長(zhǎng)沙—株洲—湘潭城際鐵路湘江隧道開濱盾構(gòu)區(qū)間富水基巖地層管片背后注漿技術(shù)研究

任成國(guó)

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的加快和科技的發(fā)展，盾構(gòu)法施工已普及到多個(gè)領(lǐng)域，盾構(gòu)施工技術(shù)也日益成熟。針對(duì)盾構(gòu)法隧道管片背后注漿問題，很多專家學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作。在相關(guān)研究中:洪開榮等［1］研究了大直徑泥水盾構(gòu)復(fù)合地層速凝漿液的同步注入技術(shù)，通過對(duì)盾構(gòu)原有注漿設(shè)備和管路的優(yōu)化改造，將傳統(tǒng)的同步注入單液水泥砂漿改造為同步注入復(fù)合漿液，達(dá)到了同步注入速凝漿液的目的，并通過在施工中加強(qiáng)過程控制和采取輔助措施，解決了因同步注漿效果差造成的管片上浮及開裂等技術(shù)難題;賀雄飛等［2］就同步注漿漿液的配合比進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)研究結(jié)果，針對(duì)不同的地質(zhì)條件對(duì)漿液性能的不同要求，提出同步注漿漿液配比的優(yōu)化方向;朱建春等［3］針對(duì)北京地鐵盾構(gòu)同步注漿及其材料進(jìn)行了研究，結(jié)合北京地鐵盾構(gòu)試驗(yàn)段工程的實(shí)際情況，通過試驗(yàn)對(duì)比最終研制出了采用主料為生石灰和粉煤灰的惰性漿液作為盾構(gòu)隧道壁后注漿的漿液;沈征難［4］研究了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道管片上浮原因分析及控制，從地質(zhì)條件、襯背注漿、盾構(gòu)姿態(tài)入手，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中管片上浮的原因進(jìn)行了分析研究，并提出了控制措施;邵海龍等［5］對(duì)復(fù)合地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工同步注漿進(jìn)行了研究，介紹了盾構(gòu)施工注漿技術(shù)的特點(diǎn)，通過調(diào)整膠砂比及膠凝體系等得到了復(fù)合地層同步注漿漿液。以往的這些研究主要針對(duì)普通地鐵隧道盾構(gòu)法施工注漿材料及大直徑泥水盾構(gòu)(直徑6.28 m左右)注漿技術(shù)，而針對(duì)大直徑土壓平衡盾構(gòu)在富水基巖施工技術(shù)應(yīng)用的研究較少。本文主要針對(duì)大直徑土壓平衡盾構(gòu)富水基巖地層中管片背后的同步注漿問題以及注漿質(zhì)量在施工期間的重要作用展開分析和研究，尋求保證土壓平衡盾構(gòu)注漿質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)施工期間注漿施工的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)。

1 工程概述

長(zhǎng)沙—株洲—湘潭城際鐵路湘江隧道為雙孔單線隧道，全長(zhǎng)2 700 m，洞身部位主要為弱風(fēng)化板巖，部分?jǐn)嗝婀绊敳课挥猩倭繌?qiáng)風(fēng)化板巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部含石英脈，巖層較穩(wěn)定。地表建筑物密集，需穿越管線、道路、高壓電塔、湘江大堤及湘江，過江段長(zhǎng)1 100 m，其中有230 m的不整合接觸帶，局部節(jié)理裂隙密集帶基巖承壓裂隙水發(fā)育，水頭高18～32 m，隧道最大水壓為0.35 MPa。該段采用2臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，盾構(gòu)開挖直徑9.34 m，管片外徑9 m，內(nèi)徑8.1 m，環(huán)寬1.8 m。盾構(gòu)設(shè)計(jì)6路注漿管路，可以同步注入A/B漿液。在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制同步注漿隧道管片壁后二次注漿效果，以防止地表沉降和管片上浮。

2 同步注漿滲透、填充機(jī)制

在大直徑土壓平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)向前推進(jìn)并脫離盾尾時(shí)，盾構(gòu)管片外部與圍巖之間將會(huì)形成一道寬度為170 mm左右的環(huán)形間隙。若不能及時(shí)填充空隙，地層的后期變形將非常大，所以必須及時(shí)、均勻、定量地向管片壁后的環(huán)形空隙注入漿液，充滿建筑間隙，防止管片上浮及地表沉降。

漿液在盾尾間隙的填充是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，由于盾尾與地層間隙沿圓周分布實(shí)際上是不均勻的，漿液從注漿孔口注入時(shí)，其填充的過程十分復(fù)雜。當(dāng)前環(huán)注漿時(shí)，在盾尾后方5～10環(huán)漿液為流體或半流體狀;因此，注漿首先填充本環(huán)間隙后，在充足壓力下沿縱、橫向擠壓和擴(kuò)散。為簡(jiǎn)化研究，可把漿液的填充過程分為2個(gè)獨(dú)立的階段:第1階段為沿橫斷面圓周方向，即注漿孔先把橫斷面填充;第2階段為縱向填充，即橫斷面每點(diǎn)向縱向擠壓填充。

3 大直徑土壓平衡盾構(gòu)富水基巖注漿存在的問題

1)大直徑盾構(gòu)管片迎水面與圍巖之間會(huì)形成一道寬度為170 mm左右的環(huán)形空隙間隙，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地鐵盾構(gòu)(130 mm左右)間隙更大。同步注漿惰性漿液在初凝前更容易流失。

2)在富水地層，特別是存在承壓水時(shí)，在壓力不平衡或波動(dòng)大及出現(xiàn)漏漿的狀況下，后部地下水很容易把漿液沖散，帶至土艙，造成漿液流失。

3)硬巖地層自穩(wěn)性好，出于進(jìn)度及成本考慮，一般采用半敞開模式掘進(jìn)。土艙上半部為氣壓，盾尾止?jié){裝置在掘進(jìn)過程中很容易損壞而失去止?jié){效果，漿液注入盾尾后，很容易在土艙盾殼后間隙與管片背后形成自流斜坡(斜坡角度受砂漿性能與掘進(jìn)速度及壓力等參數(shù)影響)，從而造成管片背后上部砂漿的流失。拱頂空隙部分砂漿若不及時(shí)填充，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，砂漿流動(dòng)斜坡角度將會(huì)越來越小，可能還會(huì)與土艙內(nèi)渣位達(dá)到同一水平線。

4 方案的優(yōu)化調(diào)整及效果

4.1 注漿材料及設(shè)備設(shè)計(jì)情況

本工程同步注漿設(shè)計(jì)采用單液水泥砂漿或加入速凝材料的水泥砂漿，通過同步注漿系統(tǒng)對(duì)管片背后的超挖空隙進(jìn)行充填，以保證隧道的施工質(zhì)量及防止地面下沉。盾構(gòu)設(shè)備上安裝了13 m3砂漿存儲(chǔ)罐和6臺(tái)單液注漿泵，在盾尾內(nèi)壁周圍和盾尾殼體內(nèi)分6個(gè)點(diǎn)位均勻布設(shè)了砂漿注漿管路(φ65 mm)及6個(gè)點(diǎn)位的速凝材料注入管路(φ10 mm)。

結(jié)合本工程實(shí)際，掘進(jìn)每環(huán)、管片背后理論上的空隙(刀盤開挖直徑與管片外徑間的超挖空間)為8.8 m3，按1.5倍的充填系數(shù)，每環(huán)的實(shí)際注漿量都在13 m3以上。設(shè)計(jì)要求水泥砂漿的主要性能指標(biāo)見表1(后期設(shè)計(jì)又增加了抗分散要求)。

表1 設(shè)計(jì)要求水泥砂漿主要性能指標(biāo)Table 1 Main parameters of cement grout required in the design

4.2 施工過程出現(xiàn)的問題

在前期施工中，一直采用傳統(tǒng)注漿方式，注入普通水泥砂漿，盾構(gòu)在管片拼裝等必須停機(jī)且再次掘進(jìn)后，會(huì)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象。管片上浮量最大3 cm，局部有滲漏水現(xiàn)象。出現(xiàn)此種情況后，在管片注漿孔開孔對(duì)管片背后進(jìn)行注漿效果檢查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)管片背后水流較大、且有部分孔水流承壓，初步分析為地下水沖散漿液后漿液流失。

4.3 施工過程調(diào)整及效果分析

4.3.1 已施工段補(bǔ)救措施

在發(fā)現(xiàn)問題后，對(duì)前期出現(xiàn)問題的管片隧道區(qū)域進(jìn)行了二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰質(zhì)量比為1∶1，水泥漿與水玻璃質(zhì)量比為1∶1，漿液凝結(jié)時(shí)間為42 s。

經(jīng)二次注漿后開孔檢查，拱頂同步注漿效果不佳的僅為18環(huán)(32 m)，二次注漿每環(huán)補(bǔ)充注漿量為2.1 m3。由于此段距離短，在不影響掘進(jìn)施工的前提下，利用拖車平臺(tái)(長(zhǎng)101 m)完成了補(bǔ)充注漿施工。

4.3.2 同步注入雙漿液

掘進(jìn)過程中，在同步注入砂漿的同時(shí)，啟用了盾構(gòu)自帶的速凝劑注入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同步注入雙液漿。采用水泥－水玻璃漿液，水玻璃濃度為36 Be'，質(zhì)量配比為水玻璃∶水泥砂漿=0.5∶1，即每環(huán)注入水玻璃7 m3左右，工序停機(jī)時(shí)進(jìn)行管路清洗。

在實(shí)際施工過程中，由于盾構(gòu)自帶的速凝劑注入系統(tǒng)的水玻璃管路僅有φ10 mm，極易發(fā)生堵塞，且疏通困難，嚴(yán)重影響了施工;盾構(gòu)同步注入雙漿液對(duì)漿液的凝結(jié)時(shí)間有一定的縮短，但由于工況的影響無法實(shí)現(xiàn)充分混合，不能達(dá)到預(yù)定的凝膠時(shí)間。

4.3.3 同步注漿調(diào)整

對(duì)水泥砂漿配比進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)高同步注漿水泥砂漿的稠度，以盡量縮短砂漿凝結(jié)時(shí)間;加大注漿量，把原先的1.5倍的填充量增加到1.8倍以上，每環(huán)的注漿量都達(dá)到了16 m3，以補(bǔ)充管片背后砂漿的流失。具體調(diào)整后的漿液配比和性能指標(biāo)見表2和表3。

表2 調(diào)整后砂漿配合比Table 2 Optimized mixing proportion of grout kg

對(duì)砂漿配比調(diào)整后，在掘進(jìn)速度慢或全土壓模式掘進(jìn)的情況下，經(jīng)開孔檢查，頂部基本密實(shí)，拱頂局部進(jìn)行少量補(bǔ)充注漿即可使管片背后填充密實(shí)。補(bǔ)充注漿量約為每環(huán)0.06 m3，即可達(dá)到管片背后填充密實(shí)的要求。

表3 調(diào)整后砂漿性能指標(biāo)Table 3 Parameters of optimized grout

4.3.4 及時(shí)二次注漿

對(duì)脫出盾尾的管片開孔檢查，及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。開孔注漿順序?yàn)閺纳现料拢笥覍?duì)稱施工。注漿材料與“4.3.1”相同。

管片二次補(bǔ)強(qiáng)注雙液漿后，出渣噴涌、管片上浮及滲漏水得到了很好地控制;但對(duì)于盾構(gòu)隧道來說，二次補(bǔ)強(qiáng)注漿施工的效率低，嚴(yán)重影響工程的整體進(jìn)展，掘進(jìn)速度快時(shí)，每環(huán)注漿量平均達(dá)到2.1 m3。二次補(bǔ)強(qiáng)注漿所使用的水泥－水玻璃雙液漿成本高于水泥砂漿。因此，為加快工程的整體進(jìn)展，降低施工成本，并保證注漿質(zhì)量，同步注漿是關(guān)鍵。

4.3.5 砂漿的二次注入

由于同步注漿時(shí)砂漿向下流動(dòng)，開孔檢查隧道底部注漿效果較好。在施工中，利用下部注漿管路對(duì)脫出盾尾5～7環(huán)管片開孔注入砂漿，隨著盾構(gòu)向前掘進(jìn)，每隔2環(huán)(3.6 m)進(jìn)行一次注入。可實(shí)現(xiàn)與盾構(gòu)的同步注入。開孔注漿順序?yàn)閺纳现料拢笥覍?duì)稱施工。注漿材料與“4.3.2”相同。

砂漿的二次注入，可及時(shí)填充拱頂空洞，經(jīng)過開孔檢查效果驗(yàn)證可基本滿足管片背后填充要求。在地下水豐富地段每隔2環(huán)管片需進(jìn)行少量二次補(bǔ)充注雙液漿。此時(shí)注入雙液漿，可有效地對(duì)砂漿自流斜坡進(jìn)行滯后填充，提升了工作效率，降低了施工成本。

4.3.6 封閉環(huán)的施工

在巖層裂隙發(fā)育、富水地段，為減少同步注入砂漿的流失，施工中若出現(xiàn)大范圍滲漏水或地表沉降大時(shí)，可在距離盾尾8環(huán)附近進(jìn)行全環(huán)封閉注漿，以封堵巖層裂隙水向土艙方向流動(dòng)，影響砂漿注入效果，減少出渣噴涌和管片上浮現(xiàn)象。

4.4 注漿方案最終優(yōu)化

通過施工階段的調(diào)整及分析，在后期施工中，根據(jù)掘進(jìn)狀態(tài)及地層情況對(duì)注漿方式進(jìn)行了調(diào)整。

4.4.1 全土壓掘進(jìn)狀態(tài)

采用同步注漿+二次注漿。在掘進(jìn)時(shí)，對(duì)管片開孔檢查，檢查頻率為每隔5環(huán)進(jìn)行一次，若發(fā)現(xiàn)注漿效果差，進(jìn)行加密檢查及二次注漿。實(shí)際施工中，全土壓掘進(jìn)模式下，同步注漿完全可滿足要求，二次注漿量平均每環(huán)為 0.06 m3。

4.4.2 半敞開模式掘進(jìn)

采用同步注漿+補(bǔ)充注入砂漿+二次補(bǔ)強(qiáng)注入水泥－水玻璃速凝漿液，通過開孔檢查，在大范圍注漿效果差的地段及時(shí)進(jìn)行封閉環(huán)施工。采用此種方案每環(huán)砂漿注入量約14 m3，補(bǔ)充注入砂漿量每環(huán)約1 m3，水泥－水玻璃漿的注入量為0.1 m3。

4.4.3 注漿效果

1)采用以上注漿方案后，管片上浮、滲漏水及出渣噴涌問題得到了解決。

2)采用地質(zhì)雷達(dá)掃描檢測(cè)，通過數(shù)據(jù)分析得出，管片背后填充密實(shí)，無空洞，注漿效果比較理想，滿足了驗(yàn)收要求。

5 結(jié)論與建議

管片背后注漿效果影響因素較多，如何使進(jìn)度、成本、質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)化，還需要繼續(xù)研究總結(jié)。針對(duì)大直徑土壓平衡盾構(gòu)注漿施工，有以下體會(huì)和建議。

1)在基巖穩(wěn)定性差的地層采用全土壓平衡模式掘進(jìn)，不僅能較好地控制地表沉降，提高施工的安全性，而且能有效地降低注漿材料的損耗。

2)在富水基巖穩(wěn)定性好的地層，采用半敞開式掘進(jìn)可大大提高施工效率，而采用同步注漿、補(bǔ)充注漿和二次補(bǔ)充雙液注漿及施作封閉環(huán)的施工方法，可以有效控制出渣噴涌，保證連續(xù)掘進(jìn)，從而保證施工進(jìn)度;采用此種注漿模式能有效減少隧道上浮量和管片滲漏水，較好地控制了成型隧道的質(zhì)量;同時(shí)能提高施工效率，減少漿液損耗，有效降低施工成本。

3)盾構(gòu)在同步注入砂漿的同時(shí)，啟用盾構(gòu)自帶的速凝劑注入系統(tǒng)，可以達(dá)到同步注入雙液漿的效果，但注入系統(tǒng)的可操作性需進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)、優(yōu)化。

［1］ 洪開榮，杜闖東，任成國(guó).大直徑泥水盾構(gòu)復(fù)合地層速凝漿液的同步注入技術(shù)［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(3):33 －38.(HONG Kairong，DU Chuangdong，REN Chengguo.Technology for simultaneous injection of rapid-setting grout in complex strata:Case study on large-diameter slurry shield［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2011(3):33－38.(in Chinese))

［2］ 賀雄飛，王光輝.單液活性同步注漿漿液的配合比試驗(yàn)［J］.隧道建設(shè)，2010，30(1):9 － 14，23.(HE Xiongfei，WANG Guanghui.Study on mixing proportion of singlecomponent active grout for simultaneous grouting［J］.Tunnel Construction，2010，30(1):9 － 14，23.(in Chinese))

［3］ 朱建春，李樂，杜文庫.北京地鐵盾構(gòu)同步注漿及其材料研究［J］.建筑機(jī)械化，2004(11):26 －29.(ZHU Jianchun，LI Le，DU Wenkun.Research on shield machine construction with pouring mortar simultaneously and mortar materials in Beijing subway［J］.Construction Mechanization，2004(11):26 －29.(in Chinese))

［4］ 沈征難.盾構(gòu)掘進(jìn)過程中隧道管片上浮原因分析及控制［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004(6):51 －56.(SHEN Zhengnan.Analysis and control of the upward moving of tunnel segments in the process of shield excavation［J］.Modern Tunnelling Technology，2004(6):51－56.(in Chinese))

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