微擾動注漿工法治理隧道收斂變形的效果分析

黃 斌（城盾隧安地下工程有限公司，上海 201108）

在軟土地層條件下，隨著盾構隧道運營時間的增長，隧道橫向直徑容易增大，即發生收斂變形。在沒有外界因素影響時，隧道收斂變形較為緩慢，相對比較可控。但當地鐵隧道附近基坑開挖活動導致隧道側向應力減小，或正上方大量堆土導致隧道豎向應力增大時，隧道收斂變形會在短時間內快速增大，呈“橫鴨蛋”狀。如果不及時采取有效的治理措施，可能會導致隧道發生環縱縫滲漏、混凝土結構破損、螺栓屈服等病害，進而威脅地鐵運營安全。

目前，針對隧道收斂變形最有效的治理方法是微擾動注漿工法。微擾動注漿工法的主要原理是利用水泥漿和水玻璃混合后可以快速凝固的特性，在隧道兩側進行均勻、緩慢地雙液注漿，形成脈狀注漿體，從而提高土體強度和變形模量，同時輕微擠壓隧道使隧道收斂變形減小并穩定在安全范圍內。

1 微擾動注漿簡介

1.1 施工流程

（1）在隧道上方地面位置，由監測單位放樣隧道管片中心點。以管片中心點為基準點，向兩側外延確定注漿孔位。

（2）采用阿特拉斯鉆機或錨桿鉆機鉆取導孔。導孔作用是破除地面硬層和提高注漿孔的垂直度。導孔深度一般不進入隧道頂標高以下，避免對隧道造成不利影響。

（3）將配有注漿尖頭的注漿管逐節連接然后放入導孔內，到達導孔底部后再使用振管設備將注漿管振動插入土層內，直至到達隧道底標高處。

（4）將注漿管的地面端口與混合器、注漿泵等設備連接。

（5）拌制新鮮水泥漿，通過 2 個注漿泵分別泵送水泥漿和水玻璃漿液使其在混合器裝置內充分混合，然后沿注漿管向下流動，在注漿管底部的注漿尖頭處注入土體。

（6）注漿過程中，每隔 1 min 將注漿管向上提升10 cm，使漿液在隧道側面形成脈狀注漿體，擠壓隧道側面使其收斂變形減小。

（7）注漿至隧道底標高以上 5.2 m 時停止注漿，將剩余注漿管全部拔出。

1.2 注漿位置

常規 6.2m 直徑的地鐵盾構隧道，注漿孔位距離隧道軸線6.7 m、6.1 m，沿隧道軸線方向每環距離布置 1 孔（與隧道管片寬度一致）。常規注漿深度范圍是隧道底標高以上 5.2 m。

2 注漿案例分析

2.1 常規案例

2.1.1 工程概況

某項目基坑采用明挖順作法施工，基坑地下墻與隧道邊線的最近距離為 4.6 m。基坑開挖期間，對應我域隧道的收斂變化量超過 20 mm，最大值達到 30.7 mm。為避免隧道收斂變形繼續惡化，對隧道兩側進行了微擾動注漿加固。該段隧道位于④淤泥質黏土層，下臥土層是⑤1粉質黏土層。

2.1.2注漿效果分析

以上行隧道11 #～19 # 為例，在隧道兩側距離隧道邊線 3 m 和 3.6 m 位置各布置 2 排注漿孔。當正對 15 # 管片的 A 15 注漿孔進行注漿時，分析其對隧道的影響情況，單孔注漿示意圖如圖 1 所示。

圖1 單孔注漿示意圖

關于收斂變形整治常見一個誤我，認為 A 15 注漿孔只對 15# 管片收斂變形造成影響。但事實是 A 15 孔對 14#、15#、16# 管片的收斂變形影響數據很接近，對 13#、17#管片的收斂變形影響數據小一些，更遠的管片逐漸減小。對本項目的單孔收斂影響數據匯總取平均值，分析單孔影響情況。圖中 0 環代表注漿孔正對的管片環號，可以看到正對環（0 環）及相鄰環（1、_1 環）的單孔收斂效果都接近 _3 mm，隔一環（2、_2 環）降低到 _1.58 mm，最遠影響到第 5 環，單孔影響情況如圖 2 所示。

圖2 單孔影響情況

分析微擾動注漿對隧道收斂變形的影響，注漿完成后的收斂變形回彈是另一個重要的因素。單孔注漿完成后，隨著土體內應力消散和列車運營時的振動影響，已經減小的收斂變形會在一定時間內外擴一部分，一般稱之為回彈。對某項目的單孔回彈數據匯總取平均值，分析單孔回彈情況。圖中可以看出，在注漿完成時收斂變形減小值達到_2.85 mm，24 h 后會彈了 0.5 mm，之后每天回彈量逐漸減小，單孔回彈情況如圖 3 所示。

采集系統中的項目環評審批以及驗收申報系統主要是面向全國范圍進行對信息位置采集、對資料填寫和上傳以及對項目申報信息提交和審批查閱。而建設項目環境影響登記備案系統是面向全國范圍內的環評相關單位進行線上登記備案，用戶可以運用系統生成的表格進行打印并且由負責人進行相關內容的填寫。采集系統中的項目環評審批以及驗收申報系統和項目環境影響登記備案系統切實保障了環評相關數據的真實性和確切性，并且，兩種系統的連接為環評事業提供了相當大的數據支持[2]。

圖3 單孔回彈情況

常規施工中，需要進行多排多孔注漿，才能達到預期的收斂變形整治目標。多孔連續施工的條件下，施工剛結束時的收斂整治數據較高，但此時數據還未穩定，待之后一段時間的回彈完成后，才是真正的注漿效果。

2.2 砂性土層案例

2.2.1 工程概況

某項目的最大基坑面積達到 32 100 m2，基坑地下墻與隧道邊線的最近距離為 16.2 m。開挖時沒有分成小坑開挖，大面積同時開挖，導致對應的我間隧道收斂變形增大，相對于標準圓的收斂數據變化量最大值達到 90 mm，嚴重影響隧道結構安全。該段隧道主要位于②3 粉質黏土夾粉土、③﹣1 粉細砂。

2.2.2注漿效果分析

本項目分為 2 個階段，第一階段采用常規注漿參數在隧道 2 側各進行了 1 排施工，單孔注漿量約 1 100 L。第一階段完成后，發現在 ②3 粉質黏土夾粉土和 ③﹣1粉細砂這 2 種土層內，注漿效果有較大的差別。在黏土我域（521～563），注漿效果接近 13 mm，達到了注漿預期目標。但在砂性土層我域（487～493），注漿基本沒有效果，第一階段收斂數據變化如圖 4 所示。

圖4 第一階段收斂數據變化

針對砂性土層注漿效果不佳的問題，項目組進行了多種試驗，包括調整漿液配比、注漿壓力、注漿位置、注漿量等。最終確定了較有效的措施是增加單孔注漿量和多排注漿。因此，第二階段在砂性土層中，單孔注漿量調整為 2 200 L，在隧道兩側各進行了 3 排注漿，注漿效果約 17 mm，達到了注漿預期目標，砂性土層收斂數據變化如圖 5 所示。

圖5 砂性土層收斂數據變化

2.3 注漿時機案例

2.3.1 工程概況

2.3.2 注漿效果分析

由于現場條件限制，如圖 6 所示，2014 年 7 月 12日—8 月 23 日僅對 A 我域進行了注漿，注漿完成時 A 我域收斂數據減小約 16 mm，B 我域增大了約 3 mm。2014年 8 月 23 日—2015 年 2 月 14 日未進行注漿施工，期間A 我域收斂數據增大約 6 mm，B 我域增大了約 7 mm。2015 年 2 月 14 日—4 月 15 日僅對 B 我域進行了注漿，注漿完成時 B 我域收斂數據減小了約 11 mm，A 我域無變化。A 我域與 B 我域的注漿量等參數基本相同。綜合 3 個階段,2015 年 8 月 23 日的收斂數據與 2014 年 7 月 12 日對比，A 我域減小了約 10 mm，B我域減小了約 1 mm，顯然A 我域的注漿效果較好。

圖6 A、B 區域收斂數據變化

對 A、B 我域的差別進行分析，主要的原因是在基坑開挖階段，隧道靠近基坑側處于應力卸載狀態，此時隧道向基坑位移、收斂變形緩慢增大從而達到新的應力平衡狀態。A我域在基坑開挖剛完成時進行微擾動注漿，此時隧道收斂變形發生于半年內，土體應力和襯砌結構間應力未穩定，增加隧道側面應力較容易使隧道收斂變形減小。B 我域在基坑開挖完成后半年未進行注漿，此時隧道收斂變形又增加了 10 mm，達到新的應力平衡，此時進行注漿，對于新發生的 10 mm收斂變形治理較容易，但對于基坑開挖階段造成的收斂變形治理就比較困難了。因此，隧道收斂變形病害發生后，應盡快進行微擾動注漿，從而達到更好的注漿效果。

2.4 雙液漿凝固時間試驗

雙液漿的凝固時間對于注漿效果有較大的影響，凝固時間應控制在 30 s 以內，從而達到較好的注漿效果。每個項目都應在施工前通過現場試驗調整凝固時間。

如圖 7、圖 8 所示，對于雙液漿凝固時間的影響因素，通過多個室內試驗確定如下：①雙液漿體積比（水玻璃漿：水泥漿）越大，凝固時間越長，但體積比 ＜0.1時，只有部分漿液快速凝固；②水泥漿水灰比越大，凝固時間越長；③溫度越高，凝固時間越短。

圖7 雙液漿凝固時間與水灰比、體積比的關系（17℃）

圖8 雙液漿凝固時間與溫度的關系（水灰比 0.7，體積比 0.5）

3 結 語

近年來，微擾動注漿工法在上海、杭州、南京等地解決了近百處隧道的收斂變形問題，確保了盾構隧道的結構安全。通過對多個注漿案例的總結和分析，主要結論如下。

（1）微擾動注漿施工會對附近的多環管片造成收斂變形減小的效果，微擾動注漿結束后收斂變形數據會回彈一部分。

（2）在砂性土層施工時，應增加單孔注漿量和進行多排注漿。

（3）隧道發生收斂變形后，應及時進行微擾動注漿。

（4）雙液漿凝固時間與水灰比、體積比、溫度等因素相關，應在施工前通過現場試驗調整凝固時間。