廣州地鐵3號線盾構區間同步注漿施工技術

孫立功,金 花,龐旭卿,郭亞宇

(陜西鐵路工程職業技術學院,陜西渭南 714000)

1 工程概況

廣州地鐵3號線客—大區間采用兩條分離式的單線盾構隧道,單線長度1 484 m,兩線間距15.2～11.2 m,隧道縱斷面埋深9～37 m。混凝土管片襯砌,管片外徑6 000 mm,內徑5 400 mm,厚度300 mm,寬度1 500 mm,環間采用錯縫拼裝。1臺盾構機施工,盾構機長8 325 mm,刀盤直徑6 280 mm,盾尾直徑6 230 mm。

該隧道主要穿越〈7〉巖石強風化帶、〈8〉巖石中風化帶、〈9〉巖石微風化帶,巖性為泥質粉砂巖、〈6〉巖石全風化帶；局部穿越〈5-1〉可塑或稍密狀殘積土、〈5-2〉硬塑或中密狀殘積土。隧道上方主要為中風化、強風化、殘積層。通過地層屬較軟地層,巖質較均一,有一定自穩能力,但節理裂隙較發育,局部易碎裂坍塌。

本區間下穿建筑物共150棟,房屋層數多為2～9層,以天然基礎為主；有少量的高層,樁較長。

2 盾構施工同步注漿技術

本標段采用1臺海瑞克土壓平衡盾構機進行施工。根據區間地質情況、地面建筑、掘進模式,采用以同步注漿為主,二次補漿和地面跟蹤注漿為輔的3種注漿形式。

2.1 同步注漿加固的機理2.1.1 注漿填充加固關鍵因素

充填性,限域性(防止流失),固結強度(早期強度)。對漿液的特性要求如下。

(1)充填性好,并不流竄到應填充空隙以外的其他地域(不流失到開挖面及圍巖土體中去)。

(2)漿液流動性好,離析少,以便能長距離壓送。

(3)漿液注入時應具備不易受地下水稀釋的特性。

(4)背后注漿填充后,希望早期強度能均勻,其數值與原狀土的強度相當。

(5)漿液硬化后的體積收縮率和滲透系數要小。

(6)無公害、價格便宜。

上述部分條件是相互矛盾的,所以實現上述目標并不是一件容易的事。客—大區間同步注漿選用水泥砂漿,是單液漿,此漿液的優點是流動性好,凝固后強度大；缺點是初期強度小,易流失,常會從受損或脫落的止漿板流入盾構機的土倉,造成漿液浪費,也易使隧道管片背后最重要的頂端部位出現無漿液充填的現象。

2.1.2 單液漿液硬化特性及注漿機理

單液漿液在攪拌機等攪拌器中一次拌和成為流運的液體,再經過液體——固體的中間狀態(流動態、凝結及可塑狀凝結)后,固結(硬化)。但是,由于水泥的水化反應非常緩慢,所以達到固結需要幾個小時。因此注入時要求漿液是流動性好的液態,以利于充填。

客—大盾構隧道主要穿過有一定自穩性的強風化帶和中風化帶,針對此地層,水泥砂漿的注漿機理可用4種模式來表示。海瑞克盾構機在盾尾設計有止漿板,為防止漿液和地下水倒流到盾體外部,或進入土倉,但往往在盾構機掘進一段后,止漿板就會墮掉(由于盾體與土體之間的摩擦)。

在盾構始發的100多m內,止漿板一般比較完整,同步注漿的漿液不會流竄到土倉,注漿壓力容易建立,管片頂部容易注飽滿。止漿板完整時的注漿模式如圖1所示。

注：①最先注入的漿液；②第二批注入的漿液；③第三批注入的漿液；④未充填到的部位。圖1 止漿板完整時的注漿模式

盾構機掘進一段后,部分止漿板脫落,同步注漿壓力在管片頂部無法建立,漿液順脫落的止漿板流入土倉,若不采取措施,管片頂部注不飽滿,形成空殼,易引起地面沉降。部分止漿板脫落后注漿的模式如圖2所示。

圖2 部分止漿板脫落后的注漿模式

盾構機從客—大盾構始發端大塘工地始發時,止漿板未受磨損,非常完整,所以大塘端洞門注漿很飽滿,洞門滲水小。盾構機中間風井二次始發時,有1/4止漿板脫落,而且沒能及時修復,所以風井始發洞門無法注飽滿,漏水嚴重。下面是兩種洞門注漿模式。

止漿板完整時的洞門注漿模式如圖3(盾構第一次始發)所示。

圖3 止漿板完整時的洞門注漿模式

無止漿板時的洞門注漿模式如圖4(盾構風井始發)所示。

圖4 無止漿板時的洞門注漿模式

由圖1～圖4可見，單液型漿液在注入時完全沒有自立性的流體,形成后注漿液順次推壓先注的漿液,使漿液逐漸充填到前方的形態。

2.2 同步注漿加固設備

海瑞克盾構機自帶自動注漿系統,使用的兩個注漿泵為全液壓雙缸雙出口活塞注漿泵。該泵由電動液壓泵站提供動力。

攪拌站采用四川核工業部出產的JDY500C型攪拌機,配有自動上料和電子計量系統。每鍋進料800 L,出料500 L,攪拌時間25～30 s,每小時拌漿量25 m3。運漿車是隧道局生產的8 m3運漿車,帶有自動攪拌系統。拌和站到運漿車的下漿管采用φ200 mm的鐵管,下漿管靠近儲漿罐一側安裝閥門。運漿車到盾構機砂漿存儲罐的上漿管采用φ100 mm的軟管。

2.3 同步注漿加固施工工藝

漿液在攪拌站配置好以后,則砂漿運輸車(即攪拌葉片)運至注漿站,通過軟管抽送至砂漿存儲罐內(即攪拌罐),連接好注漿管路,并設定壓力、流量進行注漿。在每個注漿孔出口設置分壓器,以便對各注漿壓力和注漿量進行檢測與控制,從而獲得對管片背后對稱均勻壓注。注漿流程見圖5。

2.4 同步注漿加固材料

同步注漿材料為水泥砂漿,由水泥、砂,粉煤灰,膨潤土,水和添加劑等組成。

2.5 同步注漿加固主要技術參數

客—大區間各里程地層變化明顯,漿液配比必須適應地層特性。每m3各種漿液配比見表1～表4。

表2 〈6〉全風化帶、〈5-1〉、〈5-2〉殘積土中漿液配比 kg/m3

表3 〈7〉強風化帶漿液配比 kg/m3

表4 〈8〉中風化帶、〈9〉微風化帶漿液配比 kg/m3

2.6 同步注漿量確定

注漿量的確定是以盾尾建筑空隙量為基礎并結合地層、線路及掘進方式等考慮。適當的飽滿系數,以保證達到充填實的目的,根據施工實際,飽滿系數包括由注漿壓力產生的壓密系數,取決于地質情況的土質系數,施工消耗系數,由掘進方式產生的超挖系數等。一般主要考慮壓密系數和超挖系數。以上飽滿系數在考慮時須累計。

同步注漿量經驗計算公式

Q=qλ

式中q——充填體積；

q=п(b2-d2)L/4

其中q——盾構施工引起管片背面的空隙，m3；

b——盾構切削外徑，m；

d——預制管片外徑，m；

L——回填注漿段長即預制管片每環長度。

λ——注漿率；

λ=a1+a2+a3+a4+1

其中a1——壓密系數，取0.3～0.5,

a2——土質系數，取0.05～0.15；

a3——施工損耗系數，取0.1～0.20；

a4——超挖系數，取0.1～0.2。

在〈6〉全風化帶、〈5-1〉、〈5-2〉殘積土中注漿率取120%～150%,在〈7〉強風化帶、〈8〉中風化帶、〈9〉微風化帶注漿率取180%～215%。從目前的施工實際來看λ均位于135%～215%,這與工法、土質、漿液及注入壓力等因素有關系。

2.7 同步注漿壓力確定及控制2.7.1 注漿壓力確定

注漿壓力主要取決于地層阻力,但與漿液特性、土倉壓力、設備性能、管片強度也有關系。注漿壓力通常為0.1～0.3 MPa,一般計算是不準確的,必須結合現場實際情況和地面沉降監測分析數據來確定。本工程注漿壓力統計結果是：〈6〉及以下的地層中,一般在0.15～0.3 MPa；〈7—9〉的巖層中,注漿壓力取決于圍巖條件和裂隙水壓力,一般在0.1～0.15 MPa。洞口注漿壓力0.06～0.15 MPa。

混凝土管片,當注入壓力為4 MPa左右時,K型管片的螺栓會被剪斷。

2.7.2 注漿壓力控制

注漿過程有注漿壓力、注漿量兩個控制標準,以注漿壓力控制注漿過程為主；如果地層自穩性好,地下水壓小時,以注漿量控制為主。

客—大盾構區間盾構始發的前200 m內是〈5〉、〈6〉號地層。理論注漿量為6.0 m3,海瑞克盾構機注漿泵為活塞式注漿泵,每沖程理論的注漿量為12 L,由于活塞泵前面的儲漿囊里經常有凝結的水泥塊,根據經驗,每沖程的注漿在10～11 L,施工時一般按10 L考慮,6 m3漿液沖程數就是600個。

海瑞克盾構機注漿管沿盾尾圓周方向均勻布置,相臨兩個注漿管的圓心角為90°。注漿管布置見圖6。

注：1.陰影部分為1、4號管注漿范圍；2.空白部分為2、3號管注漿范圍；3.1、4號注漿量：2、3號注漿量?3∶1圖6 注漿管布置

注漿過程控制要求如下：

(1)①、④號管注漿量應達到450沖程,注漿壓力控制在0.15～0.25 MPa；

(2)②、③號管注漿量應達到150沖程,注漿壓力控制在0.15～0.3 MPa；

(3)當4條注漿管的沖程與掘進長度不成比例,注漿量偏小時,調大①、②、③、④號管注漿壓力,加快注漿速度；

(4)②、③號管注漿沖程能超過100個,注漿壓力接近0.3 MPa時,一般不要調大；

(5)當4條注漿管的壓力都大于限值時,停止注漿,以防堵管。

2.8 同步注漿速度

注漿速度應與掘進速度相匹配,所以注漿泵的單環注漿量要滿足注漿速度的需求。

Qv=Q×V×t/L0

式中Qv——在長度V×t范圍內理論注漿量，1×10-3m3；

Q——理論注漿量，1×10-3m3；

V——掘進速度，mm/min；

t——掘進有效時間，min；

L0——管片寬度減去150 mm。

若掘進速度穩定,Qv與t是線性關系。

同步注漿結束標準為注漿壓力達到設計壓力,注漿量達到設計注漿量的80%以上,對注漿不足或注漿效果不好的地方進行二次補強注漿,以增加注漿層的密實性并能提高防水效果。

3 結論

(1)在硬巖地段盾構注漿易采用同步注漿和二次注漿相結合的背后注漿方式,漿液配比要在保證砂漿稠度、離析率、固結率、強度等指標的基礎上延長其凝膠時間,控制在5～12 h,同步注漿壓力約為0.1～0.12 MPa。地下水發育時,漿液的凝膠時間調短。

(2)在自穩能力較差的強風化、全風化巖地層和黏土層,盾構注漿,單液漿和雙液漿都可選,凝膠時間適當縮短為4～7 h,同步注漿壓力為0.15～0.2 MPa,必要時進行二次襯砌強注漿以及采取地層加固輔助施工措施。

(3)在自穩性差的軟弱黏土地層,盾構向前推進,土體出露后很快就可能坍塌,待進行注漿時盾尾空隙可能已經很小,因此同步注漿時,可適當增大注漿壓力,以獲得更好的充填效果。

(4)在富含水地層中注漿要求能迅速阻水,快速充填。故要求漿液凝固時間短,黏性大,保水性強,不離析,凝膠時間在4～6 h,若掘進時建立了土壓或氣壓,則應盡量確保盾尾密封完好,以防止倉中的水由盾尾被壓入管片背后。當管片背后已被水充填,則需要提高注漿壓力，以便將地下水隨著漿液的推進被擠入土體中。

(5)在盾構始發和到達段,總體上要求縮短漿液凝膠時間,以便在填充地層的同時能盡早獲得漿液固結體強度,保證開挖面安全并防止從洞口處漏漿。

[1] 鄒 翀.廣州地鐵二號線盾構隧道同步注漿技術[J].隧道建設,2002,22(3)：15-21．

[2] 鄒 翀.盾構隧道同步注漿技術[J].現代隧道技術,2003,40(1)：26-30．

[3] 鄭鵬武,譚忠盛,吳金剛.齊岳山隧道注漿必要性的數值分析與論證[J].鐵道建筑,2006(1):20-23．

[4] 蔣忠信,王 衡.南昆鐵路巖溶洞穴預報技術[J].水文地質工程地質,2002(2):35-37．

[5] 唐 雨.齊岳山隧道大型充填溶腔處理施工技術[J].鐵道標準設計,2006(5)．

[6] 畢守森,田淑賢,管曉炯,等.引黃工程國標Ⅱ、Ⅲ標TBM施工段溶洞處理[J].水利水電技術,2002(33):34-36．

[7] 楊昌寧.武隆隧道巖溶暗河整治方法探討[J].現代隧道技術,2003(6):12-16．

[8] 段貴安,張 勇.華鎣山隧道涌突水、涌泥、涌砂原因分析及綜合整治措施[J].鐵道建筑技術,2001(1):36-39．

[9] 熊 柯,呂 兵.暗挖地鐵工程二襯結構注漿工藝[J].鐵道標準設計,2008(12)．