同步注漿風(fēng)險(xiǎn)因素分析與控制［J］.建筑技術(shù)，2009，(11).

［2］ 白云，戴志仁，徐飛，等.后掘盾構(gòu)越先掘盾構(gòu)對(duì)地層變形的影響研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，(2).

［3］ 石明江.注漿法在盾構(gòu)推進(jìn)穿越已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2006，(4).

［4］ 江玉生，宋曉兵，江華.土壓平衡盾構(gòu)施工中同步注漿與地表沉降的關(guān)系［A］.2011中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C］.2011.

［5］ 李志明，廖少明，戴志仁.盾構(gòu)同步注漿填充機(jī)理及壓力分布研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，(11).

［6］ 樊姝芳.同步注漿技術(shù)在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械，2011，(7).

［7］ 侯永峰，曹瑞瑯，汪宏偉.不同預(yù)注漿加固范圍時(shí)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)穩(wěn)定分析［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(1).

［8］ 王俊杰，朱俊高.土體水力劈裂計(jì)算理論綜述［A］.第二屆全國(guó)巖土與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集(下冊(cè))［C］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［9］ 陳培帥，陳衛(wèi)忠，莊嚴(yán).基于斷裂力學(xué)的巖爆破壞形跡兩級(jí)預(yù)測(cè)方法研究［J］.巖土力學(xué)，2013，(2).

［10］ 宋天田，周順華，徐潤(rùn)澤.盾構(gòu)隧道盾尾同步注漿機(jī)理與注漿參數(shù)的確定［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，(1).

［11］ 王建秀，付慧仙，朱雁飛，等.基于地層損失的盾構(gòu)沉降計(jì)算方法研究進(jìn)展［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，(1).