盾构融沉注浆控制与监控

发表时间：2020-05-22T03:13:44.720Z 来源：《房地产世界》2020年2期 作者： 赵峰 陈铭辉

[导读] 采用该工艺加固可以保护地面构、建筑物及道路，减少构、建筑物、道路和管线的拆建动迁，节约大量费用。上海宏波工程咨询管理有限公司 上海 201707

摘要：近年来，在城市空间规划过程中，为确保空间利用率有效提升，针对低下空间开发不断加大了力度，城市低下工程开挖和支护过程中，开始逐渐应用人工冻结法，如在地铁盾构进出洞与SMW工法、高压旋喷等加固工艺组合运用以加强围岩的强度、稳定性和隔水性。冻结停止以后如何精确补偿土体融沉，确保地面建构筑物的稳定，是本文研究的重点。 关键词：盾构法；隧道；进出洞；冻结法；隧道融沉注浆 引言

冻结法加固能有效降低工程风险，但作为一种临时加固措施，其缺点也显著：（1）工期较长；（2）冻结引起地层胀起，融化时引起地层沉陷；（3）遇地下水含盐量过高及地水流速度过快，难以冻结；（4）电源功率较大；（5）成本偏高；（6）冻结管成型过程中存在风险等，其中以冻胀和融沉带来的周边环境风险尤为突出。融沉注浆是以注浆来控制冻土的融化沉降（热融下沉），解决环境影响的一种补偿方法。采用该工艺加固可以保护地面构、建筑物及道路，减少构、建筑物、道路和管线的拆建动迁，节约大量费用。 1、实例工程概况

1.1工程概况及地质水文情况

上海轨道交通18号线丹阳路至昌邑路站区间位于黄浦江北岸，采用混凝土拼装管片衬砌，管片内、外直径分别为Φ5.9m和Φ6.6m。 始发端头井出洞口处隧道洞门中心标高为-17.409m。出洞口及初期掘进段（约100环）范围区间隧道主要穿越的土层为：⑤11灰色黏土、⑤12灰色粉质黏土、⑤2a灰色砂质粉土及⑥暗绿~草黄色粉质黏土。隧道上方土层主要有①1杂填土、②1褐黄~灰黄色黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、③j灰色粘质粉土等。盾构加固区穿越土层主要有⑤11灰色黏土、⑤12灰色粉质黏土，下卧层为⑤2a灰色砂质粉土（微承压水层）。

周边环境：丹阳路站南端头井位于江浦路、杨树浦路交叉口，施工围挡范围内，周边无建构筑物，但有内大量市政管线，包括电力、上水、雨水、污水、煤气、信息等。 2、盾构区间监测布设 2.1地面及隧道结构体变形监测

针对区间盾构施工期间监测范围来说，主要是区间隧道正上方沿线路中心线左右、各1.5倍盾构中心埋深范围内的建（构）筑物、管线等，在具有一些特定要求的情况下，则需要适当加宽检测范围。盾构进出洞区域应布置部分地面深层监测点，布设位置如下图所示：

图1：盾构进出洞施工地面环境监测点布置平面图

隧道结构测点布置：管线监测点间距宜为5m~20m，与隧道轴线垂直或接近垂直相交的管线监测点间距不宜大于6m，与隧道轴线平行或小角度斜交管线测点间距不宜大于 20m。

图2：沿线地表断面沉降监测点布设示意图 2.2地下管线沉降点布设

⑴距离隧道中线10.0m以内管线测点间距加密； ⑵大口径、压力管线测点布设尽量考虑布设直接点；

⑶从信号电缆以及电力电缆等管线角度来说，因并不需要深埋，同时其主要是在道路边沿位置进行埋放，加之套管或盖板保护措施的配套，在监测过程中基于现有管线设备利用开展监测工作即可，基于地面沉降监测点的运用，将常规监测控制操作积极开展，同时还需要对间接沉降监测点给予另外布设，保障监测的全面性。

⑷供水、煤气等刚性管线：该类管线埋深一般在0.8~2m左右，监测时尽量利用现有管线设备进行直接监测，布设直接监测点。 ⑸雨水、污水管道：位于道路，且埋深比较深，由于道路上车流量大，主要利用井框架进行直接监测。 2.3盾构掘进地面变形允许值

《地铁隧道工程盾构施工技术规范》要求盾构掘进引起的地层损失率应小于1%，在遇到管片脱出的情况时，针对不同盾构覆土厚度可以从下表中规定数值加以考虑。 表1：盾构掘进地面变形允许值

2.4 监测频率

进人推进试验段时监测频率为2次/天。

穿越建筑物期间的监测频率加密至4次/天（2次/环） 3、冻胀与融沉 3.1冻胀影响

⑴冷冻法导致的冻胀主要是未冻结水向冻结锋面的迁移引起的分凝冻胀，其次是原位水冻结引起的原位冻胀。

⑵由于水在结成冰后体积会增加9%左右，相同条件下，有正比关系呈现在冻胀力和土体含水量方面，与其有主要关系的因素为冻土平均冻胀率、周围土性弹性模量等。冻融后土体渗透性数倍增加，体积减少约8%。 3.2融沉影响

土体结构在冻胀时形成的裂缝在融化时闭合，使冷冻区周围产生较大空隙，产生融化沉降。加上冻土融化使冰变成孔隙水，在重力作用下发生排水固结土层被压密，产生固结沉降。二者叠加为加固区域后期沉降，所以对施工和环境影响不容小觑。融沉量大小与土层含水量、空隙率、融化速度成正比，与土体干密度成反比。含水率高、承载力低的软弱土层，冷冻加固一般易发生较大的融沉。 3.3本工程盾构穿越冻结加固区后融沉注浆要求： ⑴应待盾构洞门止水装置及封闭措施完成后停止冻结。

⑵应结合冻结加固区环境条件采取融沉注浆措施，根据要求进行充填注浆施工。

⑶应结合冻结孔布置形式对冻结管进行处置，特别是留置土体内的部分水平冻结管封堵应根据要求采取措施进行填充及孔口有效封堵，确保运营期间安全。 3.4融沉注浆控制措施

⑴工艺：融沉注浆是在土体扰动效应发展过程中，通过填充冻土融化空隙，压实、劈裂融土，对土体进行加固。材料和注浆压力、注浆量、及时性、水灰比等参数的选取以及监测数据、监测手段至关重要。

⑵原则：在整个冻结区域按照多次、定量、均匀的原则，逐步控制地层沉降趋于稳定。在对注浆量进行控制的过程中，需要以融化冻土体积为依据，且整个冻结区域都是注浆范。

⑶盾构穿越冻结加固区后，当一天隧道端头地层沉降大于0.5mm或累计沉降大于3mm时，融沉补偿注浆操作需要及时开展，在达到3mm的地层隆起状态时，即将注浆操作暂停。

⑷配合冻土帷幕融化过程，通过隧道内的管片注浆孔，先下部后上部的顺序注浆。

⑸注浆位置和注浆量须根据地面变形监测数据确定，并经注浆后监测数据进行适当调整，且兼顾不能引起隧道管片的变形、位移。 3.5 注浆施工过程的监测

注浆的目的就在于对地面沉降变形进行有效控制。基于此，在进行具体解冻操作时，需要在地面变形监测以及冻土温度监测等方面加强力度。在注浆过程中对地表变形进行监测，能够为注浆压力作用下合理范围的变形量给予保障，借此将注浆压力对地面建筑物造成的不良影响给予有效避免。 3.6融沉注浆结束条件

根据地面沉降变形稳定与否来确定融沉注浆结束情况。冻结壁已全部融化，且实测地表沉降速率连续2次小于0. 5mm/15d时，可停止融沉注浆。 4、浆液比选

一般对注浆材料的性能有如下要求：一是流动性好；二是具有均匀的高于地层土压的早期强度；三是充填性好；四是注入后体积收缩小；五是高隔水性；六是环境污染小。

双液浆具备的显著特征就体现在流动性以及扩散性等较好方面，同时可调性、浆液初凝快也是其具备的显著特征，其能够对土地强敌进行适时提高，并将土地沉降稳定实践进行缩短，确保将注浆而造成的扰动以及软化效应给予有效避免。在瞬时间内能起到强化和加固作用，安全简便、快速，工期短，质量好，效果快。不足之处在于：

4.1由于受地下水的稀释影响，双液浆浆液的凝结时间较难控制的好，浆液结石体强度不均；

4.2由于注入地层的浆液时间不同，后注的浆液往往因为前注已趋于稠化的浆液阻断，而不能完全充填到空隙位置，其结果很可能导致浆液被压入阻力小的周围土体中，注浆效果不能达到预期目标；

4.3浆液稀薄对盾尾损坏作用较大，同时部分浆液劈裂或渗透到注浆空隙以外的土层中； 4.4浆液不能有效地阻止正面支护泥水后窜，致使泥水与浆液混合造成浆液结实体强度不均匀； 4.5注浆材料费用高、注浆设备较复杂等缺点。

单液浆与之相比注浆量小、不受注浆长度可用运输车（双液浆只能用管路）、材料成本低、工艺简便易操作、可以用坍落度控制和易性等优势。

综合考虑地质条件、掘进方式、施工条件和成本控制等多方面因素，此区间融沉组将材料采用单液浆（P0.42.5水泥、水灰比为1：0.8。注浆压力0.3~0.5MPa）。

5、融沉注浆专项施工方案（单液浆）主要技术参数的审查

5.1融沉注浆（单液浆）主要技术参数有：水灰比、浆液比重、注浆压力、水泥用量等。

5.2融沉注浆（单液浆）主要技术参数匹配性验算。适当的技术参数是注浆质量和材料的用量的前提。本工程DX7环单孔注浆主要参数验算如下：

单孔水泥体积：V=0.6*=0.2667 m3

单孔水泥用量：Vρ=V*ρ=0.2667*20=5.33 KN ≈0.52 T

泥浆总量（B取1：0.8）：单孔水泥用量单孔水泥用量*（1+0.8）=0.52*1.8≈0.936 T 泥浆比重：（1+B）/（1÷ρc+B）=（1+1/0.8）/（1÷3.15+1/0.8）=1.43 g/cm3 式中：ρ---水泥比重，取20KN/m3 ρc---水泥密度，取3.15g/cm3 B---水灰比，取1：0.8

6、盾构掘进前后监测数据的分析

以下行线第5和第10环中心上方沉降监测点XD05及XD10报表数据进行分析数据，对融沉注浆效果得出结论：

图3：盾构融沉区域的部分监测布点图 6.1重要的时间节点

⑴ 盾构出洞时间：11月23日，首日完成环数为2环。 ⑵ 第5环管片安装结束时间：11月25日。 ⑶ 第10环管片安装结束时间：11月27日。

⑷ 第1至12环管片安装速度为每天1至2环，第12环结束时间：11月28日。 ⑸ 第13至21环开始掘进增速，11月29至12月1日各3环。 ⑹ 12月2日至12月10日因车架转接盾构掘进暂停未施工。

融沉注浆开始时间：12月16日，前一天DX05的累积沉降值为-4.毫米，单日增量0.35毫米；DX10的累积沉降值为-14.39毫米，单日增量0.35毫米。达到融沉注浆规定。其中+2至+9环为加固区域，+2至+11环为冷冻区域。 6.2各阶段监测点竖向位移数据分析

⑴ 掘进前后：+1环至29环完成阶段（11月23日至12月11日）

图5：融沉注浆前后竖向位移变化图

从图5数据可以看出正常融沉注浆阶段效果显著，有效抵抗了由于解冻和掘进对土体竖向位移影响甚至回弹。 停工3天的影响：

由于材料供应的原因，导致现场未进行融沉注浆，此后恢复。

图7：XD10点竖向位移监测图

图6、图7数据可以看出停止融沉注浆阶后，土体竖向位移斜率恢复，但重新注浆后回弹迅速。 由此可以得出的结论：

① 盾构施工阶段，解冻和掘进是引起地面竖向位移的两大原因，自然解冻的过程缓慢影响小而以掘进为主要因素。

② +2至+9环为加固区域，在掘进至+5环后，由于土体经过改良，经过3天掘进后受土体扰动和解冻的影响逐渐释放，+7至+10环掘进期间竖向位移速率明显降低。但出冷冻区后速率恢复。

③ 由于+21环完成后，12月2日至12月10日未施工，竖向位移速率逐步接近掘进前的水平，解冻为主要因素。 ④ 融沉注浆对消除解冻及盾构施工对围岩自稳性的效果显著。 7、结语

融沉注浆对控制上海地区松散含水层由于冻结加固区解冻后期和盾构施工引发的区域隧道及地表沉降的一种有效方法。

融沉注浆前期施工保证质量、措施到位：1.盾构出洞及初期做好洞门止水装置及封闭措施，防止洞门渗水。2.盾构同步注浆应按照相关要求进行，并根据施工测量数据进行及时动态调整。3.盾构始发及接收穿越冻结加固区环箍注浆及时，严格控制注浆压力和注浆量，不得影响盾尾密封系统及洞门止水装置。

在软土地层条件下，盾构出洞及初期掘进施工阶段施工，地表沉降控制是盾构施工过程质量监控的重要指标。融沉注浆位置、注浆量、注浆压力等应根据监测数据适当调整同时须保证隧道变形、位移不受影响。

施工单位对地质水文、周边管线、建筑物等资料掌握的前提下报送的融沉注浆方案应根据盾构隧道监测数据和冻结壁融化情况撰写。总监理工程师审查其针对性、可操作性，审查通过后须严格执行。在融沉注浆施工过程中，监理人员应加强现场巡视检查监控施工质量，确保每孔注浆质量。

参考文献：

[1]《地铁隧道工程盾构施工技术规范》DG_TJ08-2041-2008 [2]《地铁隧道工程盾构施工技术规程》STB_DQ-010001-2007

[3]秦军 《地铁区间隧道旁通道施工融沉注浆技术》[J].中国市政工程，2009（5）

[4]李宁，林嘉，李长忠 《上海轨道交通旁通道自然解冻融沉注浆加固技术与效果分析》[J].城市轨道交通研究，2010（13）