摘要：盾构隧道壁后注浆是盾构施工中的关键技术，在保证围岩稳定、控制地层变形、有效抑制管片上浮等方面有着良好的效果，注浆浆液与地层相适配是影响其效果的核心因素。通过对全国144个地铁隧道项目壁后注浆材料进行调研，并引入博弈论权重的TOPSIS评价方法和研发一维注入装置进行室内注入试验，得到了实际工程中圆砾地层的适配浆液配合比具体值。研究表明：目前盾构隧道壁后注浆仍以单液浆为主，含水地层中选用的多为双液浆或改性单液浆；经注入试验验证，采用TOPSIS评价方法提出与目标地层相适配的浆液配合比范围值是可靠的；通过自主研发的装置进行实际注入，得到了与目标地层相适配的浆液配合比具体值，演算例中圆砾地层浆液配合比具体值建议为：水胶比=0.9，胶砂比=0.7，膨水比=0.2、0.3，灰粉比=0.4；基于提出的优选方法，可以为不同地层浆液配合比具体值的选取提供参考。
0.引言
盾构法因其自动程度高、地层扰动小以及优越的经济指标等特点在地下基础设施建设中得到了广泛运用。截至2022年1月，我国（不含港澳台）共有51个城市开通运营轨道交通，总线路270条，总里程8759公里。
盾构隧道施工过程中，为保证围岩稳定、控制地层变形、增强地层抗渗能力、有效抑制管片上浮，采用壁后注浆对盾尾间隙进行填充是现阶段工程中常用手段。
现阶段盾构隧道壁后注浆的研究主要从三个方面开展，一是研究浆液自身性质，包括已有浆液材料配合比优化、新型材料开发等；二是研究浆液注入地层状态，包括浆液扩散机理、注浆效果评估等；三是研究浆液、管片以及地层之间的相互作用，包括注浆参数控制对管片结构及地表沉降的影响等。
现阶段关于盾构隧道壁后注浆的研究主要存在两方面的局限性，一是研究的浆液与地层适配性及工程指导性仍需加强；二是在研究中较少考虑到因盾尾脱空过程导致周边土体的结构改变。
本研究通过对实际工程中的壁后注浆材料开展调研，根据地层渗透系数进行分类得出常见地层下浆液配合比范围；同时进行浆液基本性能测试，根据回归分析得出浆液性能指标与配合比之间的回归关系；基于调研数据及回归关系，采用TOPSIS评价方法提出优化算法并计算得出与目标地层相适配的浆液配合比范围值；最后，通过自主研制的盾构隧道一维注浆模型试验系统开展注入试验，分析各组浆液在目标地层下的扩散规律及注浆效果，对优化算法进行了验证并得出了与目标地层相适配的浆液配合比具体值，以期为不同工程上浆液选取适宜的配合比提供方法参考。
1.盾构隧道壁后注浆材料调研
1.1 注浆材料及配合比调研
现有国家规范及行业标准提出的盾构隧道注浆材料配合比多为范围参数，但根据工程实际地质条件和施工环境，壁后注浆材料的技术指标应有所区分，合理选择注浆材料、明确其配合比，并指向性地注入是施工时应着重考量的关键因素。
针对全国（不含港澳台）144个地铁隧道项目壁后注浆材料展开调研，调研涵盖全国24个省份及直辖市，其中地层信息和注浆参数匹配完整的数目共114项，部分调研结果见表1。
1.2 常见地层分类及浆液选用情况
在盾构施工中，地层渗透系数作为盾构选型、施工参数、浆液扩散效果的影响指标，依据渗透系数对调研地层进行分类，主要分为四类：渗透系数
调研显示，目前盾构隧道施工采用的浆液主要为单液浆和双液浆，相比于双液浆，单液浆的适用范围受地层条件影响较小，且二者主要区别在于凝结时间长短。因单液浆成本相比双液浆较低，且施工简便，堵塞注浆管的风险小，在同一地层类型下单液浆和双液浆使用比例约为3：1。从含水地层浆液使用情况来看，地层中水量较大则对浆液抗水分散性、凝结时间提出更高要求，选用双液浆或改性单液浆更为适宜（图1）。
1.3 单液浆配合比选用分析
调研发现，在考虑与地层相适配时，对浆液性能的要求有所不同。浆液性能差异是由浆液材料及其配合比所决定，因此依照地层分类，对调研结果中的硬性单液浆进行配合比分析，具体结果见表3。
整体而言，目前常见地层普遍采用的浆液水胶比（水/（水泥+粉煤灰））范围为0.31~1.51，胶砂比（（水泥+粉煤灰）/砂骨料）范围为0.22~1.30，膨水比（膨润土/水）范围为0.07~0.70，灰粉比（水泥/粉煤灰）范围为0.11~0.83。在含水地层中选用的单液浆多为改性浆液，其掺有改善浆液部分性能的外加剂。
因地下工程的复杂多样性，上述各类地层采用的浆液配合比范围值存在一定误差，但均经过工程应用并证明了各配比下浆液的可靠性，上述浆液配比范围值可作为经验供行业人员参考。
2.浆液配合比范围值优化算法
2.1 浆液性能测试及回归
壁后注浆浆液需要满足充填性、流动性、早期强度、抗分散性、固结体体积收缩率等性能要求，同时配合比方案应便于调整，浆液选用无公害材料、成本经济等。为确定浆液基本性能与浆液配合比之间的关系，进行浆液性能基本测试。
本试验涉及水胶比、胶砂比、膨水比及灰粉比多种因素，通过正交试验得出各配合比下浆液性能，从调查中得到的浆液配合比经摘除部分单一样本所反映的极端配合比值后，其上限和下限分别被视为最高和最低的因子水平，并采用均分法确定中间因子水平。试验各因子及水平情况见表4。
本试验选用普通硅酸盐P.O 42.5级水泥、钠基膨润土，振筛机选取粒径小于0.5 mm的砂粒及常规粉煤灰，实验室温度控制在20±2℃，湿度大于50%。根据《建筑砂浆基本性能测试方法标准》JGJ/T 70-2009、《盾构法隧道同步注浆材料》DB42/T 1218-2016中的规定对浆液密度、泌水率、结石率、稠度、凝结时间及抗压强度进行测定，测试过程见图2。
根据浆液性能测试结果，进一步研究各配合比与浆液基本性能指标之间的关系，利用回归分析法建立数学关系，以直观反映浆液性能结果与配合比之间的关系。使用Data Processing System（DPS）数据处理系统，采用二阶多项式模型进行回归分析，二阶多项式为：
式中
根据试验结果得回归关系见表5，各性能指标的相关系数表明该回归模型的拟合优度较好。将基本测试组配合比代入回归模型中，并引入GHE方法对回归方程的拟合优劣进行判断。
其中
2.2 浆液性能优劣解距离分析
通过前期调研得出了常见地层下浆液配合比的推荐选用范围，为盾构隧道壁后注浆浆液选择提供参考，但浆液的选择对于实际地层有一定各异性，且浆液配合比推荐值具有较大范围，对于实际工程的指导并未具化。
另一方面，壁后注浆由于施工特殊性，浆液性能需根据地层条件具体调整，如凝结时间主要取决于水文地质条件、施工工序；早期强度主要取决于地层自稳性等。相反，施工地层勘测确定后，对壁后注浆浆液性能的要求也随之确定，往往从泌水率、抗压强度、凝结时间、稠度等方面进行约束试配，但在试配过程中往往会出现性能之间的冲突，例如随着水胶比的提高，浆液稠度对应增加，但往往伴之泌水率增加、凝结时间延长、抗压强度减小。
对于此类问题，需要合理把控得出较优的配合比范围，通过不同地层对浆液性能的需求进行框定配合比是较好适配地层的方法。采用TOPSIS法(优劣解距离法)对调研配合比进行优化，可以较好地小范围。
因各类地层适配浆液优劣解距离分析的计算方法一致，以实际工程中的圆砾地层为例进行优化运算。在施工的实际情况中，同步注浆浆液基本性能应与其地层具体情况适配，根据已有研究，给出了工程实际中圆砾地层浆液的性能指标，主要包括：泌水率＜5%，稠度为100mm~140mm，凝结时间为6h~12h，同时根据《盾构法隧道同步注浆材料》DB42/T 1218-2016[27]中对于浆液性能基本要求，得出的浆液密度宜为1.7~2.0g/cm2，28d抗压强度＞2.5MPa，根据《盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程》T/CECS 563-2018中对于浆液基本性能要求，对浆液稠度进行了修正，具体为稠度需要控制在100mm~130mm。综上，圆砾地层下同步注浆浆液基本性能应满足如表7所示物理指标。
以圆砾地层为例进行TOPSIS优劣解距离法运算，根据显著性分析，胶砂比和灰粉比对浆液性能的影响较小，故选取的浆液配合比为：水胶比0.5~1.5；胶砂比0.7；膨水比0.1~0.3；灰粉比0.4，共计33组配合比，并通过回归方程得出各组浆液基本性能。
在优劣解距离法决策中，指标权重的确定有着重要的地位。现阶段权重的确定一般有主观赋权法、客观赋权法以及综合赋权法。因由单一的主观或客观赋权易导致决策的不准确，影响后期方案选择。为提高权重的准确性采用博弈论组合权重，以圆砾地层浆液性能要求作为期望指标，计算得出的层次分析法权重、熵权法权重以及博弈法综合权重如表8所示。其中经济指标按浆液成分单位质量市场价计算。
在层次分析法中，应根据实际地层对浆液性能的要求进行合理赋权，如自稳性较差地层对浆液凝结时间和早期强度提出了更高的要求，应合理增加相应评价指标的权重。
通过构造归一化矩阵，得出最优及最劣方案，计算各评价对象与最优方案、最劣方案的接近程度，得出各评价对象与最优方案的贴近程度。通过分析及计算得出了在圆砾地层条件下浆液不同配合比的综合性能评价，表9为综合性能分值Ci大于0.9的浆液配合比。
3.浆液与地层适配性注入试验
通过自主研发的室内模型试验观察盾构隧道壁后注浆浆液在模拟地层中注入情况，并重点考虑盾尾脱空工序。通过实际注入试验验证优化算法得出的浆液配合比范围的可靠性并提出适配浆液配合比的具体建议值，同时考虑模型尺寸与地层粒径级配之间的比例，以圆砾地层为例，分析浆液与地层之间的适配性问题。
3.1 一维可视化注浆扩散模拟试验系统
浆液的地层注入试验以一维长柱圆砾地层作为注浆对象，并增设模拟盾尾装置，用于模拟施工阶段盾尾脱空过程，试验系统由渗透注浆装置、恒压注浆系统以及数据采集系统等三大部分组成，如图3所示。
（1）渗透注浆装置
渗透注浆装置由高强度圆管、紧固装置、模拟盾尾装置组成。受注体为长柱体，直径110mm，长度1000mm，试验注浆管采用透明亚克力材质，为方便取样和清洗，将有机玻璃管体沿纵向一分为二。在切口位置做必要的密封防水处理，密封条尺寸10mm×5mm，为自粘防水性胶条，在圆管周身采用管箍每隔15cm设置一道加固圈。该装置通过四根1.2m螺纹丝杆和上下两块封顶钢板进行受力加固；同时在下钢板中心处设置密封隔层，由直径为10cm的圆钢板以及10mm×15mm遇水膨胀止水条组成。装置顶部还设有压紧螺杆，通过压紧螺杆和滤板对注浆体进行压密，保证受注体介质在盾尾脱空前处于稳定的密实状态。
模拟盾尾装置主要模拟盾构隧道施工过程中盾尾脱空的过程，以达到较好模拟实际工程行为的效果。一方面可以通过调节模拟盾尾装置与注浆端的距离确定初始盾尾间隙的尺寸，当所有装置安装完成后，借助与盾尾装置相连的拉杆移动，实现盾尾与土体的脱空；另一方面注浆管与长圆柱之间存在较大尺寸偏差，利用盾尾装置内部空腔使浆液在注入前达到稳流状态，以达到浆液全截面均匀进入地层，渗透注浆装置见图4。
（2）恒压注浆系统
注浆系统为试验装置提供注入动力，由注浆泵、缓冲器、储浆桶和压力调节管等组成。按照各方案配合比在配料桶内将浆液提前搅拌均匀，当渗透注浆装置搭建完成后将其倒入储浆桶内，再由灰浆泵压入模型试验体内。
（3）数据采集系统
数据采集系统为注浆管路上设置的流量传感器及压力传感器，动态监测注浆过程中的注浆速率和注浆压力。流量传感器为智能直显型电磁流量计，测量量程为0~20L/min；压力传感器量程为0~1MPa，测量精度为1kPa。
3.2 试验方案及流程
本试验地层参数选取参考昆明市地铁4号线沿线所处圆砾地层，该地层渗透系数为6.02×10-4m/s，其中圆砾含砾石（2mm
基于TOPSIS优劣解距离法分析出的浆液综合评价排序，浆液配合比选取评价时综合评价分值Ci>0.9的方案作为评价组，除此之外，选择了两组评分Ci＜0.9的浆液配合比作为验证组，具体配合比及评价分值见表10。
具体试验流程如下：
（1）管件组装完毕后，按照指定的模拟地层级配填充，根据试验中盾尾间隙的模拟量，调节土体填充高度，本次盾尾间隙模拟量为10cm。将模拟盾尾装置放入注浆管体内，利用紧固装置加固渗透注浆装置，同时在出浆端处安装压紧螺杆以压密填充土体，保证在试验前地层的稳定。
（2）按照方案中的配合比拌制浆液，同时为更清楚观察浆液的扩散情况，在拌制浆液过程中，添加混合惰性化学固体以改变浆液的颜色，本试验混合1%-3%的氧化铁惰性固体，该显色剂不溶于水，为粉末状，细度，其添加量代替对应砂的部分，在浆液中显红色。
（3）对注浆管道密封性及阀门的开关状况进行仔细检查，为使在注浆开始时浆液就能尽快注入管内，在正式注浆前预先启动注浆泵，利用压力调节通道实现浆液管外自循环，待浆液稳定循环后关闭泵。
（4）试验人员将模拟盾尾装置向下拉至最底部，并将注浆管接头与下方接头扣上，当连接工作完成，启动泵开关。实际盾构隧道同步注浆中注浆压力一般在0.2~0.4MPa之间，考虑模型试验尺寸，此处采用0.2MPa的注浆压力。
结合试验模型装置尺寸，试验采用恒压注浆的压力控制方式，即稳定模拟盾尾装置内缓冲区的压力，若观察到浆液扩散范围不再变化，保持注浆3min后，注浆结束。
为验证管道中压力传感器显示的注浆压力值的精确程度，于模拟盾尾装置内（浆液缓冲区）增设微型应变式压力传感器，进一步监测管道内外压力的一致性。根据图6可以看到压力传感器上的压力与盾尾内浆液压力一致，注入瞬间，管内压力突增，在10s内填充盾尾间隙，之后注浆端处压力稳定在0.2MPa附近，表明管道中压力传感器可反映注浆端处压力。
3.3 试验结果及分析
（1）浆液扩散范围
注浆结束24h后，将渗透注浆装置拆分，并测量每组浆液的扩散范围，测量示意如图7，各组注浆具体结果见表11。
结合图表可知，每组注浆扩散距离差异较大，且注浆效果沿轴线分布不均匀。直观来看，注浆端附近，浆液注入效果好，见少量空洞；随着与注浆端距离增加，地层注浆效果变差，部分甚至存在明显的裂隙和空洞，产生该现象的原因与浆液性质相关。
在验证组中，第8组（水胶比=0.6；胶砂比=0.7；膨水比=0.3；灰粉比=0.4）的浆液扩散范围均小于评价组各配合比，第9组（水胶比=1.0；胶砂比=0.7；膨水比=0.1；灰粉比=0.4）在浆液扩散范围有较好表现。
在评价组中，从注浆范围来考量，第4组（水胶比=0.7；胶砂比=0.7；膨水比=0.3；灰粉比=0.4）的扩散范围最小，第7组（水胶比=0.9；胶砂比=0.7；膨水比=0.2；灰粉比=0.4）的扩散范围最大。同时不难发现，水胶比一定时注浆范围随膨水比的增大而减小膨水比一定时注浆范围随水胶比增大而增大。但在不同水胶比情况下，随着膨水比呈梯度减小浆液扩散范围的增长范围不一致，这说明：实际浆液扩散效果的提升与下降与浆液调整前后的具体配合比参数相关。
（2）注浆体断面扩散效果
盾构隧道壁后注浆浆液的注入效果由浆液与地层之间的交互影响决定，因此浆液的最终选取需基于浆液基本性能指标，结合注入体的效果，进行综合评判。其中浆液扩散范围是最直观的观察对比的数据，但浆液扩散范围的远近不能直接表明浆液的注入效果，根据上文分析得到，若浆液颗粒含量低，其流动性增加，在地层中的渗流扩散较远，但对于地层加固效果而言甚微，因此对注浆体做进一步扩散效果对比分析，在一定程度上混凝土宏观孔隙率对其抗压强度影响较大。换言之，宏观孔隙率在一定程度上可以反映加固体强度。基于此，对注浆体剖面浆液填充效果及断面孔隙率展开分析。具体分析步骤如下：
1）利用高清数码相机对注浆体截面拍照取样；2）将拍照取样的注浆体图像导入Photoshop软件内进行灰度处理，凸显孔隙部分；3）处理后图片导入Image-Por Plus软件内，进行图像二值化处理，随后进行孔隙识别分析计算，计算宏观孔隙率。处理过程参见图8。
结合各组试验中的浆液扩散范围，选取11cm位置处宏观孔隙率见表12。
不同浆液在相同注浆体位置处其宏观孔隙率差异显著。在验证组中，由于第8组浆液扩散范围较小，并未注入至11cm处，故此组在11cm处无宏观孔隙率。第9组虽在扩散范围方面表现较好，但其11cm处宏观孔隙率显著大于评价组，意味着其并未对土体进行良好加固。在综合考量扩散范围及宏观孔隙率的情况下，相较评价组，验证组浆液表现不佳，在一定程度上对优化算法的可靠性进行了验证。
在评价组中，第4组浆液扩散范围为11.1cm，而从11cm处可以看出其地层孔隙填充效果不佳，土颗粒松散，据此可认为浆液有效加固范围与浆液扩散范围不一致，浆液有效加固范围小于浆液扩散范围。第5组浆液扩散范围为13.0cm，其11cm处宏观孔隙率为0.64%，浆液填充效果良好，宏观孔隙数量少、尺寸小。
从宏观孔隙率方面考量，第2、3、6、7组在11cm处的加固效果较优；从注浆扩散范围方面考量，第1、5、6、7组的注浆扩散范围较优。综合考量下，第6、7组浆液与试验地层有较好的适应能力，浆液性能满足地层所需的相关要求，即与对应实际工程的圆砾地层最为适配的浆液配合比为：水胶比=0.9、胶砂比=0.7、膨水比=0.2、0.3、灰粉比=0.4。
4.结论
本文基于数据调研及优化算法，通过浆液注入试验提供了盾构隧道壁后注浆浆液与地层适配性优选方法。以实际工程中的圆砾地层为演算例，展示了优选方法的具体步骤，得到了圆砾地层下浆液配合比具体推荐值，为实际工程选用适配的浆液配合比具体值提供了方法参考，主要得出以下结论：
（1）目前盾构隧道同步注浆以单液浆为主，在同一地层类型下单液浆和双液浆使用比例约为3：1，含水地层中选用的多为双液浆或改性单液浆；
（2）不同的地层和施工条件对适配注浆浆液的要求有所不同，根据常见地层的渗透系数差异，提出了常见地层壁后注浆浆液配合比的参考范围；
（3）基于浆液基本性能测试及回归计算，采用TOPSIS法提出了浆液配合比范围值优选算法，经注入试验验证，该算法有较好的可靠性；
（4）研制了盾构隧道壁后注浆一维注浆模型试验系统，得出了实际工程中圆砾地层浆液配合比推荐值为：水胶比=0.9，胶砂比=0.7，膨水比=0.2、0.3，灰粉比=0.4；
（5）本文提出的优选方法可为不同目标地层壁后注浆浆液配合比具体值的选取提供参考；
在注入试验阶段，发现浆液中存在可注性控制点，但针对不同类型的浆液在不同地层下的有效加固范围仍需进一步研究。同时，将进一步通过工程应用、学术研究完善各类地层下浆液配比的经验范围，以更好地服务于工程建设。
转载文献来源：中国知网–岩土工程学报
本文来自公众号「建筑集群号」，不代表本站立场。
文章版权归作者建筑集群号所有，如需转载请先经得作者确认授权（可通过本站私信文章作者）。文中图片出处为水印文字，由文章作者整理上传，若有侵权请告知翻身猫处理。
