微擾動注漿工藝在地鐵保護中的應用

張 晨

上海隧道工程有限公司 上海 201108

隨著我國城市化的發展， 開發利用城市地下空間已經成為擴大城市容量、提高土地利用率、優化空間結構并增強城市綜合承載能力、促進城市可持續發展的重要途徑[1]。然而，高水位軟土地層中的深基坑工程會不可避免地改變地基土的原有應力場，從而改變周邊建（構）筑的受力情況并導致其發生附加位移[2]。大量研究及實踐均已表明，在隧道上部進行大面積堆載或在隧道周邊進行深大基坑的卸載作業，對隧道結構的受力情況都會產生較大影響，改變隧道管片的結構受力情況，引起管片變形、漏水等一系列病害問題，威脅地鐵運營安全[3]。

基坑開挖引起的隧道變形或位移一旦超過隧道結構的承載能力，隧道結構就可能會受到不可逆的嚴重破壞[4]。針對這種情況，以往工程中往往采用在管片預留孔內對隧道體周圍流塑及軟塑黏土層進行注漿加固的方式，來提高軟土地基的承載力，改善隧道沉降變形。而實際工作中，在運營隧道內注漿受到列車運行、隧道結構界限要求等諸多因素的限制，因此，微擾動注漿作為一種處理效果好、對周圍土體擾動小的新型灌漿技術，正在工程實踐中被越來越多地使用[5]。

與傳統的補償注漿技術不同，微擾動注漿通過在地面開孔后插入注漿管，并通過特制設備監控注漿壓力及漿液流量來實現對隧道周圍土體的微擾動加固（圖1）。然而，如何把握劉建航院士提出的“均勻、少量、多次、多點”的注漿原則，真正做到對地鐵隧道的“微擾動”，仍需要更多的工程實踐來探索和驗證。

圖1 微擾動注漿裝置示意

1 工程概況

杭州某物業公司的項目規劃用地32 214 m2，項目南側鄰地鐵最近處為11.4 m，盾構頂離地面8.2 m。基坑圍護設計分為南北淺深坑，深坑為地下3層3道支撐，淺坑為地下1層1道支撐（靠近地鐵一側），如圖2所示。

圖2 工程項目地理位置

受影響的區間盾構隧道結構基本位于飽和中密⑤粉砂和流塑⑥1淤泥質粉質黏土的交界面上。根據監測，基坑開挖范圍附近隧道39—50環管片結構變形嚴重，最大收斂徑長均大于設計控制值（60 mm），其中43環變形最為嚴重，達到64 mm（圖3）。

圖3 整治前隧道橫向變形情況

2 注漿流程及參數選擇

2.1 注漿流程

本次注漿范圍為隧道兩側拱底標高以下1.5 m至拱底以上5.2 m，主要注漿流程如圖4所示。施工時優先對變形大的區域及靠近基坑側孔位進行注漿整治。同一斷面內、外注漿孔宜同步施工，或采取梅花形路線進行內外側注漿。同一排注漿孔位按照做1跳5施工。

圖4 微擾動注漿流程

2.2 注漿參數選擇

微擾動注漿工藝通過雙泵將雙液漿（水泥漿、水玻璃）打出，通過特制的混合器使得2種漿液充分混合后注入土體，填充、壓密隧道下臥軟土層，從而對土體進行加固。該工藝可以有效提高隧道周邊土體的物理性能，改善管片的受力情況。為保證注漿效果并減少對隧道的擾動，根據早期工程實踐經驗并結合施工現場實際情況，確定水泥漿水灰比為0.7，水泥漿與水玻璃（35°Be′，模數28）體積比控制在2～2.5。單孔最佳注漿量根據式（1）計算確定（實際注漿量根據施工監測情況進行適當調整）。

微擾動注漿的理念是“少量、均勻、多次、多點”，在各孔注漿過程中，嚴格把握注漿參數是該工藝的核心，也是取得良好整治效果的基礎。根據杭州地區的地質條件及早期施工的經驗，本次注漿施工采用的其他主要參數為：水灰比0.7，水玻璃與水泥漿的體積比為1∶（2.0～2.5），注漿壓力0.3～0.5 MPa，水泥漿流量14～16 L/min，水玻璃流量5～10 L/min，相鄰孔位注漿間隔＞2 d。

3 結果與討論

3.1 隧道變形分析

現有運營地鐵隧道多為預制混凝土管片和高強螺栓連接的盾構隧道，對變形較為敏感。隨著基坑開挖，隧道管片收斂變形及沉降均逐漸加劇，與早期研究結論一致[6]。截至施工前，受影響隧道沉降已達到－14.1 mm，全斷面水平徑向變形最大已達到66.8 mm，較圖3更為嚴重。

環縫錯臺導致的剪切變形及縱向變形導致的張開量等，會影響環縫的滲漏水及縱向螺栓處的混凝土破損等。根據相關研究及工程經驗，當橢變徑向變形達到62.4 mm左右時，螺栓開始屈服。據此，受基坑開挖影響，鄰近隧道下行線區段共計有12環管片的橢變徑向直徑達到或超過橢變限制值，環向螺栓進入屈服范圍，占比達到7.74%，嚴重影響隧道結構穩定及地鐵運營安全。

3.2 注漿整治效果

由于本工程區域地質條件較差，并且考慮到對隧道管片整體性的保護，施工中將單次整治效果控制在－3 mm以內，以減小對運營隧道的擾動。微擾動施工過程中，漿液使隧道周圍土體開裂，對隧道產生側向壓力，導致管片水平方向受力增加。從監測數據來看，除50環外，整治前收斂變形量超過60 mm的管片最大收斂徑長與標準圓差值均降低到60 mm以下，整治效果明顯（圖5）。

圖5 整治前后隧道管片水平收斂情況

Liu等[7]學者對南京地鐵2號線的微擾動整治研究表明：微擾動注漿對地鐵水平收斂的影響除上述修正階段外，還包含整治完成后隧道管片的回彈階段，并且二階段的回彈量可以達到一階段修正總量的30%。

然而，本次施工中，經過一段時間的穩定，隧道管片的回彈并不明顯，這可能是因為：本次注漿整治范圍較小（24環），而注漿孔數較多（96孔），且每次注漿量較少，因此對整治區域的地質改良加固效果較好，限制了施工完成后的管片回彈。

4 結語

本文通過采用微擾動注漿工藝對受基坑開挖影響，而產生變形的隧道進行整治，表明：微擾動注漿工藝可以有效加固管片周邊土體，改善隧道的受力情況；對于隧道管片的收斂變形，微擾動注漿整治效果明顯，對變形較大的隧道有較好的改善、加固作用；通過對施工參數、過程的控制，可以在一定程度上減少施工完成后隧道管片的回彈情況。

然而，微擾動注漿工藝還存在一些問題需要進一步探究：雖然通過控制施工參數及流程可以在一定程度上減少施工完成后的管片回彈，但其具體機理仍是不明確的；對于變形大的管片，僅采用微擾動注漿很難將其變形完全控制，而一旦過量注漿還可能引起隧道內冒漿、掉塊、裂縫加劇等情況，對于這種變形嚴重的管片可能需要聯合其他工法對隧道進行保護加固。