近距离穿越民房的施工技术：12号线工程关键技术研究与应用

3.1.1.1　研究背景

随着城市轨道交通建设的不断深入，可供利用的地下空间越来越成为稀缺资源，轨道交通线路的选择余地也越来越小，在此情况下，盾构法隧道将越来越多地向深层地下空间或向人口稠密的建筑密集区下发展，这在中心城区地铁隧道施工中已成为了现实。中心城区盾构施工穿越的建筑物主要分为两类：高层建筑物，老旧建筑物。

其中，中心城区老旧建筑物，建造年代久远，多建于20世纪20—30年代，甚至部分建筑物的年龄已逾百年，部分还是省市级甚至国家级的保护建筑。这些建筑物由于使用年限过长，部分建筑物使用过程中还存在改建、加层等情况，普遍存在建筑结构差、建筑物抗变形能力大幅减弱、易损坏的特点，建筑物的保护要求非常高。

上海轨道交通12号线13标工程嘉善路站—陕西南路站—南京西路站区间位于上海市中心城区，区间单线长分别为1388.992m和1241.838m。两个区间隧道线路走向均为反向S形，隧道最小曲线半径为350m，最大纵坡为27.897‰（图3-1、图3-2）。区间盾构施工需穿越成片的大量建筑物，经统计共穿越沿线房屋411处，房屋面积共计69万m2。盾构施工位于正常地层与古河道地层交界处，地基土层分布较复杂。按其沉积时代、成因类型及其物理力学性质的差异可划分为7个主要层次：⑤1-1 黏土层、⑤1-2粉质黏土层、⑤3-1粉质黏土层、⑤3-1t黏质粉土夹粉质黏土层、⑤4粉质黏土层、⑥粉质黏土层、⑦1砂质粉土层。

图3-1　嘉善路站—陕西南路站区间线路图

图3-2　陕西南路站—南京西路站区间线路图

盾构于复杂地层中穿越成片、大面积老旧建筑物施工，主要难点在于如何控制盾构施工对周边环境尤其是建筑物的影响。通过对盾构设备进行合理选型及改造、对相关施工工艺进行优化，达到了控制盾构施工对周边环境的影响，保证建筑物安全的目的。主要研究内容有：

（1）盾构机适应性改造研究。

（2）盾构穿越复杂地层施工技术研究。

（3）盾构穿越建筑物微扰动施工及注浆控制技术研究。

（4）盾构推进厚浆系统研究。

3.1.1.2　盾构机适应性改造研究

1.优化加泥加水系统

盾构机加泥加水系统一般选择挤压泵或柱塞泵作为加泥加水泵。盾构机原装挤压泵性能参数见表3-1和表3-2。

表3-1　挤压泵性能参数表

表3-2　BW-250型泥浆泵性能参数表

由于盾构机覆土较深，外部土体压力较大，挤压泵本身压力小，经过管路的压力损失，水流到达刀盘表面时已没有足够压力冲破土层，压力及流量均无法达到设定要求。而柱塞泵可选择挡位较多，施工参数选择丰富，可根据不同土质情况进行调整。

通过对两种泵的性能参数比较，柱塞泵各项指标均优于挤压泵，所以在⑥层土内盾构推进时，加泥加水泵应优先采用柱塞泵。

2.盾尾油脂管路改造

1）原管路形式及缺点

盾构机盾尾油脂注入口共有12个，分散在6个位置（图3-3）。其中2点、4点、8点、11点四个位置的注入管道与同步注浆系统设置在一起，3点、9点两个位置的注入管道单独在盾壳上布置。每个位置有两个注入口，分别布置在内圈和外圈，内圈注入口位于第一道、第二道盾尾刷之间，外圈注入口位于第二道、第三道盾尾刷之间。

常规盾构机盾尾油脂管路排布时，管路走向一般采用图3-4所示的形式，12个注入孔采用串联的形式，盾构油脂压注时，通过盾尾油脂泵进入管路，依次通过A， B， C， D这四个点，按顺序分别对12个注入孔进行盾尾油脂压注。

图3-3　盾尾油脂注入口布置图

图3-4　改造前盾尾油脂管路图

盾尾油脂系统操作模式一般分为手动模式和自动模式。在手动模式下，可以选择单个或多个注入孔进行油脂压注操作，控制压注的时间；在自动模式下，可以对所有油脂注入孔同时进行操作，又可分为压力控制和时间控制，如图3-5所示。

图3-5　盾尾油脂操作模式

在实际施工中，我们通常采用自动模式进行控制，并将每环的盾尾油脂压注量进行统计，作为辅助的控制措施，每环的盾尾压注量一般控制在20 kg。在普通地层内进行盾构推进施工时，这样的操作方法一般都可满足盾尾密封要求，但在承压含水层内进行施工时，可能会在盾尾形成渗漏通道，引发施工风险，主要原因在于盾构机的油脂管路设计并不十分科学，存在一定施工隐患。

原管路形式分析：从管路图上来看，由于12个注入口采用串联排列，如果压注全部12个注入口，油脂必须从A点流到D点，即左半圈压注完成后方可压注右半圈，4#注入口至3#注入口的距离约为15m，也就说明A点至D点因管路长度存在一定的压力损失，3#注入口的压力远远小于4#注入口的压力。施工时会引发以下问题：

（1）以每环20kg为定量进行盾尾油脂压注，由于存在压力降，左半圈注入口的压注压力远远大于右半圈，导致20kg油脂中绝大部分都压注在左半圈，右半圈的油脂较少，容易形成渗漏通道。

（2）当采用压力控制时，为使每一个注入孔都能达到指定的注入压力，会导致油脂在左半圈压注过多，引起浪费，增加施工成本。

2）管路改造

改造后的管路形式如图3-6所示，改造的总体思路是将原来左、右半圈注入口串联管路的形式改造为左、右半圈注入口并联管路形式，压注盾尾油脂时，油脂同时从A， B， C，D这4个位置进入，左半圈注入口同时由A， B两个方向进行压注，右半圈注入口同时由C， D两个方向进行压注，A， B， C， D这4个位置的压力基本相同，各注入口之间虽然存在一定的压力降，但压力损失较小，基本可以忽略不计，可以尽快地在所有注入口建立压力。

3.优化千斤顶分区

本工程所使用盾构机总推力48000kN，共有16个千斤顶，划分为4个区域，上区5个千斤顶，下区5个千斤顶，左区3个千斤顶，右区3个千斤顶。上、下区总推力均为15000kN，左、右区总推力均为9000kN。

根据纠偏量计算，小半径转弯施工时，盾构机左、右区千斤顶每一环必须拉出一定行程差，方可确保盾构机钳行在设计轴线上。根据原有分区，左、右区千斤顶推力远远小于上、下区千斤顶推力，盾构机左、右转弯的灵活性不足，往往无法推出要求的行程差，导致隧道轴线超出规范要求。

图3-6　改造后盾尾油脂管路图

为满足盾构机左、右小半径转弯的需求，千斤顶分区需重新调整，如图3-7所示。考虑到盾构自重影响，下区千斤顶压力应大于上区千斤顶压力，故将上区2个千斤顶分别调整至左、右区。上区总推力调整为9000kN，左、右区总推力均调整为12000kN，盾构机左、右转弯灵活度大大增加。

图3-7　千斤顶分区调整示意图

4.加装泡沫剂、聚合物注入系统

为盾构加装泡沫剂及聚合物注入系统，向刀盘前方注入聚合物或泡沫剂，对土体进行改良。同时在土仓隔板上靠近螺旋机进泥口附近设置2个球阀，单独设计加装了一套高分子聚合物加注系统，目的主要是采用高分子聚合物（CONDAT FA34）作为富水土层渣土改良剂，提高通过螺旋机渣土的密水性和黏稠度，对砂性土进行塑性改良，防止喷涌（图3-8）。

图3-8　聚合物压注泵

5.自动监测及演算工坊数据采集系统

针对本工程隧道平面线型存在多处R=350m小半径圆曲线段的施工难点，提高小半径转弯段施工中分段纠偏的精度，在所用盾构机上均配备日本演算工坊开发的盾构自动导向测量系统（图3-9、图3-10）。可以实时获取盾构机方位角、俯仰角、扭转角及切口盾尾水平偏差、竖直偏差等信息，并与人工测量数据进行比较，增加测量的精准性。并且测量数据可实时传输到操作室及地面中控室监控屏幕上，供工程技术人员分析且指导施工。

图3-9　自动导向测量系统

图3-10　演算工坊数据采集系统

3.1.1.3　盾构穿越复杂地层施工技术研究

1.盾构于复杂地层中施工存在的主要间题

1）盾构于⑥层土中施工存在的主要问题

层土土体密实、强度高，盾构机在该土层掘进施工时，刀盘刀具插入土层进行切削时，往往会产生刀盘扭矩过高的情况。对于刀盘扭矩过高的情况，我们通常采用刀盘加水的方式进行土体改良。但在⑥号土内进行常规的刀盘加水方式进行改良时，除改良效果不佳外，还易出现如下状况：

（1）⑥层土强度高，不易搅拌均匀，形成块状土体在土仓内转动，引起盾构土压力波动大、螺旋机转速不稳定、不恒速等连锁反应，造成螺旋机出土量不一、不能连续出土，出土较多时，土体结成硬块会引起皮带机打滑，来不及出土。

（2）⑥层土一般深度较大，盾构机进入⑥层土后，隧道埋深约24.5 m，此时的外部土体对土仓的压力也较大，为0.38～0.40MPa。刀盘面板表面的注水孔受到外部压力后，导致盾构机加泥加水系统的输出流量受到限制，无法达到设定流量值，实际加水量不能有效起到拌和、改良⑥号土的作用。

（3）⑥层土的土体性质非常黏、硬，加之外部的土体压力较大，容易形成泥饼黏附在刀盘注水孔上，将注水孔堵住，在进行刀盘加水操作时，加泥加水泵由于可能并没有工作，长此以往，容易导致设备发生故障。

2）盾构于⑦1层土中施工存在的主要问题

盾构机进入⑦1层土后，隧道埋深达到25 m，盾构机的总推力将随着覆土深度的变大逐渐增大，远远超过一般覆土深度盾构推进施工的总推力，这也就表示盾构推进时每块管片侧面所受到千斤顶的推力也大大超过常规的施工。隧道管片在承受较大总推力的情况下进行纠偏，环面整体的受力不均匀，容易引起管片局部应力集中，导致管片大面积碎裂。

2.采取的施工措施

1）选择盾构推进模式

土压平衡式盾构机施工操作时，对于土压平衡的方式一般分为两类：自动土压平衡和手动土压平衡。常规操作时，一般选择自动土压模式，即对土压力目标值进行设定后，盾构司机在进行盾构推进系统操作时只需控制推进速度，螺旋机会根据土压力设定值及盾构司机所控制的推进速度自动调整螺旋机转速，使螺旋机转速与推进速度相匹配，达到土压平衡的目的。

在自动土压平衡的模式下，由于盾构机自身设定土压力目标值可在设定土压力值的上下限内浮动，上下限值一般为±0.02MPa，所以在该模式下土压力始终处于波动的状态，最大幅度可能达到0.04MPa。盾构机螺旋机为达到土压平衡，一直持续调整其转速，转速时高时低，尤其是在⑥层土内推进的情况下，会造成螺旋机的出土量不连续、不均匀，从而引起皮带机的打滑。

故盾构机在⑥层土内推进施工时，应采用手动土压平衡模式。在手动土压平衡模式下，盾构司机可以通过调节螺旋机转速、推进速度达到“六个恒定”，即推进速度、刀盘进土量、螺旋机转速、刀盘正面土压、螺旋机出土量、皮带机上土量均处于相对恒定的状态。这可以有效解决皮带机打滑的问题。

2）刀盘加水操作方式

以往在淤泥质黏土地层中进行刀盘加水操作时，施工人员养成习惯：当刀盘扭矩上升至60%时，即进行刀盘加水的操作，经加水扭矩下降后，立即停止。由于淤泥质黏土土质良好，含水量相对较大，上述操作方式仍旧能够满足均匀拌和土仓内土体的要求，但盾构机在⑥层土内推进施工时仍旧采用该操作方式，会引发以下一系列问题：

（1）⑥层土含水率低、土质硬、强度高，如只在刀盘扭矩高时进行加水、刀盘扭矩低时停止加水，所拌和的土体仅为刀盘进土口前一段土体，其后一段土体并未被有效拌和。未经拌和的土体进入刀盘后，仍旧会引起刀盘扭矩的升高（图3-11）。如此反复循环，正面土体时硬时软，会引起土压力的波动，土仓内的土体其实并未被有效地置换，没有起到改良头部土体的作用。

（2）在⑥层土内盾构推进时，应确立正确的加水方法：盾构推进时应保持刀盘持续加水，扭矩出现下降后可适当控制加水流量，当土仓内土体完全置换后，就可以通过调节推进速度和增减加水流量寻找推进速度和加水流量的平衡点。

图3-11　刀盘间断加水时土仓内土体状态

3）降低盾构总推力控制方法

（1）使用超挖刀。

盾构机超深覆土施工时，壳体上半部的侧摩阻力远大于下半部的侧摩阻力，所以开启盾构机上半周21点至9点位置超挖刀（图3-12），超挖量定为80 mm，盾构机上半周实际开挖半径为3.25m，通过超挖刀切削盾壳上半部的土体，降低钢板与土体间的摩擦系数，以减小侧摩阻力。随着超挖刀使用时间变长，总推力的减小量可逐步稳定在约5000kN（表3-3）。

图3-12　使用超挖刀示意图

表3-3　超挖刀使用后总推力减小量统计表

（2）盾构机壳体减摩注浆。

盾构机支承环位置1点、5点、8点、11点四个方向设置壳体外注入孔，通过外注入孔向外压注膨润土浆液，使膨润土浆液在盾构机壳体表面形成一层泥膜（图3-13）。

图3-13　盾构机壳体减摩注浆示意图

膨润土是一种以蒙脱石矿物为主要成分的黏性土，与一般黏土相比，它水化能力强，膨胀性大，分散性高。膨润土浆液一般在盾构机施工中用于疏通、润滑同步注浆管路，防止管路堵塞。所以其在盾构机壳体表面形成泥膜后，可以作为壳体钢板与外部土体的隔离物，起到降低摩擦系数的作用，减小侧摩阻力。

①膨润土浆液配比。

每拌桶（1.6m3）膨润土掺加量为250kg。

②膨润土浆液拌制要求。

·加料顺序：拌制膨润土土浆应先加水，后加入膨润土。

·新制膨润土土浆需存放一段时间，经充分水化溶胀后方能使用。

·浆桶内的膨润土土浆应经常搅动，避免沉淀或离析。

③膨润土浆液性能指标。

膨润土土浆应对其泥浆比例进行控制，适当的比例有利于浆液在盾构机壳体表面形成有效的泥膜，膨润土土浆液比例一般控制在1.04～1.06。

④膨润土浆液施工参数。

·注浆压力确定：为确保膨润土浆液充分打入土体内并在盾构机表面形成泥膜，注浆压力以外部土压力为参考值，在超深覆土的工况条件下，以0.5MPa作为控制指标。

·注浆量的确定：每环压注膨润土浆约1.2m3，压注6环后，理论上可在盾构机壳体表面形成一道5cm厚的泥膜。

·注浆顺序选择：盾构机切口环外周4个注入孔相互切换压注，压注量4个孔相对均匀，可根据注浆压力进行调节。

⑤实施效果。

通过盾构壳体减摩注浆，总推力减小1000～2000kN。

4）应用效果

通过对⑥层土物理力学性质进行分析，围绕着将推进速度、刀盘加水流量、螺旋机转数、正面土压力等施工参数保持相对恒定的目标，制定了土体改良方法：

（1）选择手动土压平衡模式作为盾构推进模式。

（2）采用合理的刀盘加水方式寻找推进速度和加水流量的平衡点。

通过改良措施的应用，盾构机在⑥层土内推进施工的主要难点得到有效的解决：

（1）刀盘的扭矩得到有效的控制，采取措施前后刀盘扭矩对比曲线如图3-14所示。

（2）螺旋机可以做到出土量稳定，皮带机不再出现打滑的现象。

图3-14　采取措施前后刀盘扭矩对比曲线图

针对砂性土层内盾构机总推力过大的问题，通过使用超挖刀、盾壳减阻注浆等方式，减小盾构总推力至约30000kN，使盾构机具备足够的纠偏能力，采取措施前后盾构总推力对比曲线如图3-15所示。

图3-15　采取措施前后盾构总推力对比曲线图

3.1.1.4　盾构穿越建筑物微扰动施工及注浆控制技术研究

1.土压力设定

根据土压平衡盾构的原理，土仓中的压力须与开挖面的正面水土压力平衡，以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。

因施工范围内土层既有黏土和粉质黏土，又有砂性土，因此，针对黏性土层土压力计算采用水土合算，针对砂性土层土压力技术采用水土分算。为考虑土体扰动后性质变化、盾构推进速度、超载状况等因素时，在计算值基础上考虑正面水土压力的调整系数。其值一般黏性土中取1.05～1.12，砂性土中取1.13～1.15。

根据以上公式计算穿越区域土压力的理论值，实际土压力设定值根据沉降数据值进行微调，同时在推进过程中，要保证实际土压力与设定值之间的差值控制在±5%以内。

2.推进速度控制

土压平衡盾构压力舱内土压大小与盾构推进速度以及出土量有关：若推进速度加快而出土率较小，则土压仓土压力会增大，其结果将导致地面隆起；反之推进速度放慢，出土量增加将令土压仓土压力下降，引起地面下沉。为此盾构推进过程中应做到：降低推进速度，严格控制盾构方向、姿态变化，减少纠偏，特别是杜绝大量值纠偏，保证盾构机的平稳穿越。

本工程中，盾构推进速度控制在20～30 mm/min，并根据监测数据适当调整。穿越区施工过程中，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越建筑物，以减少对周边土体的扰动影响，以免对其结构产生不利影响。

3.出土量控制

出土量是与土层损失紧密联系在一起的，它与一环长度内盾构的体积直接相关。假定基准出土率时地层损失为零，则实际出土率变化时将引起附加的地层损失。

出土量的控制应与掘进速度的控制保持一种动态平衡关系，即盾构的出土量应和盾构掘进尺内掘削的土体保持平衡，而出土量又与螺旋机转速密切相关，即单位时间内出土量大则螺旋机转速高，出土量小则螺旋机转速低。盾构正常掘进时，螺旋机转速控制一般可采用自动控制模式，如果推进速度需要降低至10mm/min，则螺旋机自动模式在最低转速下出土量仍然可能大于掘进速度所要求的出土量，因此，可结合采用手动模式进行出土量控制。

4.盾构姿态控制

在穿越期间，因盾构进行平面或高程纠偏的过程中，会增加对土体的扰动，因此在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能减少盾构纠偏量和纠偏次数。

在盾构推进过程中，应按照“勤测勤纠、小角度纠偏”的原则进行纠偏控制，盾构平面偏差控制应按照所拟定的分段纠偏的方案按照计算的千斤顶行程差和平面偏离值进行控制。考虑到盾构在小半径曲线段掘进，盾构与隧道轴线始终存在一个夹角，导致盾构千斤顶对盾尾后的隧道存在一个向曲线外侧的推力，因此盾构纠偏控制考虑预先将轴线向轴线内侧偏离20mm，以防止隧道外移引起轴线超标。以此为基准，将盾构切口和盾尾的偏差控制在±20mm以内，即盾构切口偏离值控制在-40～0mm范围内，盾尾偏离值控制在±20mm范围内。

5.同步注浆控制

盾构施工过程中，采用同步注浆工艺，确保浆液填充盾尾管片与土体间的建筑空隙，注浆量的控制应根据模拟推进的监测数据确定，动态控制。盾构掘进过程中应加强盾尾密封油脂的压注，以保证盾尾密封刷的密封性能。

盾构推进中的同步注浆是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。严格控制同步注浆量和浆液质量，务必做到3点：①浆液的配比须符合质量标准；②保证每环注浆量能充盈盾构机通过后形成的建筑间隙；③控制注浆压力，进行均匀压注浆液，通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。

1）浆液质量标准

根据浆液基准配合比及性能要求，严格控制浆液质量。其中，黄砂，粉煤灰，膨润土，石灰，添加剂，水=800∶400∶50∶100∶3∶340；浆液质量密度＞1.80g/cm3；坍落度120～160mm；坍落度经时变化5cm（20 h）；泌水率＜5%；抗压强度R7＞0.15MPa， R28＞1.0MPa。

2）注浆量

由于盾构外径大于管片的外径，所以管片脱出盾尾后会在管片与周围土体之间形成“建筑空隙”。考虑注浆的浆液除填充盾尾的空隙外，还将渗透到周围土体中，而且浆液在固结过程中也会产生收缩，所以实际注浆量相较理论注浆量需考虑一个注浆量调整系数，该系数与土体性质、注浆压力、浆体材料及配比等有关。

因控制地层损失率的需要，同步注浆量较一般情况有所增加，注浆量调整系数控制在1.5～2.0，实际注浆量相当于“建筑空隙”理论计算值的150%～200%，即2.2～2.97m3/环。由于小半径曲线段施工段带来的超挖和砂性土区域的浆液流失，实际注浆量和注浆压力根据监测数据进行动态调整。

3）注浆压力

为保证浆体较好地渗入周围土体中，注浆压力须大于隧道所处的土压力值。而且必须控制在较好的范围之内，保证只是填充而不是劈裂，实际注浆压力按照1.1～1.2倍的静止土压力进行控制。

6.微扰动注浆控制

为减少施工沿线建筑物沉降，进一步充填盾构施工造成的地层损失，考虑在盾构机后方实施壁后微扰动注浆。根据监测资料，于管片脱出盾尾8～10环后实施，在注浆后依据建筑物监测数据，必要时，再多次实施注浆以控制隧道上方土体、建筑物等后期产生的沉降，控制施工对沿线建筑物和环境的影响。

1）注浆孔布置

每环管片注浆孔共计15个，分别布置在拱底块、标准块和邻接块内。根据监测数据对需要加固的部位进行必要的注浆加固。先用冲击钻将预留孔疏通，将特制的防喷装置安装好，并将单向球阀接在注浆管上，以便注浆（图3-16）。(www.xing528.com)

2）浆液配比

注浆通常采用水泥单液浆或水玻璃、水泥浆混合双液浆两种浆液搭配使用。其中单液浆的特点是均匀、密实、注浆压力小；双液浆的特点是凝固快、收缩小，补偿变形迅速。以200 L浆液配比为例，甲液中水为100～120kg，水泥为200kg；乙液中水玻璃为30～50kg。甲、乙两液配比由现场试验，初凝时间必要时确定为30～60s。上述浆液配比仅考虑土体加固注浆为一次性施工，如注浆孔需多次打开重复注浆，应适当降低水玻璃用量，以保证再次注浆时注浆孔能顺利被打开。

图3-16　管片注浆孔分布图

3）注浆压力和流量控制

注浆压力控制在0.3MPa以下，注浆流量为10～20 L/min。

7.实施效果

1）盾构穿越沉降控制效果

以嘉善路站—陕西南路站区间上行线盾构始发后25～60环范围内建筑物为例，上行线盾构穿越完成该区域后，建筑物累计沉降曲线如图3-17所示。

图3-17　建筑物累计沉降变化曲线

上行线盾构通过该区域后，即10月26日，该区域建筑物均为累计隆起状态，最大隆起5.68mm，最小隆起0.41mm。上行线盾构通过该区域10d后，即11月6日，该区域建筑物，最大隆起5.3mm，最大沉降-2.96mm。

2）二次注浆沉降控制效果

盾构穿越施工完成后，随即对该范围内建筑物进行微扰动注浆，以控制其沉降发展。自11月7日～11月16日共11 d，分5次进行注浆施工，累计注浆量5.8m3，单次每孔注浆量100～200 L。采取少量多次的注浆方式，在加固土体的同时，尽量减少注浆对土体的扰动。

上海地区盾构法隧道施工，地层损失率控制要求一般在5‰以内。由于本工程周边环境情况复杂，特提高地层损失率控制标准，使其≤3‰，据此可根据Peck公式计算出盾构隧道施工完成后的地面最大沉降控制值。在研究区域范围，盾构隧道埋深为19.231m。经计算，该区域盾构穿越完成后，15 d地面沉降最大值应控制在-1.62mm，30d地面沉降最大值应控制在-2.43mm。

从图3-18监测数据可以看出，注浆过程对建筑物扰动很小，沉降点数据基本稳定，至11月23日（盾构穿越完成17 d），最大累计沉降-1.55mm，最大隆起3.87mm。

图3-18　穿越完成后17 d建筑物累计沉降变化曲线图

从图3-19监测数据可以看出，由于进行了微扰动注浆控制，盾构施工完成后30 d内，研究区域内建筑物沉降稳定，至12月6日（盾构穿越完成30d），最大累计沉降-2.29mm，最大隆起3.1mm。

图3-19　穿越完成后30 d建筑物累计沉降变化曲线图

由于该区域盾构上方均为建筑物，故以建筑物沉降量校核地层损失率控制情况，经比较，盾构穿越后15 d和30 d沉降控制指标均符合3‰地层损失率控制要求。

3.1.1.5　盾构推进注浆系统研究及应用

盾构施工同步注浆技术又是盾构工法中必不可少的关键性环节，是控制隧道结构稳定和周围环境保护的关键。盾构同步注浆工艺是在盾构掘进的同时，通过注浆泵的泵压作用，把填充材料注入盾尾的管片环外空隙之中，达到填充管片环外空隙、固定管片环位置、减小地面沉降、充当环外第一道防水层等目的。其原理如图3-20所示。

随着城市地下空间开发进程的加快，以往传统的惰性浆和双液浆技术已不能很好地满足现有盾构法隧道施工的要求：①浆液材料强度指标不足，注浆效果差，地表沉降及隧道稳定性控制不理想；②注浆材料存在振动液化缺陷，给隧道后期运营带来安全隐患；③浆液材料和易性不佳，易导致堵管，严重影响了施工效率。传统同步注浆技术的瓶颈问题已严重制约了盾构法隧道的发展，给设计与施工带来的难题亟待解决。

图3-20　盾构同步注浆技术原理示意图

1.总体研究思路

根据目前盾构隧道施工沉降控制、隧道质量等要求，提出以抗剪切屈服强度为核心的新型同步注浆施工体系，分析其技术原理，并建立相应的浆液质量控制指标体系以满足施工要求。通过原材料选择试验确定新型抗剪型同步注浆浆液材料的主要组分，通过配合比试验确定砂浆材料各类组分的配比，并通过室内试验和现场试验确定各项指标参数。根据浆液材料的特性对盾构同步注浆工艺进行优化，提出“多点注浆法”注浆方式和“注浆量、注浆压力双控”施工控制方法，并对浆液输送的模式进行优化，建立了一套完整的抗剪型同步注浆施工体系。其研究技术路线如图3-21所示。

图3-21　研究技术路线

2.新型抗剪型同步注浆理念以及控制指标体系的建立

1）盾构隧道同步注浆施工需求分析

12号线盾构区间隧道工程施工对同步注浆技术提出了更高的要求，主要体现在以下几个方面：

（1）如何有效地控制盾构推进对周围环境的保护，特别是工后地表的长期沉降控制，是一项核心研究内容。

（2）工艺上要求浆液材料、注浆设备以及注浆参数需满足盾构同步注浆充分、均匀的填充要求。

（3）同步注浆施工过程中如何把握好注浆参数的合理控制，是关系到注浆效果与隧道质量的关键。

（4）同步注浆施工质量对于隧道结构的上浮控制意义重大。

（5）同步注浆施工质量决定着成环隧道结构的稳定性，而结构稳定性又对盾构姿态等相关推进参数的控制有着重要影响。

2）新型抗剪型同步注浆施工理念的形成

对于盾构隧道而言，当管片脱出盾构机后，浆液材料不仅需要填充盾尾间隙，防止周围土体发生沉降，还需要抑制大体积土方开挖导致的隧道上浮。因此，本项目引入一种以砂为骨料、石灰和粉煤灰为主要胶凝材料，加入适量膨润土和外加剂调节浆液性能的新型抗剪型缓凝砂浆材料（图3-22），利用该种浆液材料良好的流动性、压力触变性以及抗剪切屈服强度，来满足盾构法隧道的施工要求。

图3-22　新型单液浆材料

该种浆液在拌制初期具有较好的流动性和压力触变性，能够在注浆压力的作用下均匀地填充盾尾间隙，避免浆液在注浆口附近堆积，导致注浆压力积聚破坏管片；且具有较好的压力传递性，在管片脱出盾尾后，依靠骨料——砂颗粒之间咬合力和内摩擦力抵抗隧道上浮，并能将上浮力和注浆压力传递到周围地层，从而保证隧道的稳定。由此，提出用“抗剪切屈服强度”来表征新拌浆体的内部摩擦力和剪切力，抗剪切屈服强度越大，浆体抵抗周围土体变形和管片上浮的能力越好。盾尾脱出一段时间之后，浆液材料内的石灰和粉煤灰开始二次水化反应，与浆液骨料结合生成具有一定抗压强度的胶凝材料，从而保证隧道后期的整体稳定性和质量。

该理念不同于以往同步注浆材料对于初凝时间、早期抗压强度等指标的要求，强调以浆液材料中的内摩擦力及剪切力等力学指标作为控制同步注浆材料性能的主要指标，同时在施工中突出以注浆量和注浆压力“双控”的注浆模式，管理盾构掘进过程中的同步注浆施工。

根据盾构法隧道同步注浆的施工特点，结合新型抗剪型同步注浆施工理论，浆液材料必须具有以下性能：

（1）充填性。浆液在管片壁后的流动距离较长，因此浆液必须具有良好的流动性和填充性能，以使浆液经过管道泵送出盾尾进入管片与地层之间的空隙后，能够较好地填充空隙，使浆液完整地包裹住管片，形成一层致密的保护。

（2）内部摩擦特性。浆液应该有良好的颗粒级配，以提供有效的内部机械咬合力，这样可以形成良好的内部摩擦力，通过其抗剪屈服强度阻止隧道的上浮与周围土体的变形。

（3）后期稳定性。浆液材料需具备一定的后期可硬性特征，提供强度的增长，使得注浆层在短时间内达到或超过周围原状土强度，且浆液固结体要求具备较小的收缩率，具备长期良好的稳定性，控制成环隧道结构的稳定性及地表工后沉降。

（4）和易性。浆液必须具备一定的塑性稠度，包括较低的泌水率以及防离析性能，以满足运输过程中浆液的泵送与储存。

（5）抗渗性。作为隧道的第一道防水墙，同步注浆浆液固结后应具备较低的渗透系数。

3.新型抗剪型砂浆的研制

1）材料配合比的研究

浆液材料配合比的研究主要包括拌制原材料的选择和配合比调整两方面试验内容。

（1）拌制原材料试验。

砂对于提高浆液密度、增加浆液屈服强度及后期结实体强度、降低泌水与分层沉淀均起到十分重要的作用，应尽量选择颗粒级配良好的中砂（河砂）作为拌浆材料，以满足浆液使用的性能指标要求，发挥浆液在施工中的使用效果。

采用高钙灰拌制成的浆液表面粗糙，泌水量大，坍落度损失快，较大的泌水率和坍落度损失容易引起管路堵塞，不利于浆液的泵送。而采用低钙灰拌制的浆液表面润滑并且具有一定的光泽，泌水小，坍落度损失慢，保水能力强，在浆液的静置和运输过程中泌水小，能有效地保持其坍落度，有利于浆液的输送。低钙粉煤灰具有降低泌水和减少坍落度损失的功能，因此，采用低钙粉煤灰拌制浆液。

石灰的主要作用为利用Ca（OH）2激发粉煤灰的活性，促使其发生火山灰反应，起到提高浆液后期固结强度的作用，生石灰在使用过程中需要进行水化反应才能生成Ca（OH）2，因此，利用生石灰拌制的浆液需水量较大，且强度增长较慢，而作为Ca（OH）2含量大于95%的消石灰在使用过程中效果较好，此外，消石灰还具有一定的保水性，能明显增加浆液黏度，起到提高浆液和易性的作用。因此，在施工使用过程中应尽可能使用消石灰来作为拌浆原材料。

使用钙基膨润土拌制的浆液质量较差，容易沉淀离析，保水性差，若直接加水拌制，膨胀效果不佳，而钠基膨润土浆液质量较好；研制的专用外掺剂具有减水、保水的作用，该外掺剂能够明显改善浆液材料减水、缓凝以及保水性能。

（2）配合比试验。

①胶砂比确立。

随着胶砂比的上升，浆液需水量增加，水灰比增大；密度减小；流动性变差；屈服值随胶砂比的增大而减小；浆液的泌水性则随着胶砂比的增大而有所改善。这说明粉煤灰能明显改善浆液和易性。但当胶凝材料的掺入量达到一定量时，再通过增加胶砂比对和易性改善不大：随着胶砂比的增大，浆液早期强度增长较快，但后期强度明显不足；胶砂比的增大同时给浆液带来了一定的固结收缩。胶砂比在0.6～1的浆液具备在施工中使用的最佳性能。

②石灰掺量。

石灰对浆液的固结效应较为明显，随着石灰掺入量的增大，浆液的后期固结体抗压强度明显提高，但并不是石灰的掺量越高越好，适当的石灰掺入量对浆液强度的增长起到重要的作用，而不掺入石灰的浆液后期没有强度；石灰的掺入量对浆液剪切强度影响作用相同。石灰的掺入对保证浆液具有较高的后期强度具有重要的作用，但是考虑经济性因素，掺入量应控制在一定范围值内。

③膨润土掺量。

随着膨润土掺量的提高，浆液保水效果明显提高，膨润土的掺入既增加了砂浆的滑动效应，又增大了砂浆的稳定性。在一定程度上，它可以增大同步注浆的可泵性，防止堵泵、堵管现象。但由于浆液本身的稠度较低，膨润土掺入量加大也使得浆液的流动度明显降低，浆液变黏稠，这是因为膨润土自身是吸水溶胀性材料，使浆液自由水减少，导致流动性下降，黏性增大。因此，在使用过程中应控制其用量。

④外掺剂掺量。

外掺剂采用减水剂和保水剂复配的方式进行生产，复配掺量的选择，从浆液材料的使用效果中得出。

2）配合比的完善及性能指标的确立

通过大量试验，确定新型抗剪砂浆性能控制指标如表3-4所示。

表3-4　新型单液浆性能指标

4.施工工艺及配套系统设备优化

根据同步注浆的施工工艺及流程，盾构同步注浆系统的施工设备是由材料拌制设备、浆液运送设备以及注浆设备组成，配套设备与浆液材料的适应性关系到盾构同步注浆的施工质量与效果。

1）拌浆系统改造

由于新型抗剪型砂浆具有稠度值低、含砂率高、密度大的特点，因此，对于浆液的拌制设备提出了更高的要求。拌浆设备是整个盾构同步注浆系统中的一个关键组成部分，它对于同步注浆浆液的拌制质量与拌制效率影响重大。

新型单液浆搅拌设备摒弃以往地面简易拌浆设备，首次采用自动搅拌站形式，由砂料筛分系统、砂料上料系统、粉料独立仓储计量系统、液体外加剂储料计量系统、搅拌机和控制室等组成。搅拌系统均采用连续式计量装置，可以实现连续生产；控制系统采用可靠性较高的PLC控制系统，以实现自动、手动两种功能，并具有自动采集、存储数据的功能；单套系统生产浆液能力为24～30 m3/h。拌浆系统示意如图3-23所示。

图3-23　拌浆系统示意图

2）输浆系统优化

以地铁盾构施工为主的隧道，受施工场地条件限制，为保证浆液拌制质量及施工效率，首次提出采用浆液外送的方式进行生产与输送，其工艺流程如下：

（1）同步注浆浆液材料在拌站进行集中生产。

（2）通过运输车自拌站送至施工现场。

（3）施工场地设置浆液临时接收装置，并配备振动筛对进场浆液进行筛分。

（4）现场工作井内搭建临时储浆槽，浆液存放于临时储浆槽内。

（5）将浆液输送至井下运浆车内。

（6）通过井下运浆车进行隧道内水平运输，至盾构车架位置再将浆液泵送至盾构储浆槽内。

工艺流程示意如图3-24所示。

5.新型抗剪型砂浆同步注浆施工控制方法研究

1）“多点注浆”施工方式

在进行同步注浆时重点对注浆压力和注浆量进行控制，使之既能达到有效地填充建筑空隙，又不会对管片的成环质量产生影响。盾构本体同步注浆系统通过多个注浆点（4点）对盾尾管片外部建筑空隙同步实施注浆（图3-25）。

2）“注浆压力、注浆量双控”施工方法

盾构法施工不可避免地会对周边地层产生扰动，从而造成地面沉降，并会对周边建构筑物的稳定性产生影响。隧道管片脱出盾尾后，由于盾尾间隙的存在，周围土体产生应力释放，并产生指向管片的位移。因此，控制盾尾后方地层的平衡主要包含体积平衡和应力平衡两个方面。

由于新型抗剪型砂浆具有良好的流动性和压力触变性，并采用多点注浆方式，盾位间隙能够得到及时有效的填充。

图3-24　中等直径盾构同步注浆输送工艺流程图

在应力平衡控制方面，由于新型浆液以砂为骨料，在注浆压力的作用下，能够依靠砂颗粒之间的咬合力和摩擦力较好自动调节至密实状态，并能将注浆压力传递到周围地层中，有效地减小地层应力释放的程度。因此可将注浆压力控制在周边地层初始地应力水平左右，减小对地层的应力扰动。对于上海地区含水量极高的软土地层，控制注浆压力，对于降低孔隙水压力变化，控制地层施工期的扰动以及长期的固结沉降具有显著的效果；同时也能避免由于局部注浆压力过大导致隧道管片的碎裂与损坏。

新型抗剪型砂浆的应用革新了以注浆量为控制标准的施工控制方法，使得以“注浆压力控制为主，注浆量控制为辅”的更为科学的施工控制方法得以实现。

（1）注浆压力控制标准。

根据注浆的目的和要求，即充分充填盾构施工产生的地层空隙，避免由此引起的地表沉陷影响地表建筑物与地下管线的安全；避免过大的注浆压力引起地表隆起或破坏管片衬砌，防止注浆损坏盾尾密封，注浆压力计算示意如图3-26所示，其最佳值计算公式为

图3-25　多点注浆方式示意图

式中P注浆孔——注浆孔注浆压力（MPa） ；

h——盾构机顶部至地面覆土的厚度（m）；

h′——由相邻两组注浆孔之间的水平高度组成（m）；

γ——单位体积高度的重度（kN/m3）；

K0——水平压力系数或侧向压力系数；

P管阻——注浆孔管阻（MPa）

当注浆压力过小时，土体将向管片方向快速变形，盾构施工产生的地层空隙将变小，注浆量减小，引起地表的严重沉降，影响地表建筑物与地下管线的安全。当注浆压力过大时，对控制隧道外土体的竖向位移的作用十分有限，这对企图通过提高注浆压力来控制地表沉降是不利的。当覆土过浅时，注浆压力不宜过高，以防顶穿覆土。注浆速度要与盾构推机速度相配合，做到均匀压浆，及时填补盾尾间隙。在软弱地层，由于掘进后土体易坍塌，无形中减小了盾尾空隙，造成砂浆流动不畅，要获得有效充填，则所需注浆压力较大；反之，在条件较好的地层，土体自稳能力较强，砂浆在空隙中流动顺畅，则所需注浆压力较小。根据隧道的埋深情况及外界周围水土压力情况，同步注浆的注浆压力需进行适当的调整变化，以满足浆液的均匀填充及施工安全要求。

（2）注浆量控制。

理论上讲，浆液只须100%充填建筑空隙即可。但尚需考虑下述因素：

①浆体的失水收缩固结，有效注入量小于实际注入量；

②部分浆液会劈裂到周围地层中；

③曲线推进、纠偏或盾构抬（磕）头，实际开挖断面成椭圆；

④操作不当，盾构走蛇形路线；

⑤盾构推进时，壳体外周带土面大于盾构外径。

因此，合适的注浆量应比理论注浆量要大，采用抗剪型砂浆不会产生周围地层的劈裂，因此实际的注浆量控制在理论建筑空隙的150%左右即能满足填补建筑空隙的要求。注浆量和注浆压力视压浆时的压力值和地层变形监测数据而定。由于曲线段推进增加了纠偏次数，也加大了对土体的扰动，所以在曲线段推进时更要严格控制注浆量，每环推进时根据监测所得沉降值随时调整注浆量和注浆压力。

6.应用效果分析

经多项工程实践表明，采用新型抗剪型砂浆材料进行盾构隧道的施工，取得的应用效果如下：

（1）不同工况条件下，通过有效合理的施工参数控制，施工期周围地表沉降可控制在±2 cm以内，工后累计沉降可控制在±3 cm以内（图3-27） 。

（2）盾构施工叠交穿越运营中轨道交通的控制效果明显提升，穿越期间不影响已建成轨道交通的正常运营，隧道稳定性可控制在毫米级别（图3-28）。

（3）隧道管片结构的稳定控制效果良好，通过对施工阶段管片高程和后期管片高程的测量对比，成环隧道基本处于稳定状态，高程变化一般可控制在±2 cm以内（图3-29）。

图3-26　注浆压力计算示意图

图3-27　某地铁区间隧道地表沉降控制线效果示意图

图3-28　某地铁盾构施工穿越运营中地铁1号线隧道沉降情况

图3-29　某地铁盾构施工穿越后地铁1号线隧道后期沉降曲线图

（4）隧道管片质量得到显著提升，管片渗漏、碎裂等现象大幅降低，整条区间隧道渗漏及碎裂的管片可控制在2%以下。

（5）注浆层均匀性与密实度明显提高。

7.小结

本技术针对盾构隧道施工现状，对盾构同步注浆工艺中的新型浆液材料及综合技术进行了研究，形成了一套完整的抗剪型同步注浆工艺新技术，主要创新如下：

（1）突破以往传统可硬性单液浆材料和双液浆材料理念，创新提出了利用抗剪型缓凝砂浆进行盾构同步注浆施工，建立了以早期抗剪切屈服强度和坍落度为主要控制指标的抗剪型同步注浆新理念。

（2）发明了具备高抗剪、大密度、低稠度特性的新型抗剪型缓凝砂浆材料，该材料强调以浆液早期抗剪屈服强度及内摩擦性能在隧道外围形成“环箍”效应，有效控制周围土体的变形及隧道结构的稳定，且浆液材料具备良好的长期稳定性、抗振动液化性，工后沉降控制效果更加显著。

（3）针对盾构法隧道施工工艺特点，对配合比进行了适应性优化设计，显著提高了浆液材料的和易性指标，解决了以往技术中普遍存在的堵管问题，取消了二次壁后注浆，极大地提高了隧道的整体施工效率，降低了施工风险。

（4）针对新型浆液的特点，对施工工艺及配套系统设备进行了创新优化，实现了抗剪型同步注浆材料在各直径盾构法隧道工程中的大规模应用。

（5）针对新型浆液的特点，首次提出更为科学合理的“注浆量、注浆压力双控”的方法管理盾构同步注浆施工，更加有效地填补盾尾间隙，减少浆液材料向土体中的劈裂。地表总体沉降量减少50%以上，大直径隧道上浮量减少70%以上，浆液材料注入率较以往同类施工技术降低50%以上，施工整体经济效益显著。

研究成果已全面应用于上海轨道交通12号线盾构区间隧道工程，显著提高了盾构法隧道在城市核心区域穿越与周边环境的保护能力，社会效益和经济效益显著。