盾構(gòu)隧道微擾動斜孔注漿技術(shù)研究

李筱旻，沈璽，周群，王嘉鴻，沈佳雨

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司，上海 200070)

1 引言

上海地區(qū)的淺層土總體上為軟弱土層，存在著大量的飽和高壓縮性軟黏土層、飽和含水含砂土層，這兩類土層正是造成盾構(gòu)隧道病害的重要原因。且盾構(gòu)隧道也容易受到周邊施工和環(huán)境的影響，產(chǎn)生橫向收斂變形，如不及時控制，任其發(fā)展，將影響地鐵網(wǎng)絡(luò)運營的安全，后果不堪設(shè)想[1，2]。

有關(guān)地鐵盾構(gòu)隧道變形機理和整治技術(shù)的研究受到了眾多學(xué)者的關(guān)注[3-7]，也將會是今后地鐵運維研究和發(fā)展的重、難點之一。微擾動注漿是目前軟土地區(qū)整治盾構(gòu)隧道橫向收斂變形的有效措施之一，該技術(shù)可以增強盾構(gòu)隧道兩側(cè)土體側(cè)向約束，有效減少和控制盾構(gòu)隧道的收斂變形[8]。

但是，常規(guī)微擾動注漿技術(shù)由于采用豎向直管的注漿管工藝，容易受到外界諸多因素的影響，如周邊市政管線等，導(dǎo)致現(xiàn)場沒有足夠的空間進(jìn)行注漿孔的布置。而改進(jìn)后的微擾動斜孔注漿技術(shù)則很好地避免了此類問題。但是，采用斜打孔注漿的方式，在一定程度上改變了原工藝的整治作用，那么微擾動斜孔注漿技術(shù)的整治效果如何，有待進(jìn)一步驗證。

鑒于此，本文擬結(jié)合實際工程整治案例，結(jié)合現(xiàn)場情況，并基于地鐵盾構(gòu)隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析、探究微擾動斜孔注漿技術(shù)對整治軟土地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道的可行性以及糾偏效果。

2 微擾動斜孔注漿

一般情況下，地鐵盾構(gòu)隧道常位于市政道路正下方，而道路兩側(cè)通常布設(shè)有眾多市政管線，其存在一定控制范圍。當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)隧道因外部施工作業(yè)，如基坑開挖等作業(yè)，產(chǎn)生收斂變形時，需采取微擾動注漿技術(shù)對其進(jìn)行整治處理。但是，常規(guī)微擾動注漿技術(shù)需在地鐵盾構(gòu)隧道兩側(cè)一定水平距離的位置處布設(shè)注漿孔位（一般情況下是3 m 和3.6 m，可根據(jù)現(xiàn)場情況和注漿效果適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整），而注漿孔位經(jīng)常易和密集市政管線產(chǎn)生平面位置上的沖突，導(dǎo)致該位置附近的盾構(gòu)隧道變形無法被整治。

考慮到市政管線往往埋深較淺（通常在2~3 m 以內(nèi)），而地鐵盾構(gòu)隧道的埋深較深（通常在10 m 以上），兩者在水平位置上距離相近，在豎向位置上存在一定距離。因此，若將常規(guī)微擾動注漿技術(shù)中的豎向注漿管偏轉(zhuǎn)一定的小角度，既可使注漿管在上部位置避開市政管線，又可以保證注漿管在下部位置與盾構(gòu)隧道保持既定的水平間距，達(dá)到注漿整治效果。

此外，因地鐵盾構(gòu)隧道具有一定埋深，注漿管往往由1 m長的注漿管節(jié)接桿而成。考慮到斜打注漿管時管節(jié)間的接頭強度和連接性，經(jīng)過反復(fù)測算后得到，當(dāng)注漿管偏轉(zhuǎn)角度控制在15°以內(nèi)時，可確保微擾動斜孔注漿的可靠性。

3 工程案例

3.1 項目概況

上海徐匯區(qū)某地塊基坑項目位于地鐵M 號線安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，因該基坑項目面積大、開挖深、距離地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)近、施工難度大和項目風(fēng)險高。受基坑施工影響，地鐵盾構(gòu)隧道上、下行線部分區(qū)間隧道管徑收斂累計變形超過控制值，為控制盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形和保障地鐵運營安全，需對項目影響范圍內(nèi)區(qū)間隧道進(jìn)行逐環(huán)微擾動注漿加固施工。

然而，經(jīng)現(xiàn)場踏勘和排查后發(fā)現(xiàn)，在其中一個基坑區(qū)塊對應(yīng)范圍內(nèi)的地鐵盾構(gòu)隧道，涉及高壓電纜，有著3 m 的紅線控制距離。因此，現(xiàn)場并不具備常規(guī)微擾動注漿技術(shù)的施工條件，急需嘗試微擾動斜孔注漿技術(shù)對盾構(gòu)隧道進(jìn)行糾偏整治。

3.2 微擾動斜孔注漿方案

3.2.1 注漿施工

在地鐵盾構(gòu)隧道變形超限且需注漿整治的范圍內(nèi)，兩側(cè)擬各布設(shè)一排注漿孔，并提前摸排好管線等障礙物和地鐵盾構(gòu)隧道的位置，結(jié)合現(xiàn)場條件，計算注漿管的斜孔角度、長度和注漿孔與盾構(gòu)隧道之間的水平距離。通過注漿管將漿液注入地鐵盾構(gòu)隧道兩側(cè)土體中，并不斷提升注漿管，在土體中形成脈狀注漿加固體，以“均勻、少量、多點、多次”的量化注漿措施，達(dá)到對盾構(gòu)隧道“微擾動”糾偏整治的目的，注漿剖面示意圖如圖1 所示，注漿流程如圖2 所示。

圖1 微擾動斜孔注漿示意圖

圖2 微擾動斜孔注漿流程

3.2.2 螺栓復(fù)緊

微擾動斜孔注漿單孔完成后立即開展對應(yīng)環(huán)向連接螺栓的復(fù)緊工作（本項目對應(yīng)區(qū)間隧道的緊固扭矩為970 N·m）。

復(fù)緊范圍包括螺栓緊固作業(yè)間隔期間內(nèi)微擾動斜孔注漿施工的對應(yīng)環(huán)及其兩側(cè)外延3 環(huán)。

完成全部注漿施工后，整個注漿范圍對應(yīng)的區(qū)間隧道應(yīng)統(tǒng)一再進(jìn)行一次螺栓復(fù)緊，以確保注漿效果。

3.2.3 注漿設(shè)備的改進(jìn)

為確保微擾動斜孔注漿的有效性，本次注漿試驗特采用改進(jìn)的“鉆-注-拔”一體化注漿新設(shè)備，其有3 個特點：（1）改進(jìn)混合器，連接在鉆桿與動力頭之間并能夠支持兩種漿液接口，混合裝置與動力頭連接處設(shè)置單向閥或不連通；（2）為滿足機械施工需要，新的注漿管，特殊設(shè)計的中空鉆桿，內(nèi)徑應(yīng)與期望的注漿流量相匹配，且鉆桿壁厚滿足強度要求；（3）注漿頭部分的改進(jìn)，保證在“鉆進(jìn)”“振動”過程中注漿頭的密閉性，又要保證“注”的過程中能夠均勻噴漿。

3.3 一階段注漿試驗

一階段微擾動斜孔注漿試驗時間為2020 年12 月20日—2021 年3 月14 日，后期跟蹤監(jiān)測至2021 年5 月20 日，注漿范圍為上行線S214~S243 環(huán)，累計完成注漿30 環(huán)（41 孔），注漿孔位距離盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外邊線4.5 m，注漿深度為盾構(gòu)隧道底部往上5.2 m。

一階段微擾動斜孔注漿試驗的單孔注漿分布和糾偏情況如圖3 所示。由圖3 可知，單孔注漿糾偏盾構(gòu)隧道的收斂效果明顯，糾偏量基本約2~-5 mm，且對于同一注漿孔而言，第一次注漿效果優(yōu)于后續(xù)補注漿的效果。

圖3 單孔注漿變形量（一階段）

圖4 為一階段微擾動斜孔注漿試驗監(jiān)測期間，盾構(gòu)隧道的沉降變形曲線。從變形曲線上可以看出，盾構(gòu)隧道呈現(xiàn)逐漸下沉的趨勢，但對比注漿區(qū)域與非注漿區(qū)域以及注漿前、注漿中、注漿后3 個時間段可知，微擾動斜孔注漿未對盾構(gòu)隧道有明顯的沉降影響。盾構(gòu)隧道產(chǎn)生沉降是由于在微擾動斜孔注漿期間，該段區(qū)間隧道對應(yīng)范圍內(nèi)有基坑項目正在進(jìn)行開挖施工和地下結(jié)構(gòu)施工，對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生了一定沉降變形影響。

圖4 盾構(gòu)隧道沉降變化曲線（一階段）

進(jìn)一步可知，雖然豎向注漿管在偏轉(zhuǎn)后對盾構(gòu)隧道存在一定斜向上作用力，但從監(jiān)測數(shù)據(jù)上反映，一定量的小角度地偏轉(zhuǎn)豎向注漿管并不會帶來額外的沉降變形。

一階段微擾動斜孔注漿試驗監(jiān)測期間，盾構(gòu)隧道的收斂變化如圖5 所示，盾構(gòu)隧道的收斂變形得到了有效糾偏，平均收斂變化量-4.2 mm，最大收斂變化量-14.8 mm。由此可知，微擾動斜孔注漿可以有效改善盾構(gòu)隧道的“橢圓度”，減小其橫向水平直徑，可以較好地整治軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的收斂變形，但與常規(guī)微擾動注漿技術(shù)相比，注漿整治效果有所下降（常規(guī)微擾動注漿的平均效果在10 mm 以上）。

同時，對比注漿區(qū)域與非注漿區(qū)域（見圖5a），微擾動注漿的影響區(qū)域只限于注漿施工區(qū)域，對施工區(qū)域外擾動較小，體現(xiàn)了該技術(shù)較高的可控性，且未發(fā)生串漿等可能存在風(fēng)險的事宜。而對比注漿前、注漿中、注漿后3 個時間段（見圖5b），盾構(gòu)隧道收斂變形的糾偏整治效果基本發(fā)生于微擾動斜孔注漿過程中。此外，在注漿后期的觀測中，注漿糾偏效果仍有一定的持續(xù)，且后續(xù)糾偏效果出現(xiàn)了稍許回彈的現(xiàn)象，究其原因，在停止注漿后，一部分超孔隙水壓力會逐漸消散，進(jìn)一步使盾構(gòu)隧道收斂變形又有所增加，出現(xiàn)“變形回彈”。

圖5 盾構(gòu)隧道收斂變化曲線（一階段）

3.4 二階段注漿試驗

二階段微擾動斜孔注漿試驗時間為2021 年7 月14 日—2021 年9 月22 日，注漿范圍為上行線S213~S254 環(huán)，累計完成注漿42 環(huán)（42 孔），注漿孔位距離盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外邊線4 m，注漿深度為4.2 m（盾構(gòu)隧道底部往上1 m 開始），注漿方案與一階段微擾動斜孔注漿試驗有所區(qū)別，主要是：根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整；因該工程整體體量過大，施工和微擾動注漿對盾構(gòu)隧道的擾動次數(shù)過多，為了減少微擾動斜孔注漿對沉降的影響，尤其是豎向注漿管偏轉(zhuǎn)后，故取消了盾構(gòu)隧道底部1 m 位置的注漿。

二階段微擾動斜孔注漿試驗的單孔注漿分布和糾偏情況如圖6 所示。本階段每個注漿孔僅安排注漿一次，由圖6 可知，單孔注漿糾偏盾構(gòu)隧道的收斂效果明顯，糾偏量基本約0~-5 mm。

圖6 單孔注漿變形量（二階段）

二階段微擾動斜孔注漿試驗監(jiān)測期間，盾構(gòu)隧道的沉降變形曲線如圖7 所示。從變形曲線上可以看出，盾構(gòu)隧道的整體沉降變形基本穩(wěn)定，對比注漿前、注漿中、注漿后3 個時間段可知，在微擾動斜孔注漿過程中，盾構(gòu)隧道的沉降變形出現(xiàn)了明顯的波動，但最終變化量較小。同時也證明了，一定量小角度地偏轉(zhuǎn)豎向注漿管并不會帶來額外的沉降變形，與前文一階段注漿試驗所述相符。

圖7 盾構(gòu)隧道沉降變化曲線（二階段）

圖8 為二階段微擾動斜孔注漿試驗監(jiān)測期間，盾構(gòu)隧道的平均收斂變化量-4.9mm，最大收斂變化量-8.8mm，盾構(gòu)隧道的收斂變形也得到了有效整治。

圖8 盾構(gòu)隧道收斂變化曲線（二階段）

與一階段微擾動斜孔注漿試驗對比而言，不難發(fā)現(xiàn)3 個相同點和2 個不同點。其中，相同點：（1）微擾動斜孔注漿技術(shù)整治盾構(gòu)隧道的收斂變形效果較為明顯，收斂變形得到有效控制與改善；（2）盾構(gòu)隧道的收斂變形整治效果主要集中于注漿區(qū)域內(nèi)和注漿過程中，并不會引起不可控的情況，以“少量多次”的量化注漿措施，達(dá)到了對盾構(gòu)隧道“微擾動”糾偏整治的目的；（3）在微擾動斜孔注漿的后期，盾構(gòu)隧道均會因周邊土體超孔隙水壓力的消散而有“回彈”，但其回彈量較小。不同點：（1）一階、二階段微擾動斜孔注漿試驗的整治效果存在一定差異性。首先，是微擾動斜孔注漿方案有所調(diào)整（注漿距離、注漿量）；其次，對應(yīng)兩次注漿試驗的盾構(gòu)隧道區(qū)域基本重疊，只是分別在位于盾構(gòu)隧道的兩側(cè)，二階段注漿試驗在一定程度上會受到一階段的耦合影響；最后，微擾動注漿整治技術(shù)受眾多因素的影響，如盾構(gòu)隧道本身狀況、地層條件、孔隙水壓力等。（2）二階段微擾動斜孔注漿試驗中，無論是盾構(gòu)隧道單孔的糾偏效果還是整體的糾偏效果，其均勻性都要優(yōu)于一階段注漿試驗，而一階段注漿試驗的糾偏效果離散性雖然較大，但最大糾偏效果也較為突出。

4 微擾動斜孔注漿機理分析

綜合分析兩個階段的微擾動斜孔注漿試驗成果可知，微擾動斜孔注漿技術(shù)是利用“雙泵”將“雙液漿”噴射出，通過特制的混合器充分混合，再將注漿芯管注入土體中，漿液在壓力的作用下使土體劈開，隨著注漿管的逐步提升，在土體中形成脈狀注漿體，對隧道的周邊土層有填充、壓密和加固土體的作用，能提高土層的強度和變形模量，控制隧道變形。

從雙側(cè)單排的注漿布設(shè)方案來看，整體糾偏整治效果良好，已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。此外，在施工過程中，注漿管存在一定量的小角度偏轉(zhuǎn)（一般為5°~15°），因此，注漿作用機理發(fā)生了一定改變，注漿液體水平作用力有所分散，使注漿整治效果比常規(guī)微擾動注漿技術(shù)略差。但相比于常規(guī)微擾動注漿技術(shù)，因市政管線影響受擾而無法開展的情況而言，微擾動斜孔注漿技術(shù)可有效彌補這一大缺陷。

與常規(guī)微擾動注漿整治技術(shù)的區(qū)別是，注漿液體會對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生向上的作用力，使其產(chǎn)生抬升的可能性，屬于多余的施工擾動。根據(jù)“少擾動、小擾動”的變形控制原則，施工過程中，在滿足達(dá)到避開障礙物的情況下，應(yīng)盡可能選擇小角度的偏轉(zhuǎn)，或縮小下段注漿范圍，如二階段微擾動斜孔注漿試驗中采取的4.2 m 注漿高度，以減小對盾構(gòu)隧道的向上作用力。

5 結(jié)論

考慮實際地鐵盾構(gòu)隧道整治過程中的痛點和特點，改進(jìn)了常規(guī)微擾動注漿技術(shù)，結(jié)合盾構(gòu)隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)探究、分析了微擾動斜孔注漿技術(shù)對于整治盾構(gòu)隧道收斂變形的可行性，可得到以下結(jié)論：

1）微擾動斜孔注漿技術(shù)既可以很好地避開市政管線等障礙物，解決常規(guī)微擾動注漿技術(shù)的局限性，又可以對盾構(gòu)隧道產(chǎn)生整治效果；

2）相比于常規(guī)微擾動注漿技術(shù)，微擾動斜孔注漿技術(shù)的整治效果會有所減少；

3）微擾動斜孔注漿技術(shù)對于盾構(gòu)隧道的沉降影響較小，不會產(chǎn)生額外的沉降擾動。