富含地下水的全斷面地層盾構隧道同步注漿技術研究

李鷺LI Lu

（中鐵六局集團有限公司交通工程分公司，北京 100071）

0 引言

隨著社會發展，地下工程在城市發展過程中愈發的重要，地下防水一直是地下工程的重點難題，在盾構法開挖隧道的施工過程中，管片壁后填充是隧道防水重要的措施，本文以深圳地鐵14號線共建管廊為工程實例，通過分析、總結，闡述了盾構在富含地下水的全斷面硬巖地層掘進時同步注漿技術措施，供類似盾構工程施工參考。

1 工程概況

1.1 設計概況

深圳地鐵14號線（如圖1）共建管廊Ⅰ標土建二工區7#～6#綜合井盾構區間位于深圳市龍崗區，設計采用盾構法施工，線路為單線圓形隧道，預制管片外徑6.7m，內徑6.0m，環寬1.5m，壁厚0.35m。區間線路全長約1143.6m，最小曲線半徑R=750m，最大坡度48.98‰（上坡），隧道拱頂最小埋深約27.11m，最大埋深約46.59m。本工程采用1臺φ6980土壓平衡盾構機施工。盾構自7#綜合井始發，掘進至6#綜合井空推過站。

圖1 深圳地鐵14號線共建管廊7#-6#綜合井盾構區間平面線路圖

1.2 工程地質條件

區間隧道由上自下地質條件依次為雜填土、素填土、粉質粘土、全風化角巖、強風化角巖、中風化角巖及微風化角巖，其中、微風化全斷面硬巖段長約855m，占線路總長的74.7%，且微風化巖層最大強度達169MPa，RQD值最高約為89%。

根據地勘資料及調查結果顯示沿線范圍內無明顯的地表水體。沿線地下水主要有2種類型：第一類是第四系松散巖類孔隙水，主要賦存于沖洪積砂巖層和殘積土層中；第二類為基巖裂隙（構造裂隙）水，主要賦存于塊狀強風化、中風化帶及斷裂構造裂隙中，略具承壓性。

2 傳統同步注漿質量問題原因分析

盾構法施工的傳統同步注漿是采用盾構設備自有的同步注漿系統及盾尾的注漿管路，在盾構向前推進盾尾空隙形成的同時注入水泥砂漿，有效填充管片壁后空隙，使周圍巖體獲得及時的支撐。結合實際工程案例，該種工藝適用于自穩性差、易收斂的軟土地層，而在富含地下水的全斷面地層易出現漿液竄倉、稀釋等問題，導致管片壁后填充效果較差，主要原因分析如下：

在全斷面硬巖地層掘進時，埋深較淺線段保壓掘進可以防止同步注漿漿液和地下水向土倉洞涌入，但是極易造成螺旋輸送機噴涌現象（如圖2），增加施工難度，而當隧道最大埋深大于30m，地下水圧偏大，保壓所需壓力大于3bar，且保壓效果不能夠達到預期效果，土壓及巖土自重對盾構推進也會造成很大影響。因此，土壓平衡盾構在自穩性較好的全斷面硬巖中一般采用常壓模式掘進（即土倉壓力為0bar，空倉掘進），而在富含地下水段，同步注漿漿液會隨著地下水流向土倉形成竄倉現象，流動過程中也會被地下水稀釋而失去填充作用。

圖2 地下水造成螺旋機噴涌及漿液流失現場圖示

3 新型同步注漿技術研究

3.1 工藝原理

結合全斷面硬巖地層自穩性較強的特點，延后同步漿液填充，綜合考慮水泥-水玻璃雙液漿止水、水泥漿填充的效果，改變同步注漿工藝，原理如下：

將盾構同步注漿系統進行改造，同時在1號臺車位置增加水玻璃注漿系統，利用水泥-水玻璃雙液漿快速凝結、止水特點，在盾尾后方每間隔7-10環位置制作一道封水環，對管片壁后空隙形成分區，然后利用水泥漿分區填充。

3.2 工藝特點

傳統同步注漿只能對盾尾附近進行填充，富含地下水的全斷面硬巖地層漿液竄倉、稀釋現象明顯，填充效果較差；而同步注雙液漿只能起到止水作用，無法做到填充密實，且極容易堵管。

相較于上述兩種工藝，本工藝有以下優點：①填充點位更加靈活，可以對分區內空洞填充完畢后再進行填充下一個分區；②堵管后較為容易疏通，更改管路、孔位即可繼續填充，不會對正常掘進產生影響；③相對于二次注漿、填充速度更快；缺點：由于該注漿工藝具有一定延后性，故適用于地層相對穩定區段。

3.3 工藝步驟

3.3.1 盾構同步注漿系統改造

盾構同步注漿設備部分具備注雙液漿功能，且雙液注漿極易造成盾尾管路堵塞，造成盾尾注漿系統癱瘓，影響后續盾構掘進，故雙液注漿很少使用盾殼注漿管路，現將同步注漿泵頭出口管路通過變徑接頭管路調整為32mm管路，與水玻璃注入管路通過四通連接，現有同步注漿管路管徑較粗，需進行設備改造轉接頭，以達到雙液混合要求。接頭采用焊接加固，保證管路管徑發生變化后，接頭部位不會因為壓力原因導致“爆管”，注漿管路末端設四通接球閥，一路接水玻璃、另一路用于實驗混合液凝固所需時間（如圖3）。

圖3 盾構同步注漿系統改造實物圖

3.3.2 封水環漿液制作及注入

3.3.2.1 注漿點位選擇

雙液漿封水環注漿開孔位置選為盾尾后7-10環的12點位或1、11點位對稱開孔（視注漿情況對2、10點位進行開孔），采用沖擊鉆或釬子通開注漿頭、觀察有無明水、是否存在空洞，安裝注漿頭、球閥。注漿位置前后5環開孔設觀察孔，方便確認漿填充情況。

3.3.2.2 漿液制作

經現場實驗水泥漿、水玻璃混合液以4:1混合，水玻璃濃度控制在65%，雙液混合反應時間在35s，滿足現場注漿要求，當開孔有明水情況，可按A、B混合液（2:1或3:1）進行注漿。

3.3.2.3 漿液注入量控制

采用單液漿對管片壁后進行填充，根據公式計算和相關技術要求，注漿量應保證環形間隙理論容積的1.3～2.5倍左右。

同步注漿量=π（R^2-r^2）*L*λ

R=盾構機開挖半徑

r=管片外徑

L=掘進米數

λ=系數

經計算，注漿量為5.9～11.3m/環。掘進過程中根據出土量和監測結果及時調整注漿量。一般情況下，注漿量達到理論值的95%以上時，即可認為達到了填充要求。

3.3.2.4 注漿壓力控制

為防止注漿壓力過大造成管片浮動而引起錯臺破損現象，設定壓力控制值，注漿壓力不應高過管片防水要求最大壓力，壓力最大控制值設為0.4MPa。

3.3.2.5 注漿流程

①注漿需用雙活塞注入泵將儲存在砂漿箱中的漿液通過管路泵送至管片注漿口、手動控制水玻璃注入并專人盯控，防止水玻璃注入過快引起管路堵塞。

②注漿可根據需要采用自動控制或手動控制方式，自動控制方式即預先設定注漿壓力，由控制程序自動調整注漿速度，當注漿壓力達到設定值時，自行停止注漿，當注漿注至觀察口出漿后，關閉觀察口，停止注漿。

③注漿通過每個注漿孔出口設置的壓力傳感器對各注漿孔的注漿壓力和注漿量進行監測與控制，為防止注漿使管片受力不均產生偏壓導致管片錯位造成錯臺及破損，注漿時對稱均勻的注入十分重要。

3.3.3 水泥漿填充

3.3.3.1 漿液配比

采用水泥、粉煤灰、膨潤土與水拌合形成的漿液對兩道封水環之間的空隙進行填充，漿液配比如表1所示。

表1 漿液配比表

水泥、粉煤灰、膨潤土不可有結塊現象，投料順序按水、水泥、粉煤灰、膨潤土依次進行；攪拌時間控制在2分鐘左右，攪拌要均勻，杜絕拌好的漿液中有結塊；膨潤土以溶液的形式加入，且其溶液應提前拌好（溶液中的水應從漿液配比用水中扣除）。經現場實驗該配合比單液漿液初凝時間在5.5h。

3.3.3.2 漿液填充控制標準

水泥漿填充控制標準與封水環漿液注入控制標準一致，以注入量和注漿壓力雙重標準管控，注入量達到理論值的95%以上或注漿壓力達到0.4MPa。注漿過程中，在注漿點位前后2-3環位置開孔泄壓、泄水，同時便于觀察漿液填充情況。

3.3.4 過程中重點注意事項

①由于注漿采用管片開孔注漿，當漿液填充密實后很容易使管片偏向受力，注漿過程中嚴格控制注漿壓力及開孔位置，注漿壓力過大會導致管片浮動，彈性密封條擊穿等問題，產生錯臺漏水現象、嚴重時出現破損問題；

②嚴格按照配比制備漿液，當漿液出現離析、沉淀、結塊現象禁止使用；

③密切關注注漿情況，當出現漿液竄倉、盾尾漏漿等現象及時停止注漿、待漿液凝固后，遠離盾尾位置重新開孔注漿；

④漿液填充必須密實，在頂部開觀察孔，是否存在空洞、滲漏水情況、若不密實則繼續注漿封堵直至完全填充密實；

⑤對隧道軸線及管片姿態進行對比，監測管片成型質量，是否存在因注漿參數不當引起管片浮動，及時調整注漿參數；

⑥盾尾注漿管路需定期注入膨潤土進行疏通維護，當地層發生變化時、需要變更該注漿工藝，恢復盾尾注漿，土倉內保壓后，將管片后空隙填充密實后方可恢復掘進，防止對地面造成影響。

4 工程實施效果

本工程盾構始發至今，一直在全斷面硬巖地層中掘進施工，0-145環掘進時一是采用傳統同步注漿工藝，二是采用保壓掘進，兩種方式在掘進至巖隙水較大地層時均出現噴涌情況，而且長時間同步注漿、二次補漿并不能有效解決已形成地下水匯集問題，且隨盾構掘進，該問題愈加嚴重，成型隧道出現以下問題：

①管片壁后填充效果較差，所注單液漿初凝時間在3-8小時，同步漿液在流動地下水作用下，向盾構土倉內涌入，在盾尾清理、管片拼裝過程中，該環所注同步漿液漿液基本流失殆盡，最終導致成型隧道浮動嚴重，出現連續滲漏現象嚴重，且管片上浮量最大達到106mm，接近刀盤開挖直徑與管片外徑的理論空隙值，且受管片上浮影響，致使管片連續錯臺、破損，成型隧道外觀質量差。

②保壓掘進時，受土倉壓力反力及盾構機自重影響，盾構掘進推力增加、速度降低，刀具更換頻繁；另外，在富含地下水段，螺旋輸送機經常性噴涌，人工清理時間較差，嚴重影響盾構掘進工效。

③二次注漿效果不佳，一是無法準確找到壁后填充薄弱區域，二是地下水一直處于流動狀態，二次注漿所用雙液漿單孔注入量不足以很快形成止水帶，便已經稀釋流失，需要投入很大量材料才能封堵形成止水帶、成本管控難度較大。

④渣土改良不到位，卡螺機現象頻發，巖層切削下石碴在地下水沖刷下流動性很差、而渣土改良劑在過大水量下無法發揮作用，特別是在剛起動螺旋機時，沉在倉底的石碴進入螺機內而又無法順利排出，導致螺旋機抱死；長時間的磨損也會導致螺旋機壽命縮短，嚴重時需進行更換。

⑤開倉換刀難度增大，艙內積水使換刀人員操作難度增大、甚至出現艙內水壓過高，無法正常開倉的情況。

在第145環開始采用新型同步注漿工藝后，成型隧道質量以及成本管控方面均得到較大的改善，主要體現在以下幾方面：①有效地提高在富含地下水的全斷面硬巖地層中壁后填充質量，大幅度降低因地下水原因導致的管片浮動，根據目前管片姿態測量結果顯示，155環以后管片上浮最大量約為32mm，較前期由明顯改善。解決了管片連續錯臺、破損問題，成型隧道質量顯著提高。②有效的避免了保壓掘進形式，避免因保壓掘進且地下水匯聚土倉導致螺旋輸送機噴涌現象，大幅度減少人工清理時間，顯著提高盾構施工效率。③減少二次注漿成本投入，據現場統計對比，每月二次注漿袋裝水泥用量較前期相比，由120t降為36t，降低為原先的30%，且后期堵漏隱性投入以及錯臺破損等修補費用大幅度減少。④盾構掘進異常情況減少、刀具使用壽命相對延長，減少刀具使用成本。

5 結論

針對盾構在富含地下水的全斷面硬巖掘進施工時，利用盾構注漿系統快速填充水泥漿-水玻璃雙液漿利用其止水效果制作封水環，將管片壁后間隙形成分區，然后采用水泥漿對分區內空隙填充，提高該地層中管片壁后填充質量，本工程采用新型同步注漿技術，有效解決了壁后填充不密實的問題、降低了管片上浮量、減少了刀具更換量以及二次注漿的成本，為后續類似地層施工提供參考。