大直徑泥水盾構(gòu)同步注漿量變化及漿液分布規(guī)律分析

汪 磊,劉陜南,趙育林,肖曉春,李 磊

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620； 2.上海隧道工程有限公司,上海 200032)

1 概述

盾構(gòu)法已成為我國(guó)重大地下工程建設(shè)的主要方法。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，對(duì)盾尾空隙進(jìn)行同步注漿是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵工序[1]。同步注漿對(duì)控制地層位移，減少對(duì)周邊地下結(jié)構(gòu)物的擾動(dòng)和維持盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要作用[2]。注漿漿液的選取和注漿量與注漿壓力的設(shè)定是盾構(gòu)同步注漿施工參數(shù)確定的關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)外大斷面泥水盾構(gòu)同步注漿漿液選取方面主要是單液漿和雙液漿[2]，在虹梅南路隧道、上中路隧道和長(zhǎng)江路隧道施工中主要使用的是抗剪型單液漿[3-5]，而在南京長(zhǎng)江隧道和復(fù)興東路隧道等工程中采用了雙液漿[6-7]。另外，深圳地鐵華—崗盾構(gòu)區(qū)間在國(guó)內(nèi)首次運(yùn)用惰性漿液注漿，并取得了很好的效果[8]。在注漿機(jī)理分析方面，宋天田等[9]在分析盾構(gòu)隧道盾尾同步注漿的作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用理論分析及計(jì)算的方法，重點(diǎn)對(duì)同步注漿的注漿壓力和注漿量進(jìn)行了分析和研究。葉飛等[10-12]將漿液分別看作牛頓流體和賓漢姆流體，考慮充填、壓密和滲透和劈裂等不同漿液擴(kuò)散模型，分析了注漿壓力分布規(guī)律；汪磊和李濤[13]基于賓漢姆流體假設(shè)采用Wittke和Wallner公式、Lombadi公式和黃春華公式對(duì)裂隙巖體注漿擴(kuò)散半徑進(jìn)行計(jì)算。周智[14]闡述了在淺埋富水沙層中土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力和同步注漿對(duì)地表沉降的影響。在注漿量方面，郝潤(rùn)霞[15]對(duì)軟土地區(qū)盾構(gòu)施工過(guò)程中曲線段因盾構(gòu)超挖產(chǎn)生的空隙進(jìn)行了理論計(jì)算，并對(duì)直線段與曲線段的同步注漿量進(jìn)行了比較。

目前大量的注漿量的分析都是基于理論計(jì)算展開(kāi)，但在實(shí)際工程中注漿量和漿液分布規(guī)律與理論計(jì)算有一定的差別，尤其是對(duì)于大斷面泥水平衡盾構(gòu)隧道的同步注漿受多種因素的影響。為了更一步指導(dǎo)后續(xù)大斷面泥水盾構(gòu)隧道同步注漿施工，以某盾構(gòu)注漿量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分別分析了全斷面、直線段、上坡段和下坡段和曲線段的注漿量變化和漿液分布規(guī)律，旨在為相關(guān)工程的注漿設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 工程概況

某盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)約5 260 m。越江隧道部分長(zhǎng)度為3 390 m，有東西2條隧道。采用德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)的1臺(tái)φ14.93 m泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，該盾構(gòu)機(jī)最大推力203 066 kN，刀盤(pán)額定扭矩34 735 kN/m。盾構(gòu)穿越的主要地層有粉質(zhì)黏土層，黏質(zhì)粉土層，砂質(zhì)粉土層和淤泥質(zhì)黏土層等等。盾構(gòu)段隧道外徑14.5 m，采用C60P12混凝土管片，管壁厚度為600 mm，一共有10塊不同類(lèi)型的管片，由7塊標(biāo)準(zhǔn)塊和2塊鄰接塊以及1塊封頂塊組成，采用錯(cuò)縫拼裝的形式。管片之間采用直螺栓連接，每環(huán)襯砌環(huán)設(shè)有38根M27縱向螺栓、20根M36環(huán)向螺栓。盾構(gòu)段最大覆土厚度為43 m，設(shè)計(jì)最大水壓達(dá)到580 kPa，隧道中心埋深為18～52.2 m。

3 大斷面泥水盾構(gòu)同步注漿漿液類(lèi)型及施工技術(shù)

盾構(gòu)同步注漿就是在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的同時(shí)，當(dāng)隧道的襯砌管片裝配完成之后，在管片離開(kāi)盾尾的時(shí)候，注漿泵通過(guò)對(duì)注漿漿液加壓，將合適量的注漿材料通過(guò)管片上預(yù)留出的注漿孔注入到掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的空隙當(dāng)中[1]。因?yàn)闈{液具有一定的強(qiáng)度能夠在注入的一瞬間填充周?chē)障?，避免土體沉降，使得空隙體被快速的填充，保證了土體的相對(duì)穩(wěn)定，可以避免地表出現(xiàn)較大規(guī)模的沉降和保持地層的相對(duì)穩(wěn)定性。在實(shí)際盾構(gòu)施工中，注漿孔在盾構(gòu)管片上的位置通常設(shè)置在管片的末端，隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)注入漿液，通常在完成一環(huán)管片距離的掘進(jìn)后，漿液會(huì)從注漿孔流出填充土體。

在大斷面泥水盾構(gòu)隧道施工時(shí)，想要使得漿液分布均勻，空隙被充分地進(jìn)行填充，避免漿液填充的不均勻而造成的管片受力不均勻，管片上的注漿孔不少于4個(gè)，通常為6孔或8孔注漿。如圖1所示，施工中可以根據(jù)地層分布，地表沉降等情況及時(shí)調(diào)整同步注漿的位置。通常在每一個(gè)注漿孔都設(shè)有一個(gè)壓力控制器，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制各個(gè)孔的注漿量和注漿壓力，并可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以使盾構(gòu)管片注漿漿液分布均勻。

圖1 多點(diǎn)注漿方式示意

盾構(gòu)同步注漿施工中漿液選取材料類(lèi)型要結(jié)合地質(zhì)條件，同時(shí)也與掘進(jìn)機(jī)種類(lèi)、土層狀況、施工成本等方面有關(guān)[2]，主要基于以下幾方面考慮：(1)如果對(duì)于土體條件較好的施工環(huán)境或者在巖石層中施工，通?？煽紤]單液注漿；(2)在軟土地層或者地上建筑物密集的地段，尤其是在地下管線密集和土層變化較大的地段，盡可能使用雙液注漿。如果施工方施工水平較高，經(jīng)驗(yàn)豐富，可使用單液型漿液進(jìn)行注漿，其有著黏性大和保水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，施工成本較低，同時(shí)還可以起到提高隧道的整體穩(wěn)定性的作用；(3)在地下水充沛的地層中，應(yīng)該使用雙液漿，防止地下水對(duì)漿液造成稀釋?zhuān)?4)在泥水盾構(gòu)施工中，為了避免盾尾的泥水流動(dòng)而造成漿液稀釋?zhuān)瑧?yīng)采用雙漿液施工。

在實(shí)際工程中，各地各單位均會(huì)根據(jù)自己遇到的實(shí)際情況選擇相應(yīng)配比的注漿漿液，但主要為雙液漿和抗剪型單液漿。雙液漿存在易堵管，造價(jià)昂貴等缺點(diǎn)，但早期強(qiáng)度較高?？辜粜蛦我簼{具有造價(jià)便宜、抗浮效果較好，不易堵管等優(yōu)點(diǎn)。二者在同步注漿作用上有明顯區(qū)別。目前在上海隧道建設(shè)過(guò)程中使用到的注漿材料以單液漿為主，而中鐵系統(tǒng)則使用以雙液漿主，本文盾構(gòu)隧道工程中采用的是單液漿。

另外在注漿施工控制方面，有兩種方法可以對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行控制。一種方法是通過(guò)設(shè)定注漿壓力的大小來(lái)控制注漿量，還有一種是將施工前計(jì)算好的注漿量完全注入。因?yàn)樽{壓力在施工中難以精確控制，所以目前施工中大多數(shù)是通過(guò)預(yù)設(shè)注漿量來(lái)進(jìn)行注漿施工，可以看出注漿量的設(shè)定對(duì)于同步注漿施工是十分重要的。為此，本文接下來(lái)將以某大斷面泥水盾構(gòu)隧道工程同步注漿的注漿量數(shù)據(jù)在各工況下的規(guī)律進(jìn)行分析。

4 大斷面泥水盾構(gòu)同步注漿漿液分布規(guī)律

4.1 全斷面同步注漿量分析

該盾構(gòu)隧道采用6孔注漿，如圖1(a)所示，全斷面同步注漿量分析選取共1684環(huán)管片的同步注漿數(shù)據(jù)，平均注漿量為22.55 m3，平均注漿率為113.5%，各孔平均注漿量見(jiàn)表1。其中，1號(hào)(右上)平均注漿量為5.45 m3、2號(hào)(右中)平均注漿量3.42 m3、3號(hào)(右下)平均注漿量1.99 m3、4號(hào)(左下)平均注漿量1.97 m3、5號(hào)(左中)平均注漿量3.59 m3、6號(hào)(左上)平均注漿量6.12 m3。另外，上部注漿量約占67%，下部注漿量約占33%。右半邊注漿量約占48%，左半邊注漿量約占52%，左側(cè)注漿量略大于右側(cè)。由于全斷面注漿形成的注漿圈相當(dāng)于一個(gè)完整且均勻的360°圓環(huán)，另外在同步注漿時(shí)各孔是同時(shí)開(kāi)注，因此可計(jì)算出各孔注漿量所占總注漿量的角度，即為各孔注漿量形成注漿圈的具體范圍，如圖2所示。

表1 各個(gè)注漿孔平均注漿量

圖2 各個(gè)孔注漿量分布

4.2 直線段同步注漿量分析

選取共200環(huán)的直線段盾構(gòu)同步注漿數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平均注漿量為21.98 m3，直線段平均注漿率為110.6%，各環(huán)注漿量變化如圖3所示。各孔平均注漿量形成的注漿圈范圍如圖4所示，其中管片上部注漿量約占65%，下部注漿量約占35%；需要說(shuō)明的是在本文注漿量分析中，將上方1號(hào)、6號(hào)孔注漿量及中部2號(hào)、5號(hào)孔注漿量的一半確定為上部注漿量，而將下方3號(hào)、4號(hào)孔的注漿量及中部2號(hào)、5號(hào)孔注漿量的另一半確定為下部注漿量。右半邊1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)注漿孔注漿量約占51%，左半邊4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)注漿孔注漿量約占49%。因此，在盾構(gòu)直線段，管片注漿量?jī)蓚?cè)基本相同，相互對(duì)稱(chēng)。

圖3 直線段各環(huán)注漿量變化

圖4 直線段各個(gè)孔注漿量分布

選取共100環(huán)200 m長(zhǎng)、坡度為-30‰的下坡段盾構(gòu)注漿量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在200 m范圍盾構(gòu)高程下降了6 m。各環(huán)注漿量變化如圖5所示，平均注漿量為21.90 m3，下坡段平均注漿率為110.2%，分析圖5可以發(fā)現(xiàn)，在直線下坡段隨著埋深增加，平均注漿量并沒(méi)有明顯變化，且與直線段平均注漿量相近，原因是二者埋深相近，基本維持在21.90 m3附近震蕩。

圖5 下坡段各環(huán)注漿量變化

下坡段上部、中部和下部的注漿量變化規(guī)律如圖6所示，其中盾構(gòu)管片上方1號(hào)、6號(hào)號(hào)注漿孔注漿量平均約占49%，中部2號(hào)、5號(hào)注漿孔注漿量平均約占32%，下方3號(hào)、4號(hào)注漿孔注漿量平均約占19%。分析圖6可以發(fā)現(xiàn)隨埋深增加，上方1號(hào)、6號(hào)注漿孔注漿量逐漸增大，中部2號(hào)、5號(hào)注漿孔注漿量基本維持不變，下方3號(hào)、4號(hào)注漿孔注漿量逐漸減小。

圖6 下坡段上中下各孔注漿量變化

另外，選取共100環(huán)200 m坡度為+40‰的上坡段盾構(gòu)注漿量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在200 m范圍內(nèi)盾構(gòu)高程上升了8 m。各環(huán)注漿量變化如圖7所示，平均注漿量為22.25 m3，上坡段平均注漿率為112.0%。分析圖7可以發(fā)現(xiàn)上坡段隨埋深減小，各環(huán)注漿量也逐漸減少，與直線段和下坡段的平均注漿量相比，由于上坡段埋深變化較大，所以各孔注漿量變化也大。

上坡段上部、中部和下部的注漿量變化規(guī)律如圖8所示，其中盾構(gòu)管片上方1號(hào)、6號(hào)注漿孔注漿量平均約占50%，中部2號(hào)、5號(hào)注漿孔注漿量平均約占32%，下方3號(hào)、4號(hào)注漿孔注漿量平均約占18%。

圖8 上坡段上中下各孔注漿量變化

對(duì)比分析直線上不同坡度段的盾構(gòu)同步注漿量可以發(fā)現(xiàn)，在坡度為-30‰的直線下坡段，隨著盾構(gòu)隧道埋深的增加，各環(huán)平均注漿量呈線性變化。期間，每環(huán)管片隨深度增加的注漿量約為0.000 9 m3，埋深增加6 m，注漿量增加了0.09 m3。另外，在坡度為+40‰的直線上坡段，隨著隧道埋深的減小，各環(huán)平均注漿量也呈現(xiàn)線性變化。每環(huán)管片注漿量減少約為0.010 9 m3。即埋深降低了8 m，注漿量減小了1.09 m3。

4.3 曲線段同步注漿量分析

選取曲線半徑R0=3 014.675 m的右曲線盾構(gòu)同步注漿量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每環(huán)平均注漿量為22.35 m3，每環(huán)左右兩側(cè)注漿量變化如圖9所示。顯然，從圖9可知，在盾構(gòu)機(jī)向右轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，每環(huán)左側(cè)注漿量除個(gè)別環(huán)外均大于右側(cè)注漿量，最大差值達(dá)到了0.8 m3，但在大部分范圍內(nèi)均小于0.4 m3。右曲線段右側(cè)和左側(cè)平均注漿量分布范圍如圖10所示，其中，右半邊1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔注漿總量約占49%，而左半邊4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)孔注漿總量約占51%，左側(cè)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)孔合計(jì)平均注漿量略大于右側(cè)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔合計(jì)平均注漿量。

圖9 右曲線段兩側(cè)注漿量變化

圖10 右曲線段兩側(cè)平均注漿分布

同理，選取曲線半徑R=1985.3250 m的左曲線盾構(gòu)注漿量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，平均注漿量為22.25 m3。每環(huán)左右兩側(cè)注漿量變化如圖11所示。從圖11可知，在盾構(gòu)機(jī)向左轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，每環(huán)左側(cè)注漿量均小于右側(cè)注漿量，且二者平均差值達(dá)到了0.8 m3。左曲線段右側(cè)和左側(cè)平均注漿量分布范圍如圖12所示，其中，右側(cè)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔注漿總量約占54%，而左側(cè)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)孔注漿總量約占46%，顯然，左側(cè)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)孔合計(jì)平均注漿量明顯大于右側(cè)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔合計(jì)平均注漿量。

圖11 左曲線段兩側(cè)注漿量變化

圖12 右曲線段兩側(cè)平均注漿分布

通過(guò)對(duì)比分析右曲線段和左曲線段盾構(gòu)同步注漿量，并結(jié)合直線段數(shù)據(jù)可以得出，在右曲線中，左側(cè)平均注漿量略大于右側(cè)平均注漿量，二者相差約0.45 m3；在左曲線中，右側(cè)平均注漿量大于左側(cè)平均注漿量，二者相差約0.89 m3。盾構(gòu)隧道曲線段兩側(cè)注漿量是不對(duì)稱(chēng)的，右曲線時(shí)左側(cè)注漿量較大，左曲線時(shí)右側(cè)注漿量較大，同直線段注漿量相比較能夠看出兩側(cè)注漿量的差值與曲線半徑有關(guān)。直線段可以看作半徑無(wú)限大的曲線段，而曲線的半徑越大，管片兩側(cè)注漿量差異越小，曲線的半徑越小，管片兩側(cè)注漿量差異越大。

另外，根據(jù)曲線段超挖部分的注漿增加量計(jì)算公式[15]，可計(jì)算得曲線半徑Rc分別為1 985.325 m和3 014.675 m時(shí)，其中盾構(gòu)機(jī)殼體長(zhǎng)度L取10 m和盾構(gòu)機(jī)外徑D為14.93 m，理論超挖區(qū)域注漿量分別為0.29 m3和0.19 m3，而實(shí)際兩側(cè)注漿量差值分別為0.89 m3和0.45 m3，因此曲線段超挖部分的平均注漿率分別達(dá)到了306.9%和236.8%。顯然，曲線段超挖區(qū)域?qū)嶋H注漿量遠(yuǎn)大于理論值，且曲線半徑越小，差值越大。

5 結(jié)論

(1)全斷面注漿量基本呈現(xiàn)出左右對(duì)稱(chēng)分布，上中下各孔注漿量比例為0.512∶0.311∶0.177。

(2)直線段左右兩側(cè)平均注漿量基本相同，呈對(duì)稱(chēng)分布；每環(huán)平均注漿率與線路坡度有關(guān)，坡度越大注漿率越大；另外，在直線上坡段平均注漿量逐漸減小，而在直線下坡段注漿量逐漸增大。

(3)曲線段每環(huán)兩側(cè)注漿量是不對(duì)稱(chēng)的，右曲線段左側(cè)注漿量較大，左曲線段右側(cè)注漿量較大；兩側(cè)注漿量的差值與曲線半徑相關(guān)，曲線半徑越小，兩側(cè)注漿量差值越大，且超挖部分平均注漿率越大，并遠(yuǎn)大于直線段。