粉細砂地層中盾構隧道洞內注漿加固技術研究

王呼佳

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

粉細砂土在天然狀態下，結構松散，密度也較低，在自重的作用下即可壓密，在振動荷載作用下易發生砂土液化。華南地區地鐵隧道常穿越于粉細砂層，而后期地鐵運營期間的列車振動可能引起砂土液化，造成隧道不均勻沉降超限，影響地鐵正常運營。對于盾構隧道底粉細砂層，以往通常做法是從地面采用攪拌樁或旋噴樁進行加固，但由于場地原因地面加固往往難以實施，洞內注漿加固法可以很好地解決地面加固存在的難題，目前在成型隧道內進行粉細砂層注漿加固的工程案例尚少，洞內注漿的效果還需進一步驗證。

本文以佛山某區間盾構隧道為依托，通過對粉細砂層進行洞內注漿試驗，總結注漿對成型隧道的影響，并對注漿參數進行調整，成功地完成了成型隧道粉細砂層的洞內注漿加固。

1 工程概況

佛山2號線某區間隧道沿佛陳公路向東南方向前行，先后兩次下穿文登河、大片村房和佛山一環及廣明高速匝道橋，區間全長約1.7 km，采用盾構法施工，隧道拱頂埋深5.1～20.3 m，區間隧道底主要位于<2-2>粉細砂、<2-3>中粗砂、<2-1B>淤泥質土層和全強風化泥質砂巖，其中靠近大里程車站端有大量的<2-2>粉細砂層，粉細砂的物理參數如表1所示，其中左線197 m，右線206 m的粉細砂埋深小于20 m(圖1)，經過液化判別為嚴重液化，需要進行加固處理，而由地面進行注漿加固無法進行，只能采取洞內注漿加固。

表1 粉細砂物理參數表

2 洞內注漿加固設計

根據現場注漿試驗和實驗室試驗，粉細砂地層注漿的全過程分可分為充填滲透階段、擠密階段、劈裂階段、被動土壓力階段以及再滲透階段五個階段(圖2)。

漿液通過滲透、擠壓密實、劈裂等作用與粉細砂充分結合形成樹枝狀水泥網脈體和水泥土固結體，增加了粉細砂的密實度和強度，減少了粉細砂的孔隙率。

2.1 加固措施

通過管片吊裝孔及增設注漿孔對粉細砂層進行加固，注漿管采用φ42 mm鋼花管，其大樣圖和構造圖如圖3、圖4所示，注漿花管中上下兩處設置兩個栓塞，注漿材料可以通過栓塞中間向管外滲出，阻塞器在在袖閥鋼管上自由移動，可以通過調整阻塞器調整加固的區域，進行定量、定深，分序、分段、間隙和重復注漿。在孔口設置有逆止閥，防止注漿管完畢后粉細砂由孔口中噴涌出來。袖閥鋼管可留在土體中作為加固體的一部分，有效提高土體的承載能力。

圖1 右線粉細砂加固區域

(a)p-t曲線

(b)q-t曲線圖2 注漿壓力、注漿速率時間曲線

圖3 袖閥管大樣(單位:mm)

2.2 注漿孔布置

隧道荷載是由拱腰以下地層承擔，因此可只對隧道拱腰以下具有液化性的粉細砂(埋深小于20 m)進行洞內注漿加固，加固深度為3 m(圖5)。

根據地層加固經驗，注漿加固半徑約0.8～1.0 m，最外緣兩注漿孔夾角為72 °，而由于注漿漿液的擴散作用，加固范圍可超過90 °，故在洞內注漿加固里程范圍內的管片，每個標準塊、鄰接塊增設兩個注漿孔，同時原吊裝孔也兼做注漿孔。增設注漿孔預埋件與管片吊裝注漿孔一致，且必須在管片制作時預埋，并對管片做好特殊標記，防止管片拼裝過程中發生錯誤，管片加固注漿孔布置如圖6所示。

圖6 注漿孔平面展開布置

管片拼裝完成后即時對液化砂層進行注漿加固，同時為防止后期地鐵運營階段地基承載力不足，在道床下預留三根注漿管(圖7)，注漿管應與道床頂面平齊，同時采取有效措施保護好注漿管口，以便后期補充注漿。

圖7 預留注漿孔圖(道床澆注后)

3 洞內注漿試驗

對區間10環管片進行開孔注漿試驗，并對試驗段管片進行位移監測布點，試驗段隧道拱頂埋深約11 m，鉆孔深度為3 m，單孔每1 m注漿量為0.42～0.66 m3，注漿壓力為0.3～0.6 MPa，注漿采用水泥—水玻璃雙液漿(水灰比0.6～1.3，水泥和水玻璃體積比為1～2)。開孔后地層水壓力較大，注漿管內涌砂情況嚴重(圖8)，可以看出粉細砂具有較大的承壓性。

圖8 區間盾構隧道深層注漿開孔

3.1 管片錯臺、滲漏水增加

注漿前管片錯臺較小，沒有滲漏水情況，但經過10環深層注漿后，管片縱向、環向累計增加5處滲漏水，主要在拱腰以上部分，1環管片拱頂出現表皮破損情況(圖9)，管片錯臺增大6～1.2 mm。

圖9 洞內注漿引起的管片病害

3.2 管片隧道成型偏差加大

對注漿前后的管片姿態、管片的收斂性進行比對發現，管片垂直方向最大上浮量為39.2 mm，水平方向最大移動量為22.5 mm，管片洞內凈空水平方向收斂最大3.4 mm，垂直方向最大收斂為2.3 mm(圖10)。管片凈空收斂變化不大，但管片水平和豎向位移大部分超過允許控制值10 mm。

圖10 試驗段管片姿態變化曲線

4 原因分析及經驗總結

4.1 原因分析

試驗段第一環管片和最后兩環管片在注漿完畢后水平和豎向位移控制在10 mm內，且未見管片出現裂縫和錯臺，而其他環管片的變形和位移都超過了設計標準。通過對比發現，注漿的時序、漿液的配比以及注漿結束的控制標準對注漿效果都有很大的影響。

粉細砂在注漿過程中，漿液會四處擴散，形成漿脈，造成注漿量大于設定的值。當水灰比太大時，漿液顆粒也隨之變大，漿液難以注入到粉細砂中；當水玻璃配比較大時，雙液漿的初凝時間會大大減少，造成漿液尚未在粉細砂中完全擴散開就已經凝固，水灰比太大水玻璃配比太多都會導致注漿量偏小。若按設定注漿量作為停止注漿標準，這需要加大注漿壓力，注漿壓力過大導致盾構下部產生較大的膨脹力，而該力由于漿液擴散的隨機性而不均勻，從而造成盾構管片上移及側移變形，管片環之間位移不同步而發生錯臺，錯臺量過大時防水膠條會發生移位，致使局部管片接縫出現不同程度的滲漏水問題；局部管片產生沿幅寬方向的偏轉，相鄰兩環管片沿縱向不同軸，造成管片環間接觸不良，管片接頭部位應力集中，管片端部發生壓剪性破壞。

4.2 經驗總結

采用“均勻、多點、少量、多次”的注漿原則，以“保護成型隧道”質量為宗旨，重點要防止成型隧道因注漿引起的管片姿態超限、防止管片新增滲漏水和錯臺及破損。通過粉細砂洞內注漿試驗結果，從施工時序、漿液配置、施工參數方面進行調整，并將調整后的參數應用于剩余段的粉細砂洞內加固，能有效地控制在成型隧道對粉細砂層注漿引起的管片破損和較大變形，從而得到以下結論：

(1)施工時序：洞內注漿采用跳環施工，同一環管片先對管片兩側注漿孔進行注漿，再對管片中間的吊裝孔進行注漿，先對拱腰兩側管片進行注漿，再對拱頂管片進行注漿，以先形成一排注漿墻體再由外向內注漿，有利于控制漿液流失，保證注漿量，形成整體的加固區域。同一注漿孔將注漿量分2～3次注入粉細砂層中，并在隧底預留三根注漿管，根據后期運營監測情況進行注漿。

(2)漿液配置：粉細砂層無粘聚力，注漿過程中壓力較大，采用雙液漿進行注漿，能減少粉細砂的流動性。注漿壓力按照0.4 MPa左右進行控制，水泥水灰比為0.6～1.0，水玻璃與水泥漿體積比1∶1，水玻璃采用35波美度濃度，單孔每延米注漿量在0.42～0.66 m3。

(3)注漿結束標準：原則上按照注漿量來控制，若未能達到計算的注漿量，則能穩壓5 min也可停止注漿；若出現管片破損、明顯的錯臺應立即停止注漿。