浅覆土条件下盾构隧道同步注浆现场试验研究

浅覆土条件下盾构隧道同步注浆现场试验研究

曹震

上海城建市政工程（集团）有限公司 上海 200065

摘 要：盾构隧道不同覆土条件会造成隧道受荷体系的大小及分布形式发生改变，对软土地层超浅覆土下盾构隧道同步注浆作用机理的研究具有重要意义。结合沿海地区某盾构隧道工程实例，针对盾构法隧道超浅覆土同步注浆施工中面临的土层管片受力不均衡、受施工影响敏感性较强等问题，研制出一种新型同步注浆浆液，通过现场监测和理论分析等研究方法，讨论了土压力及孔隙水压力与埋深及盾构开挖位置的关系，重点分析了超浅埋盾构隧道同步注浆施工过程中隧道周围地层土压力分布模式以及孔隙水压力变化规律，并给出了超浅覆土段盾构同步注浆施工的合理注浆参数。研究成果可以为类似工程的设计与施工提供理论指导。

关 键 词：超浅覆土；盾构隧道；同步注浆；现场试验；土压力；孔隙水压力

0 引言

盾构施工工法以其对周围环境影响小、成形质量高、安全可靠、施工进度快、造价低等优点，成为城市隧道施工工法的首选。而盾构施工同步注浆技术又是盾构工法中必不可少的关键性辅助工法，是控制地面沉降和隧道稳定性的关键。超浅覆土段的同步注浆施工将遇到浆液上窜或填充不实等问题，注浆材料、配套设备及施工参数从理念上均不同于传统盾构同步注浆工艺，选择合适的注浆材料、注浆参数显得尤为关键^[1]。因此，迫切需要对超浅覆土极端条件下同步注浆的施工理论和现场试验展开系统研究，从而掌握同步注浆的基本施工参数，为今后类似工程实践提供理论参考。

在盾构隧道掘进区域，盾构机施工参数尤其是同步注浆施工对周围环境的影响十分复杂，国内外学者针对软土地区盾构隧道同步注浆施工扰动机理进行了较为丰富的研究^[2-8]。不难发现，目前国内外盾构隧道同步注浆的研究大多仅局限于常规注浆材料，浆液的工作性能普遍不高，无抗剪强度，同步注浆效果较差，对周围土体变形、地表沉降以及隧道稳定性的控制等均不理想。此外，现有研究针对正常覆土条件较多，对近期出现的超浅覆土极端条件下盾构隧道同步注浆的研究更是鲜见。本文以沿海地区某盾构隧道工程为依托，通过现场监测和理论分析等研究方法，研制一种新型同步注浆浆液并用于实践，在此基础上，重点考虑超浅埋盾构隧道同步注浆施工过程中隧道周围地层土压力分布模式以及孔隙水压力变化规律，讨论了土压力及孔隙水压力与埋深及盾构开挖位置的关系。研究成果可为类似工程建设提供理论基础。

1 工程概况

沿海地区某盾构隧道工程穿越既有快速公路，右线盾构段长约123m，左线盾构段长约124m，盾构直径6.4m。盾构穿越施工段最小埋深仅为1.8m，施工平面图见图1所示。监测区域盾构推进范围内主要为素填土和粉质粘土，监测孔底部可能进入全风化安山岩层和强风化安山岩层。场址区地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水，其中孔隙潜水主要赋存于素填土层、粉土层中。根据地质勘查报告以及监测区域及监测点布置的需要，选取部分岩土的物理性质指标，如表1所示。

图1 施工平面示意图

Fig.1 Construction plan sketch

表1 岩土的物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

衬砌采用预制钢筋混凝土管片，通用双面楔型环错缝拼装，每环由6块管片构成，其中封顶块1块、邻接块2块、标准块3块，管片内径为Φ5500mm，管片外径为Φ6200mm，管片厚度为350mm，管片宽度为1200mm，管片混凝土强度C50，抗渗等级为P10。

2 同步注浆施工方案

2.1注浆材料研制

HE型新型浆液为针对超浅埋盾构隧道施工创新研发的具备早强、高流动度（High fluidity & Early strength）特性浆液材料，施工中结合盾构法隧道施工特点，采用分段式施工控制理念，进行盾构隧道超浅埋工况同步注浆施工。HE型浆液搅拌站母液配合比如表2所示，拌制过程如图2所示。

表2 浆液材料配合比（kg/m³）

Table 2 Proportion of grout materials (kg/m³)

图2 浆液拌制过程

Fig.2 Grout materials mixing process

2.2 同步注浆参数设定

注浆量的确定是以盾尾建筑空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑适当的富余系数，以保证达到充填密实的目的。根据施工实际，这里的富余系数包括由注浆压力产生的压密系数、取决于地质情况的土质系数、施工消耗系数、由掘进方式产生的超挖系数等。一般主要考虑土质系数和超挖系数。土质系数取决于地层特征，粘土地层一般取值为1.1～1.5。超挖系数是正常情况下盾尾建筑空隙的修正系数，其具体数值可通过计算得出。以上饱满系数在考虑时需累计。同步注浆量计算公式：

Q=V•λ (1)

式中：V-充填体积（盾构施工引起的空隙，m3）；

λ-注浆率（一般取150 %）。

V=π(D²-d²)L/4 (2)

式中：D-盾构切削外径（m）；

d-预制管片外径（m）；

L-预制管片衬砌每环幅宽（m）。

根据以上公式计算，V=3.14×(6.382-6.22) ×1.2/4=2.134m³，考虑注浆外包管体积约0.2m³，理论建筑空隙约为2.334m³，按照125%注浆率计算，每环注浆量3 m³，实际注浆量根据地表及管片监测情况最终确定。本工况超浅埋深盾构施工同步注浆参数设定如表3所示。

表3 同步注浆参数设定

Table 3 Synchronous grouting parameters setting

3 现场监测分析

3.1 现场监测方案

测点布置在靠近导坑一端，共5个断面，其中4个断面跨越左线和右线两条隧道。测点布置总平面图见图3，图中有色块为布置有监测点的管片，其上方的数字为管片环号。

图3 监测布置平面图

Fig.3 Plan of monitoring location

土压力计的总数量为124个，首先在隧道顶部标高、顶部往下1/4D标高、3/4D标高、轴线标高、底部标高等关键深度位置进行埋设，在隧道底部埋深以下1/4D标高处埋设，根据不同的隧道埋深，埋设点适当删减。监测断面的立面图见图4所示。两隧道中间的孔中每个埋设点放置2个方向相反的土压力计，按照立面图中方向布置；其余孔中每测点埋设一个土压力计受力面朝隧道。

图4 土压力测点布置立面图

Fig.4 Elevation of observation points for soil pressure

孔隙水压力计的布置与土压力计的布置相似，首先在隧道中心线埋深位置、1/4埋深、3/4埋深、顶部埋底部埋深等关键位置进行埋设，在隧道底部埋深以下1/4埋设，根据不同的隧道埋深，埋设点适当删减。不同的是，两隧道中间的孔中每个埋设点只放置孔隙水压力计，孔隙水压力计不分方向。

3.2 监测结果分析

3.2.1 土压力分布变化

图5、图6分别为B断面轴线左、右侧土压力随推进距离变化曲线，由图5可知，前期土压力的剧烈波动是由于盾构刀盘到达0.2D（D为盾构隧道直径，下同）覆土，接近B断面，刀盘前方土压力受到影响，进行同步注浆施工后土压力在理论稳定值周围呈不规则波动分布，随着测点布置埋深的加大，土压力值逐渐增加。当盾构推进的停止时，土压力逐渐回升并稳定。后期恢复推进后，土压力再次波动、并有减少趋势，当盾尾脱出注浆浆液稳定后，隧道周围土压力回升并趋于稳定。

而由图6可知，当测点布置深度为4.65m时土压力比测点布置深度为6.2m时略大，这是由于盾构同步注浆浆液注入孔与土压力测点距离不同产生的差异。B断面轴线右侧土压力变化规律与左侧相似，并且随着同步注浆施工的完成也趋于稳定。

图5 B断面轴线左侧土压力随推进距离变化曲线

Fig.5 Curve of earth pressure changes with distance on left side of section B

图6 B断面轴线右侧土压力随推进距离变化曲线

Fig.6 Curve of earth pressure changes with distance on right side of section B

图7和图8分别为D断面轴线左、右侧土压力随推进距离变化曲线。D断面覆土深度为0.5D，由图7可见，比较不同埋深测点处土压力分布，盾构推进起家能引起的土压力变化在5kPa左右，盾尾脱出后，注浆压力引起的土压力变化最大值为10kPa左右，且在盾尾脱出后6环D断面轴线左侧土压力值趋于稳定。

对于右侧土压力，如图8所示，盾构推进过程中，土压力有很大变化，达5~20kPa，个别测点最大达25kPa，与左侧土压力相差较大，这是因为B断面左侧先行开挖的既有隧道刚度对土体的约束作用使得该侧土压力变化幅度较小，当盾尾脱出后，盾构推进引起的土压力变化值总体上看在理论稳定值上下波动，从推进距离关系曲线可以看出，盾尾脱出8环稳定，土压力受盾构推进的影响趋向平稳。

图7 D断面轴线左侧土压力随推进距离变化曲线

Fig.7 Curve of earth pressure changes with distance on left side of section D

图8 D断面轴线右侧土压力随推进距离变化曲线

Fig.8 Curve of earth pressure changes with distance on right side of section D

由图5~图8可见，在盾构刀盘到达测点时会引起土压力剧烈波动，而在浅覆土甚至超浅覆土等极端工况下进行盾构施工将引起较大的地表沉降，极易造成地表环境破坏。随着覆土厚度的增加，土压力变化幅度逐渐增大，经同步注浆施工后，在合适的注浆参数控制下，可以使隧道周围土体压力值较快速趋向稳定。此外还可发现，距离注浆孔较远的测点受同步注浆影响较小，施工中应重点关注注浆孔周围浆液的扩散和土压力的变化规律。

3.2.2 孔隙水压力分布变化

图9和图10分别为B断面左、右侧孔隙水压力变化曲线。 B断面覆土深度0.2D，盾尾脱出后经同步注浆施工，隧道周围地层受到浆液的挤压，在注浆压力作用下孔隙水压力值在理论稳定值上下发生剧烈波动，又由于浆液的扩散作用，在盾尾脱出6环后，随着盾构机的逐渐远离以及浆液的凝固稳定，土体孔隙水压力才逐渐趋于稳定。

从图9和图10还可发现，孔隙水压力计布置在隧道埋深之上，因此埋深越小的测点，由于距离注浆孔位置相对较远，孔隙水压力值比埋深较大的测点要小，但所有测点孔隙水压力值变化趋势相一致。

图9 B断面左侧孔隙水压力随推进距离变化曲线

Fig.9 Curve of pore water pressure changes with distance on left side of section B

图10 B断面右侧孔隙水压力随推进距离变化曲线

Fig.10 Curve of pore water pressure changes with distance on right side of section B

图11和图12所示分别为D断面左、右侧孔隙水压力随推进距离变化曲线。由图可见，在刀盘经过时，测点孔隙水压力值呈波浪形变化，由于D断面埋深相对B断面要深，因此其变化趋势比B断面处相对平缓，且随着同步注浆施工的进行，D断面处左右侧孔隙水压力均能较快停止波动，注浆完成后，由于浆液压力的持续作用，浆液在地层中逐渐扩散流淌，因此地层中后期孔隙水压力呈逐渐略微上升的趋势，随着浆液的凝固孔隙水压力值也逐渐会达到稳定。

对比图11和图12可知，D断面右侧轴线处孔隙水压力在盾构同步注浆施工过程中波动幅度较大。这同样是因为D断面右侧区域已经存在有先行开挖的隧道，由于隧道刚度远大于土体刚度，因此D断面右侧轴线处土体受到既有隧道的约束作用，注浆压力对右侧位置土体作用更加显著，因此孔隙水压力波动较大。但当同步注浆施工完成时，两侧孔隙水压力最终值相差不大。

图11 D断面左侧孔隙水压力随推进距离变化曲线

Fig.11 Curve of pore water pressure changes with distance on left side of section D

图12 D断面右侧孔隙水压力随推进距离变化曲线

Fig.12 Curve of pore water pressure changes with distance on right side of section D

由9~图12可见，在盾构刀盘到达测点时会引起岁到周围孔隙水压力的剧烈波动，孔隙水压力的不规律变化必然引起地层土体有效应力的变化，当有效应力达到一定限值时，就会造成盾构隧道周围土体的渐进性破坏，对盾构安全施工造成极其不利影响。因此，在浅覆土及超浅覆土施工条件下，选择合适的注浆参数，能够对周围地层稳定性进行有效控制，使隧道周围孔隙水压力值逐渐趋于稳定，并且在施工中应重点关注注浆孔周围存在既有建（构）筑物的情况，防止孔隙水压力出现异常变化。

4 结 语

本文通过现场监测和理论分析等研究方法，针对超浅覆土的盾构施工极端工况，研制出一种新型同步注浆浆液，分析了超浅覆土盾构隧道同步注浆施工隧道周围地层土压力分布模式以及孔隙水压力变化规律。论文主要有以下结论：

（1）在超浅覆土盾构施工段，刀盘前方土压力受施工影响较大，经同步注浆施工后土压力在理论稳定值周围呈不规则波动变化，随测点布置埋深的增加，土压力值逐渐增大。当盾尾脱出且注浆浆液扩散完成后，隧道周围土压力略有回升并趋于稳定。

（2）在盾构刀盘到达测点时会引起土压力剧烈波动，在浅覆土甚至超浅覆土等极端工况下进行盾构施工时，控制合适的注浆参数可以使隧道周围土体压力值较快趋于稳定，距离注浆孔较远的测点受同步注浆影响较小，施工中应重点关注注浆孔周围浆液的扩散和土压力的变化规律。

（3）在刀盘经过时，测点孔隙水压力值呈波浪形变化，经同步注浆施工，隧道周围土体孔隙水压力变化显著，注浆完成后，由于浆液压力的持续作用，浆液在地层中逐渐扩散流淌，因此地层中后期孔隙水压力呈逐渐略微上升的趋势，随着浆液的凝固孔隙水压力值也逐渐会达到稳定。

（4）随着覆土厚度的增加，同步注浆施工使隧道周围土体压力变化幅度逐渐增大，而孔隙水压力变化幅度呈逐渐平缓的趋势；此外，由于先行开挖隧道的影响，使得该侧隧道周围土压力值下降，而孔隙水压力值提升。

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