盾構(gòu)工程地表沉降控制系統(tǒng)的開發(fā)

（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。一般認為，施工降水措施、盾構(gòu)開挖擾動、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、注漿量不足、盾尾漏漿等導(dǎo)致的地層損失影響進行了分析，并提出嚴格壁后注漿的控制要求。陳廣亮系統(tǒng)分析了超前注漿、同步注漿和補充注漿3 種方式改善砂卵石地層物理力學(xué)性能的機制，并介紹了不同注漿方式的注漿方法和參數(shù)，認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)，并通過試驗確認了該系統(tǒng)針對砂質(zhì)地層和黏土地層的沉降控制效果，驗證了該系統(tǒng)的實用性。

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)通過其中一個注漿管自動向壁后注入主要注漿材料（A 液），即使在管片拼裝作業(yè)時，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)，在掘進時或掘進停止進行管片拼裝作業(yè)時，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)至少由兩個壁后注漿管路（甲管路、乙管路）組成。掘進①的同時，通過甲管路注漿。在管片拼裝①時，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，到管片拼裝①結(jié)束為止，乙管路完成清洗①。掘進②中，通過乙管路進行壁后注漿，到掘進③開始之前甲管路完成清洗②。然后在管片拼裝②時，通過乙管路進行壁后注漿。掘進③中，與掘進①相同，通過甲管路進行壁后注漿，在下一循環(huán)掘進前乙管路完成清洗③。測量壁后注漿材料壓力的同時重復(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 驗證試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

目前，在盾構(gòu)施工中，一般分為盾構(gòu)掘進環(huán)節(jié)和管片拼裝環(huán)節(jié)兩個步驟，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)掘進時壁后注漿及盾構(gòu)停止時的狀態(tài)。試驗分為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裝置中的壁后注漿壓力，比較試驗結(jié)果。

2.2 試驗概況

1)試驗裝置 圖5 為試驗裝置原理圖，裝置由注漿管、土壓計、沉降板、位移計、盾尾密封刷和油缸構(gòu)成。圖6 為試驗裝置照片。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850mm，同時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100mm×100mm 的沉降板，測量地表位移。另外，在試驗裝置的3 個位置和壁后注漿管附近的1 個位置（共計4 處）安裝了土壓計，以便可以測量壁后注漿材料內(nèi)部的壓力。

圖5 試驗裝置原理圖

2)試驗用模擬地層 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)試驗用壁后注漿材料 試驗使用的是盾構(gòu)工程中常規(guī)的壁后注漿材料。凝固時間在15s 以內(nèi)，1h 后的單軸抗壓強度為0.05N/mm2，28 天后的單軸抗壓強度為2.00N/mm2。

圖6 試驗裝置照片

2.3 試驗順序

表1 為實施的4 個試驗及試驗條件。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)。通過向試驗裝置中的飽和土體施加0.4～0.5bar 的水壓進行試驗。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個試驗（計劃試驗條件）

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)部壓力的變動自動進行壁后注漿，當(dāng)?shù)陀谙孪拗禃r，開始注入，達到上限值時，停止注入。下限值是掘進剛停止時的壁后注漿壓力，上限值是掘進剛停止后的壁后注漿壓力+0.03bar。

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

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

表3 沉降板1的位移量（試驗1、試驗2）

1)壁后注漿填充率 如果將壁后注漿填充率的計劃值看作100%，在試驗1 中，壁后注漿填充率為102%；在試驗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間推移發(fā)生變化。關(guān)于沉降板的位移，在試驗1 中，掘進過程中的沉降為10.8 mm。掘進停止后，進一步沉降了8.8mm，直到測量完成為止，總沉降量為19.6mm。在試驗2 中，掘進過程中的沉降為11.6mm，掘進停止后，啟動運行沉降控制系統(tǒng)，通過壁后注入A液保持壓力，逐步隆起5.7mm，在試驗結(jié)束時總沉降量為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間推移發(fā)生變化。關(guān)于壁后注漿管噴漿口壓力，在試驗1 中，掘進停止后壓力呈波浪形變化，但壓力逐漸降低至0.53bar。在試驗2 中，掘進停止后由于系統(tǒng)運行而使壓力交替地上升和下降，但是可以確認壓力保持在設(shè)定的下限值0.55bar 以上。

2.5 黏土層條件下的試驗結(jié)果（試驗3和試驗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3、試驗4）

表5 沉降板2的位移量（試驗3、試驗4）

1）壁后注漿填充率 試驗3的壁后注漿率為101%；試驗4 的壁后注漿率為123%。在試驗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間推移發(fā)生變化。關(guān)于沉降板的位移，在試驗3 中，掘進過程中的沉降量為18.1mm；掘進停止后，進一步沉降了10.4mm，總沉降量為28.5mm。在試驗4 中，掘進過程中的沉降量為5.4mm，掘進停止后，啟動運行沉降控制系統(tǒng)，通過壁后注入A 液保持壓力，逐步隆起3.6 mm，在試驗結(jié)束時總沉降量為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間推移發(fā)生變化。關(guān)于注漿管噴漿口壓力，在試驗3 中，掘進停止后壓力呈波浪形變化，變化范圍為0.74～0.79bar。在試驗4中，在掘進停止之后由于系統(tǒng)運行而使壓力交替上升和下降，但是可以確認壓力保持在設(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3）

圖8 壁后注漿管噴漿口壓力和地面位移變化（試驗4）

2.6 試驗結(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，掘進停止后產(chǎn)生了8.8mm 的沉降，在掘進停止后的45min 左右產(chǎn)生位移，位移量約為試驗裝置注漿環(huán)隙 （90mm)的10%。另外，當(dāng)掘進停止后，試驗裝置內(nèi)部的注漿壓力降低。這是因為在掘進停止之后注漿壓力降低導(dǎo)致土體松動而沉降了8.8mm。在采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，掘進停止后發(fā)生了5.7mm 的隆起。通過運行該系統(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。在實際施工現(xiàn)場，埋深較大，通過適當(dāng)調(diào)整設(shè)定壓力，認為不會發(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，在掘進停止之后發(fā)生了10.4mm 的沉降。在掘進停止后約20min 內(nèi)發(fā)生位移，位移量約為試驗裝置注漿環(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。這與使用的試驗裝置結(jié)構(gòu)以及試驗中使用的模擬土體的特性有關(guān)。因此，10.4mm 的沉降被認為是地層松動造成的。在采用地表沉降控制系統(tǒng)的情況下，在掘進過程中發(fā)生了5.4mm 的沉降，在掘進停止后產(chǎn)生了3.6mm 的隆起。通過運行該系統(tǒng)，壁后注漿材料的主要材料總共被注入了兩次。在該試驗條件下，認為與砂土相同，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，認為不會發(fā)生地表隆起現(xiàn)象。因此，在砂土和黏土地層中，認為能夠通過適當(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

通過以上驗證試驗，獲得經(jīng)驗如下。

1)在砂土模擬地層中進行的試驗結(jié)果表明，在不采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，由于掘進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行的試驗結(jié)果表明，不采用沉降控制系統(tǒng)的情況下，由于掘進停止后地層松動，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。

通過試驗驗證了新開發(fā)的沉降控制系統(tǒng)的有效性，認為通過適當(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和地表沉降問題，可進一步提升盾構(gòu)工程的安全性。