盾構掘進圓礫層、泥巖層和建筑物保護同步注漿配比試驗的研究

唐宗銀（中鐵十六局集團有限公司，北京　100018）

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盾構掘進圓礫層、泥巖層和建筑物保護同步注漿配比試驗的研究

唐宗銀（中鐵十六局集團有限公司，北京100018）

同步注漿是指盾構推進時，在盾尾殼體和襯砌之間形成環形建筑空隙的同時進行迅速注漿，采用同步注漿是使襯砌達到合理的耐久性、安全性和經濟性的重要因素之一，而漿液配比則決定了注漿的質量。盾構的同步注漿將是控制地表沉降的關鍵因素。在本文中，筆者主要結合工程實踐，深入分析同步注漿配比試驗，以供參考。

同步注漿；試驗室；配比試驗；現場泵送試驗

1　概述

南寧市軌道交通1號線10標項目部，本施工標段共有3條盾構隧道分別是：廣西大學站到白蒼嶺站區間，白蒼嶺站到火車站站區間，友愛站到火車站站區間。區間總長8790m。盾構主要下穿于圓礫層和泥巖地層，該段地下水含量豐富，地下水的滲透系數1.04×10-3m/s，采用普通的同步注漿漿液密難以控制，對于泥巖段采用普通同步注漿漿液不易充分填充。前期對3個區間房屋進行調查共264間，部分房屋修建時間長，基礎淺。該區段還下穿南寧火車站多股道既有線鐵路，對盾構在掘進中的沉降控制要求高，為了減低盾構掘進期間對沿線居民的生活和生產不造成影響，項目部成立同步注漿小組，針對盾構同步注漿對控制沉降以保護沿線構筑物進行研究。

1.1同步注漿的目的

同步注漿是盾構施工中必不可少并且至關重要的一環，其主要目的有以下三個方面：

（1）控制隧道周圍土體的位移和沉降；

（2）控制襯砌的位移，主要是抵抗浮力和盾構機的推力作用；

（3）在襯砌周圍形成第一道保護層，阻止地下水滲透進入隧道襯砌內。

1.2漿液的基本性能

（1）強度

漿液在后期必須有一定的強度，以保證在隧道襯砌周圍形成永久性的固定保護層，防止襯砌的移動。

針對不同的施工階段，應設計兩種不同配合比的漿液：①常用的標準漿液，針對正常的盾構施工；②活性漿液，針對特殊施工階段，如進洞、出洞等。

（2）塑性稠度

漿液從產漿池輸送到盾構機并在儲漿倉暫時存放過程中，必須保持良好的塑性狀態，以便能夠順利的泵送入環形空間內。

（3）耐沖蝕性

漿液在水中和泥水中必須有一定的耐沖蝕性，以保證在隧道襯砌周圍形成穩定而連續的保護層。

（4）泌水

泌水是指水分從漿液中流出，導致漿液含水量減小，降低了漿液的流動性和泵送性。為了防止漿液在泵送過程中堵塞泵送系統，應該盡量控制漿液在存儲和輸送過程中發生泌水。

（5）離析

離析是指由于漿液中顆粒分布不均勻，顆粒較大的砂粒沉淀在漿液底部，顆粒較小的灰漿和水則上浮到漿液表面，導致漿液均勻性變差，失去原有的性能。為了保持漿液原有的流動性和塑性，漿液在存儲和輸送過程中應該保持其均勻性，減小離析。

（6）內部摩擦特性

漿液應該有好的級配，以提供有效的內部機械咬合力。這樣可以形成有效的內部摩擦力，該摩擦力與漿液的流變性一起作用，阻止隧道的管片上浮。

（7）流變性

漿液必須具有凝膠性質的流變性，使得漿液在流動狀態下具有良好的可泵性，而在靜止狀態下具有保持其形狀的性能。這使漿液具有內部抗剪力，與內部摩擦力一起作用，阻止隧道管片上浮。

（8）初凝

初凝是指漿液從攪拌開始直到開始失去流動性。漿液的初凝時間應該足夠長，以應對施工中斷等各種非正常情況。

另外，較長的初凝時間有利于漿液的生產、輸送、存儲和泵送，這對合理注漿是非常必要的。

（9）體積收縮率

體積收縮率也是控制漿液性能的重要參數

1.3漿液組成材料

單液漿組成：水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水、外加劑。如果盾構處于特殊的施工階段，需要漿液具有一定的抗壓強度。漿液各組成材料和基本性能如下：

（1）砂：砂在漿液中主要起骨架作用。考慮到可泵性，建議選用河砂。砂必須有良好的級配，細度模數：2.4±2mm，以保證漿液有良好的抗滲性和塑性。

（2）粉煤灰：粉煤灰在漿液中主要起填充作用，增加漿量，使漿液有良好的流動性，提供后期強度。

（3）水泥：水泥在漿液中主要是起膠結作用，增加漿量，使漿液有一定的強度。

（4）水：水在漿液里主要是在攪拌過程中使各種材料得到充分的水化。

（5）膨潤土：膨潤土在漿液中主要是起防止漿液不沉淀和減少堵管。

（6）外加劑：外加劑在漿液中主要起改變漿體的界面性能，提高漿體的流動性、分散性和勻質性；提高在壓力情況下的保水能力；激發粉煤灰活性，提高早期和后期漿液的強度；抵消或減少漿體收縮，限制膨脹條件下提高漿液強度；改善漿體內部結構，耐久性更好。

2　同步注漿試驗室配合比試驗方案

2.1試驗目的

根據漿液性能要求，進行試驗室配合比試驗，以找出符合要求的配合比。

2.2試驗材料和設備

單液漿：

試驗材料主要有：水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、外加劑、水。主要試驗設備有：砂漿攪拌機、坍落度筒、砂漿稠度儀、砂漿凝結時間測定儀等。

同步注漿漿液的試配，按照下述三個步驟進行：

（1）初始配合比試驗

單液漿組成成分的收集和初步挑選：膨潤土（2種）、粉煤灰（2種）、砂（2或3種）、外加劑（FSS-8A高流態粉煤灰外加劑）、水泥（1或2種）、水。

根據各種材料的要求和性能，選擇符合條件的各組成材料2～3種，進行漿液性能配合比試驗。

在這一階段中，主要根據漿液基本性能中給出的性能參數，進行漿液密度、稠度、坍落度、泌水和收縮率的測試。得出標準漿液中水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、外加劑的初始配合比。參數記錄表如表1。

（2）配合比優化試驗

單液漿作為同步注漿漿液中的膠凝材料，水泥、粉煤灰的種類和摻量是影響漿液的性能以及成本的主要因素。因此，在初步確定好水泥和粉煤灰的配合比后，應對其種類和摻量進行進一步的優化，以獲得性能優良且成本較低的漿液。對這兩種材料選擇的標準是：配成漿液后的工作性。

改變水泥、粉煤灰、膨潤土、外加劑的用量，同時保持砂的用量不變，測試漿液的工作性。

在保持漿液中水膠比不變的情況下，選擇滿足工程施工和經濟要求的所有材料。

改變水泥水泥、粉煤灰、膨潤土、外加劑的用量，在初步配合比（1#）的基礎上遞增和遞減。

對每一組配合比進行試驗，測定其性能指標和抗壓強度試驗，從而確定既經濟又能有效控制地表沉降的可行性配合比。

優化試驗參數記錄表如表2所示。

單液漿（砂漿漿液）的性能較好，其凝結時間和強度可以根據實際施工需要進行掌控，同步注漿可操作性強，容易管理，可以作為南寧市軌道交通一號線一期工程土建施工TJSG-10標區間富水強滲透性圓礫地層盾構施工的同步注漿漿液。

推薦配合比如表3。

表3　

實踐證明選用Ⅲ級粉煤灰，并運用上表配合比，可有效控制在盾構掘進過程中管片上浮以及地表沉降，對建筑物的保護可起到關鍵性的作用。

3　同步注漿現場泵送試驗方案

配合比室內試驗結束后，按照室內試驗推薦配合比在現場進行泵送試驗，以驗證漿液與盾構施工設備的適應性。

3.1試驗目的

（1）針對方案制訂的漿液配比，通過測試掌握施工現場選用的砂漿泵泵送距離及注漿壓力的性能指標。

（2）根據區間隧道同步注漿施工的實際輸漿距離，了解砂漿經過長距離輸送后的流動性變化情況。

（3）根據上述數據，確認研究的粘稠注漿漿液是否適應砂漿泵的施工要求。在確認該型設備適用的前提下，完善漿液配方為盾構掘進提供可靠參數。

3.2試驗材料和設備

試驗材料：水泥、粉煤灰、砂、膨潤土、水、外加劑。材料和設備如表4所示。

表4　

3.3人員配備

電器和設備及管路安裝、拌漿、搬運3～4人，試驗記錄、測試2～3人。

3.4試驗內容

根據選擇的配合比配置同步注漿漿液。按表5漿液配合比配制漿液。

表5　

（1）同步注漿拌制

采用強制式HZS35型砂漿攪拌機拌制漿液，1m3/拌，拌料時間為2～3min/拌，拌漿1m3。

表1　同步注漿單液漿配合比試驗記錄

表2　同步注漿單液漿配合比試驗記錄

按照順序分別加入水泥、粉煤灰、膨潤土、砂和2/3的水量，攪拌均勻后觀察漿液效果，然后將剩下1/3的水全部加進去，直至攪拌3～4min，稠度值：90～110mm，坍落度：220～240mm。

（2）泵送試驗

連接各注漿管，于泵吸入口及管路末端（30m處）各安裝隔膜式壓力表一只，同時在管路末端配閘閥。

注漿前先將水在管路中循環泵送，循環水放掉后將拌勻合格的漿液通過注漿泵吸口吸入，至管路末端泵出的漿液。

①測試漿液泵送前后的稠度值和坍落度值。

②測定漿液通過管路的時間和壓力。

③測試注漿壓力達0.3～0.5MPa時漿液每分鐘的流量。

④正常泵送過程中，逐漸關閉閘閥至壓力急劇上升時再開啟閘閥，觀察漿液泌水情況。然后繼續泵送，記錄壓力表的讀數。

⑤注漿壓力達0.5MPa左右時漿液泵送至地面，測量漿液攤鋪面積不再增加時的擴散半徑R值。

循環漿液重復上述試驗3次，測試各種數據。

3.5泵送試驗場地布置圖

圖1　

4　結語

采用新型的同步注漿漿液，能有效克服以往單液漿施工管理難度大、控制地表沉降和管片上浮能力較差的問題，新型漿液通過調整漿液配比，較好的改善漿液的性能指標，不僅對控制地表沉降和控制管片上浮起到了明顯的作用，而且大大減小施工管理難度，確保下穿建筑物的安全。

唐宗銀（1961-），男，中級工程師，大專，主要從事工程試驗檢測工作。

U445.43

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2095-2066（2016）12-0193-03

2016-4-10