盾构隧道壁后注浆浆液设计的几个问题

发布时间：2024-11-06

我国城市地铁建设目前已进入了全速发展时期,在我国地铁是一个新生事物,目前仍有部分设计、施工技术并不成熟,或者说不完善。例如地铁盾构区间壁后注浆浆液的设计问题,由于没有国家相关规范约束、指导,目前我国在壁后注浆浆液设计方面仍较混乱,设计无人监管、无依据;同时盾构隧道壁后注浆的长期性能在我国也未受到重视,例如地下水中腐蚀性离子对壁后注浆的侵蚀问题。

盾构隧道壁后注浆浆液设计的几个问题

卞辉，长沙市轨道交通集团有限公司，410000

1、前言

盾构隧道施工时，盾构机外壳直径略大于盾构隧道管片外径，造成周围土体与盾构管片之间存在一定程度的建筑间隙，必须用壁后注浆的方式进行充填。以某市地铁盾构区间施工为例，土压平衡盾构机最大外径（刀盘处）为6.28m，而盾构管片外径为6m，每环管片（1.5m宽）外围理论上有4m3的建筑空隙需要注浆充填，考虑到1.3~2.5的注浆充填系数，以及城市地表沉降控制要求较高等因素，实际每环壁后注浆量在5~9m3之间。

图1:壁后注浆填充盾构隧道建筑间隙示意图

目前国内盾构施工中，壁后注浆的作用主要有以下几点

[1][2][3][4][5]：防止围岩塌陷，减小地表沉降；确保管片受力均匀；作为盾构隧道加强层，加强隧道衬砌结构；防止盾构隧道漏水；约束、固

定管片，防止管片上浮。

壁后注浆从施工方式上可分为同步注浆与二次注浆，同步注浆一般分为单液可硬性浆液（水泥作为胶结材料）与单液惰性浆液（石灰作为胶结材料）。考虑到可操作性与经济性，目前实际施工中同步注浆基本以单液可硬性浆液居多。盾构施工中壁后注浆以同步注浆为主，二次注浆为辅，二次注浆的目的是填补同步注浆注浆不到位而产生的空隙，或在地表出现较大沉降及隧道漏水严重时作为处理措施。

盾构隧道壁后注浆浆液性能与质量的好坏，对于地铁盾构隧道本身及周围环境都十分重要[4][6]。虽然地铁沿线地表下沉问题十分复杂，更多地取决于盾构施工区域内地质构造及地质条件，但如果盾构隧道壁后注浆浆液填充不到位，或是浆液早期、28天强度不足，或是在富水地层中浆液被地下水带走、冲散，以及壁后注浆防水效果不好导致隧道渗漏水严重、周边地下水位下降，以上因素也将一定程度的影响地表沉降。在地铁投入运营的长期范围内，地表沉降及地铁结构的变形问题也十分重要，特别是在高密度列车行车及隧道渗漏水的情况下，文献[7]指出，上海市地铁2号线自1995年运营起至2001年的6年间，地铁沿线某处最大地表沉降值已达到100～250mm，远远大于国家规范规定地表最大沉降30 mm的允许值，地铁沿线长期范围内地表下沉问题的严重性由此可见一斑。虽然引起此后期地表沉降的因素复杂繁多，但文献作者仍指出，经监测结果显示，地表后期沉降因盾构隧道壁后注浆浆液配比、类型不同而总体沉降幅度不同。由此可得出，壁后注浆的浆液性能一定程度影响着地铁运行后长期范围内的地表沉降。地铁投入运行后壁后注浆浆液对地表沉降的影响，主要是长期范围内壁后注浆浆液因耐久性问题而发生强度降低、碎裂、体积压缩等现象，以及随之而来的隧道渗漏水

导致周边地下水位下降；同时，列车带来的长期震动，使隧道壁后注浆浆液在破裂及富水的条件下，可能产生液化现象而引起地表沉降[8]。

壁后注浆施工时应充分考虑场地内地质条件、地表建筑等环境因素，根据不同的施工环境与工况选择合理的施工工艺与浆液配比，如选择合理的注浆压力、注浆量、注浆速度等施工工艺参数，选择合理的浆液强度、流动度、凝结时间、固结收缩率、稠度、水下不分散性能等浆液性能参数。

其中，根据具体工程地质条件、施工情况，选择与之相匹配的壁后注浆浆液十分重要。就浆液性能而言 [5][6][9][10]，如在围岩自稳性较差，地表沉降控制要求较高时，一般要求浆液缩短凝结时间以便尽早平衡周围土体压力，减少围岩塌陷，反之，则可适当延长浆液胶凝时间，提高浆液流动度，以便提高充填效果；在地下水丰富地层中，一般要求浆液成型后固结收缩率低、泌水率低、水下不分散性能好，抗水渗透性能好；在盾构始发及盾构到达阶段，为防止浆液流失，一般要求浆液缩短凝结时间。就浆液类型而言[11]，如围岩自稳性较差，地表沉降控制要求较高，宜选用单液可硬性浆液；如在富水地层中，为防止浆液流失，则宜使用双液浆。

实际施工中，浆液首先由设计单位根据施工场地工程地质条件等因素给出壁后注浆浆液大致性能要求，再由施工单位根据设计单位提出的浆液性能要求，自行确定浆液具体性能参数指标，再根据确定好的性能参数指标进行浆液试配试验，最终确定合理的浆液原材料及配比设计。

2、盾构隧道壁后注浆目前存在的几个问题

盾构隧道施工技术总体而言目前在国内已经比较成熟，在壁后注浆施工时，施工单位能够根据具体地质条件及工况合理调整注浆压力、注浆量、注浆速度等施工工艺，保证壁后注浆填充效果，控制地表沉降，减少隧道渗漏水。但就壁后注浆浆液而言，在具体施工中目前还存在以下几个问题：

（1）、对于盾构隧道壁后注浆浆液设计，至今为止国家没有出台相关国家规范或行业标准，无法实际指导、约束施工。

例如国家规范《GB 50446-2008盾构法隧道施工与验收规范》中仅提出了盾构隧道施工时需跟据工程地质条件、地表建筑情况等综合因素合理选择壁后注浆浆液配比的总体要求，但具体如何操作，以何为依据操作，规范中并无指出；但上海市地方标准《DGTJ08-2041-2008地铁隧道工程盾构施工技术规范》中，已结合了上海地区工程地质条件，初步提出了适合上海本地地铁施工情况的盾构隧道壁后注浆浆液原材料要求及浆液成品性能要求，并提出了具体性能参数指标，较好的指导了工程实际施工与管理；

（2）、由于无国家规范及行业标准，设计单位没有了设计依据，设计单位只能提出一些较笼统的壁后注浆浆液性能要求，无法提出具体的浆液性能指标参数。

例如，文献[4]指出，在北京地铁项目建设时，其浆液设计性能要求为：具有良好的长期稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求;具有良好的充填性能;在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度;浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象;浆液固结后体积收缩小，泌水率小;原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求;浆液无公害，

价格便宜。以上要求只定性不定量，没有提供具体标准，实际操作时难以把握，无法准确评判配制的浆液是否满足要求。

（3）、由于设计单位无法提出浆液具体指标参数要求，各单位在试配浆液时，自己提出的性能参数设计指标不一定合理，没有依据，很多文献中提出的浆液性能设计参数指标也往往犹如空穴来风没有根源；

（4）、由于没有参考依据，又缺乏详细、科学的研究工作，目前各施工、设计、科研单位在壁后注浆浆液方面做的基本上均是配比优化工作，在几种凭经验得来的配比设计中，通过性能检测、经济评估选出最合理、最适合本地实际情况的浆液配比设计，此种研究、设计思路本身就有很大的局限性，很可能导致最终确定的浆液配比设计出现与实际工程地质水文条件不匹配、设计不合理、过度设计等情况；

（5）、由于无国家规范及行业标准提供设计依据，设计单位又仅能提供只定性不定量的模糊性能要求，造成了目前在盾构隧道壁后注浆浆液设计、施工方面，业主单位与质量监督单位因无依据而完全无法监督、管理的局面；

（6）、作为盾构隧道的第一层保护层，壁后注浆的浆液与外界环境直接接触，因此壁后注浆浆液对耐久性能的要求至少应不低于盾构管片对耐久性的要求。长期范围内，壁后注浆浆液一旦因地下水冲刷、溶解，或因SO42-、侵蚀性CO2、HCO3-、镁盐等腐蚀性离子腐蚀[12]，或因列车长期振动产生疲劳破坏、振动液化，导致已凝结浆液强度下降、破坏，将毫无疑问的加剧地表沉降、盾构隧道漏水、变形。但到目前为止，国内工程界、学术界对于壁后注浆浆液的耐久性问题依然考虑甚少，所做工作也很不系统、不深入。很多学者[9][13][14]在提及浆液耐久性问题时多半局限于抗水溶蚀性，而水溶蚀实验本身很笼统、单一，实验

时一般也使用饮用水或蒸馏水，无法精确模拟隧道周围地下水、土中的腐蚀性离子对壁后注浆浆液的腐蚀、破坏情况。

3、仍需完善的工作

针对国内工程界在盾构隧道壁后注浆浆液方面的实际情况，我认为以下两个问题需要广大工程技术人员解决、完善：

1、尝试建立盾构隧道壁后注浆浆液设计标准，针对几种常见的、具有代表性的工程地质条件以及地表沉降控制要求，初步提出具有指导性的浆液性能参数指标要求，为设计、施工单位在浆液原材料选择与配合比设计上提供一定程度的设计依据。

2、针对不同水文地质条件，针对各种浆液破坏机理，特别突出长期范围内腐蚀性离子对浆液的侵蚀破坏，对盾构隧道壁后注浆浆液进行科学、系统的耐久性研究，将长期耐久性因素纳入盾构隧道壁后注浆浆液设计要求中。

4、结论与建议

结合目前国内盾构施工实际情况，因暂无国家规范约束、指导盾构隧道壁后注浆浆液设计与施工，导致目前国内在盾构隧道壁后注浆浆液原材料选择、配合比设计等方面都较为混乱，业主单位与质量监督单位在事前基本无法监督管理壁后注浆浆液设计与原材料选择，事后因壁后注浆属隐蔽工程，除用超声波或地质雷达进行壁后注浆饱满度检测外，壁后注浆的其他性能均很难检验，长期性能基本无法保证。为了加强业主单位对壁后注浆质量的监督与管理，为了给设计、施工单位配制壁后注浆浆液提供一定程度的设计依据，初步尝试建立一套有针对性、

有指导性的盾构隧道壁后注浆浆液设计标准，其意义十分重大。

对于盾构隧道壁后注浆，在浆液强度基本均可达到或超过周围原状土层强度的情况下，目前国内工程界关心更多的是壁后注浆的充填效果及凝结时间等施工性能，以及短期内浆液对地表沉降与隧道渗漏水的控制情况，而对浆液的长期性能并不关心。鉴于目前国内普遍的百年地铁设计要求，再考虑到地铁线路基本均下穿城市繁华地段，地面短期、长期范围内沉降控制要求均较高，壁后注浆又直接与周围土体及地下水接触，长期范围内壁后注浆浆液的耐久性问题应该要引起工程界的足够重视，并积极开展全面且系统的理论与试验研究工作，尽可能的事前保证并提高盾构隧道壁后注浆的长期性能，减小地铁运营后期地表的沉降幅度。

参考文献

[1] 邹羽中，盾构隧道同步注浆技术[J]，现代隧道技术，2003，40（1）：26

[2] 崔天麟，赵运臣，盾构隧道掘进过程中同步注浆技术的应用[J]，探矿工程，2003年第4期：59

[3] 罗云峰，区希，张厚美，等，地铁隧道盾构法同步注浆用水泥砂浆的试验研究[J]，混凝土，2004年第8期：72

[4] 张士屹，盾构法施工同步注浆施工工艺[J]，西部探矿工程，2009年第4期：164

[5] 梁晓英，富水地层盾构施工同步注浆材料性能及配合比设计性能研究，[D]，长安大学：武建民，2005

[6] 尹旅超，朱振宏，李玉珍，日本盾构新技术[M]，武汉：华中理工大学出版社，1999

[7] 王如路，刘建航，上海地铁长期运营中纵向变形的监测与研究[J]，地下工程与隧道，2001年第4期：6

[8] 曾晓青，张庆贺，土压平衡盾构同步注浆浆液性能试验研究[J]，中国市政工程， 1995年第1期：46

[9] 田焜，高性能盾构隧道同步注浆材料的研究与应用，[D]，武汉理工大学：丁庆军，2007

[10] 杨彪，浅谈盾构隧道同步注浆施工技术[J]，建材与装饰，2010年5月：308

[11] 余浩，盾构隧道壁后可硬性浆液配比优化实验研究，[D]，北京交通大学：丁洲祥，2011