盾構法施工注漿新型填充雙漿液配比試驗及應用

李元凱,楊志勇,楊 星,邵小康,漆偉強

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室,北京 100068； 3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083)

隨著城市地鐵線路的不斷建設與發展，地下空間的利用率正逐步縮小，新建盾構隧道往往會面臨近接施工的難題[1]。在盾構掘進過程中，開挖間隙的產生是導致地層變形的重要原因，而當盾構近距離施工時，開挖間隙的有效填充是保證既有結構穩定不受影響的前提，因此，通過采用良好性能的漿液填充開挖間隙可起到減小地層變形的作用，進而降低對鄰近結構的擾動[2]。

開挖間隙所引起的地層變形一直是困擾著眾多科研人員和施工人員的難題，在關于開挖間隙有效填充方面，周慶合[3]以新建京張高鐵清華園隧道工程為背景，通過數值模擬和實測數據對比確定了沉降的影響范圍，并提出加快填充漿液的硬化速度是控制地表沉降的有效方法；YIN等[4]采用有限元法對盾構下穿既有線時的中盾注漿填充效果進行了模擬，表明采用高彈性模量的漿液材料來填充開挖間隙可有效地控制地層沉降；楊志勇等[5]將中盾克泥效工法運用到實際工程中，解決了盾構近距離上跨既有線的難題；謝雄耀，田闖等[6-8]均利用同步注漿雷達監測系統對壁后注漿效果進行了實時檢測，通過注漿地層剖面的顯示化分析來對漿液質量、注漿壓力、注漿量等實時參數進行調整，確保了實際工程中盾構掘進的地層微沉降控制。對于填充漿液性能方面，水泥-水玻璃雙液漿以其初凝時間短等優越性能被廣泛應用于盾構的壁后注漿中，賈毅等[9]以水泥、膨潤土和水玻璃作為雙液漿原料，通過室內試驗對漿液的凝結時間、泌水率、彈性模量等指標進行了測試，證明了水灰比對漿液強度的影響最大；陳城等[10]對超細水泥-水玻璃雙液漿的性能進行了研究，并通過模型試驗表明該雙液漿在砂土中具有良好的加固止水效果；葉飛等[11]考慮了雙液漿在開挖間隙中注入的時效性和空間效應，分析出漿液性能和注漿壓力對管片的受力作用。

綜上所述，目前已有研究對于開挖間隙引起的地層變形總結主要有兩點：一是盾構開挖過程中開挖間隙不能及時有效地填充導致的瞬時變形；二是壁后注漿后漿液的性能差異所導致的緩慢變形。顯然，前者的變形需在盾構掘進的同時進行有效填充，目前工程上廣為熟知的克泥效工法[5，12]正是基于控制上述瞬時變形所采用的。然而，由于克泥效泥漿的價格及銷售渠道問題，其僅在重大風險工程中或風險補救時采用，而在工程中得不到大面積應用。鑒于此，設計了一種以水泥、粉煤灰、膨潤土、外加劑和水玻璃為原料的新型填充雙液漿，以初凝時間、泌水率、強度等指標作為性能評判標準，通過室內試驗確定了漿液的最優配比，結合模型試驗對該漿液的應用可行性進行分析，并與克泥效泥漿在性能和使用經濟上進行對比。

1 盾構注漿系統與材料

1.1 中盾注漿系統

盾構一般擁有兩套完整的注漿系統，即分別位于中盾位置的徑向注漿系統和盾尾位置通向管片壁后的同步注漿系統。由于盾構本身從刀盤至盾尾呈現外徑逐漸減小的形狀，而同步注漿過程一般只能填充滿管片拼裝位置后2～3環的開挖間隙，因此，前盾、中盾和部分盾尾位置的開挖間隙則需采用中盾注漿的方式進行填充。中盾注漿系統如圖1所示，A液漿和B液漿分別通過注漿泵送至混合泵進行混合，最終進入中盾位置的開挖間隙內以達到填充的目的。

圖1 中盾注漿系統示意

1.2 新型填充漿液材料

同步注漿漿液直接作用在管片壁后和土層之間的開挖間隙中，因此，應選用凝結快、強度高、與地層和管片外壁黏結性能好的漿液[13]。而中盾注漿漿液主要作用在盾殼與土層的間隙中，一方面要考慮漿液與土體的作用效果，如抗壓縮性能等，另一方面則要考慮漿液對盾殼的摩擦和黏滯作用。因此，不同于同步注漿漿液，中盾注漿材料除了應具有一定的強度和良好的抗壓縮性能外，還要求對盾殼產生的阻力不能過大，以防止漿液卡住盾殼，造成推力過大的情況。

選用水泥、粉煤灰和膨潤土作為A液漿的主要原材料，B液漿則為促進漿液快速凝結的水玻璃溶液，各種材料的類型及作用如下。

(1)水泥

水泥為組成漿液最重要的膠凝材料，其用量是提高漿液強度最明顯的指標，本試驗采用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，其自然凝結下28 d的抗壓強度可達到43 MPa。

(2)粉煤灰

粉煤灰是一種工業燃燒產生的廢料，而在工程中通過摻加粉煤灰可以改善漿液的和易性、降低收縮率，同時粉煤灰還擁有一種火山灰效應[14-15]，這種效應使漿液凝結后的強度仍能繼續增長。本試驗選用某公司生產的I級粉煤灰原料。

(3)膨潤土

膨潤土具有良好的吸水膨脹性和觸變性，適當的膨潤土用量可以提高漿液保水能力、增強抗析水能力。本次試驗選用工程上常用的鈣基膨潤土。

(4)水玻璃

水玻璃為硅酸鹽水溶液，俗稱泡花堿，與水泥漿混合時可起到膠凝迅速、一體化的作用，且其可以與水泥發生化學反應，改善漿液性質，還具有一定的防水、防酸效果。本次試驗取用45°Bé的水玻璃溶液作為B液的主要材料，試驗時通過加水進行了稀釋以配置不同波美度的B液。

2 漿液配比試驗

2.1 正交試驗配比設計

由于本試驗漿液采用5種(包含水)原材料，如果按每組材料4種添加配比則需進行54=625組試驗，且每組數據的重復比例也比較高。因此，本次試驗決定采用正交試驗[16]方法，用最少的試驗次數涵蓋最多的試驗可能，建立了5因素(5種原材料)、4水平(每種材料4種配比)共16組配合比試驗。雙液漿的凝結過程區別于傳統單液漿，由于水玻璃溶液的添加導致漿液的凝結時間很短，而雙液漿的凝結又可分為化學膠凝和物理凝結，化學膠凝時間很短、凝結標準難以判斷，特別是對于盾構法注漿材料，化學膠凝和物理初凝時間均很短，更加不好確定。因此，不明確區分化學膠凝和物理初凝過程，統一為初凝時間，并通過倒杯法(傾斜45°的穩定時間)和維卡儀法(試針落差1 mm時)對每組試驗的初凝時間進行測定。正交試驗配比情況及初凝時間結果如表1所示。

表1 正交試驗配比及初凝結果

2.2 漿液性能分析

2.2.1 初凝時間

添加了水玻璃溶液的雙液漿會在極短時間內產生化學膠凝作用，而上下兩層漿液由于顆粒的沉淀會造成濃度的差異，進而影響漿液的化學膠凝效果。因此，在表1的個別配比組中能夠明顯看到，由上層漿液和下層漿液凝結時間差所產生的分層現象(如圖2(a)、圖2(b))。這種不良現象會造成一定的離析，影響漿液的和易性甚至凝結后的早期強度[17]，作為填充漿液是應該被避免的，故排除表1中初凝時間差較大的4個組：1、2、5、6。同時，漿液初凝時間不宜過短，否則容易發生管路堵塞并影響漿液擴散和流動[18]，已有研究表明[9，19-20]，雙液漿初凝時間應控制在90～150 s，同樣應該排除4、8、9、12、13五組。最后，在余下的7組中不難發現，盡管材料配比略有差異，但水膠比均在2.0～3.0之間，這相比于傳統的盾構同步注漿漿液(水膠比0.6～0.9)和混凝土(水膠比<0.5)差異較大[21-23]。因此，相對而言，余下7組的配比差異并不明顯，再結合初凝時間在90～150 s內若更靠近中間值120 s左右會更加有保證。鑒于此，最終選定了初凝時間最合適的配比組14，后續試驗和應用效果分析以組14為基礎進行研究。

圖2 漿液分層現象和維卡儀測定

2.2.2 抗壓強度

對組14的漿液進行抗壓強度測試，試驗采用單軸壓縮儀分別測量漿液在養護凝結1，3，7，28 d的強度，試驗結果如圖3所示。可以看出，漿液在7 d以內的強度變化不明顯，說明其早期強度性能的變化比較穩定，而盾構往往會由于一定原因停機一小段時間，這正好可以避免由漿液強度過快增長所導致對盾殼的過大摩擦阻力。

圖3 不同凝結時間漿液的單軸抗壓強度

2.2.3 固結壓縮特性

漿液從中盾位置注入開挖間隙后會受到地層應力的固結壓縮作用，此時，漿液的抗壓縮性能對地層沉降變形起到了很大作用，壓縮模量Es為表征巖土類材料抗壓縮性能的指標，Es越大的材料，其抗壓縮性能越強。本試驗采用高壓固結儀測定組14配比初凝后的漿液分別在0～50 kPa、50～100 kPa、100～200 kPa、200～300 kPa階段的不排水壓縮模量，結果如圖4所示。其中，100～200 kPa階段的壓縮模量結果為10.7 MPa，在黏性土的范疇內屬于中壓縮性；而200～300 kPa的固結應力比較符合工程中盾殼周圍的圍巖應力值，且該階段的壓縮模量達到了20 MPa以上，按黏土指標屬于低壓縮性，具備一定的抗壓縮性能。

圖4 不同固結應力階段漿液的壓縮模量

2.2.4 漿液穩定性能

盡管漿液滿足自然條件下的凝結特性、強度和壓縮性能，但為能將其應用到富水等復雜地層中，還必須具備一定的穩定性。鑒于此，通過試驗測定了組14漿液的滲透系數、稠度和泌水率。

(1)滲透系數

配制的雙液漿在性狀上與黏性土相似，即內部存在大量的結合水，依據達西定律的常水頭滲透儀試驗無法對其進行滲透系數的測定，因此，本次試驗采用變水頭滲透儀讓凝結的漿液受到高水壓差的作用，并用式(1)計算滲透系數k值，其公式如下

(1)

式中，k為待測定的滲透系數，cm/s；a為變水頭管的截面積，cm2；L為滲流路徑長度，即試樣高度，cm；Δt為滲流時間，s；H1、H2分別為起始水頭和終止水頭，cm。

(2)稠度

稠度試驗采用砂漿稠度儀進行測定，首先將漿液灌入砂漿筒內至離筒口約10 mm，然后調節測量圓錐使其與漿液表面接觸，最后放開固定螺絲使圓錐體自由沉入10 s后，測量出下沉距離即為稠度值，圓錐體下沉的距離越小，表示稠度越高、漿液越黏稠。

(3)泌水率

配置好的漿液經充分攪拌后注入量筒中，靜置3 h后測得表明，上浮的清水體積與漿液總體積之比即為泌水率，普通單液漿泌水率一般保持在5%以下即可滿足工程應用。

將試驗測得的滲透系數、稠度和泌水率整理如表2所示，并與工程中常見材料的性能進行對比，可以發現，本試驗配比漿液的滲透系數達到了粉土水平，具有較低的滲透性；較普通單液漿來說，其稠度較大，泌水率極低，說明其具有良好的穩定性。

表2 滲透系數、稠度、泌水率試驗結果及對比

3 應用可行性分析

3.1 模型試驗

3.1.1 模型試驗設備及流程

為評估本漿液在填充開挖間隙后對盾殼的摩阻效果，依托北京某高校大型盾構模型試驗平臺，進行了自動化盾構掘進及信息采集模型試驗，整體試驗模型及示意效果如圖5所示。本次試驗采用的立方體土箱尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，盾體模型為φ309 mm×200 mm的空心圓柱體，且帶有開挖直徑為314 mm的刀盤模型，由于盾體直徑與土箱長度相同，因此，本模型實際上簡化了盾構通過后管片的拼裝過程。盾構每推進300 mm進行一次排土和數據采集，同時，在土箱中間位置的盾體正上方每隔300 mm設置1個注漿管路，共設置4個。數據采集系統使用TML公司生產的TDS-303數據采集儀，除此之外，整體模型還具有水壓加載系統等。本次試驗土樣取自北京地鐵12號線西壩河站—三元橋站區間的粉質黏土。

圖5 模型試驗系統(單位：mm)

3.1.2 試驗效果分析

由于本次試驗主要研究漿液對盾殼的摩擦作用，因此，主要采集盾構推力參數進行分析，同時為避免端頭效應的影響，取盾構刀盤推進至端頭600 mm位置時開始采集，此時注漿管路①位于刀盤后100 mm位置。分別進行不填充漿液、填充漿液即刻推進、填充漿液停機24 h后推進3組試驗，在預留注漿管路位置進行注漿和數據采集，每組試驗共采集4次數據，由于每次推進、排土加采集數據過程的時間不會超過20 min，因此，相對于停機24 h可以忽略。

將試驗數據整理(圖6)可以看出，未填充漿液時的推力平均值呈現出良好的線性遞增關系，且經過數據擬合后的R2=0.965 7，說明高度線性相關，這可以解釋成隨著盾構的逐步開挖，其盾殼在土中的嵌入量也逐漸增多，故盾構推力也會呈現一定的線性增長。填充漿液的點并沒有呈現出明顯的線性關系，而是隨著推進距離的增加，推力平均值的增量反而減小，這說明相對于土體直接作用在盾殼上來說，填充漿液與盾殼作用的摩阻力更小。因此，通過本次模型試驗可以發現，即使停機24 h的填充漿液也并未大幅增加盾殼的摩擦阻力，且相對于土體，漿液反而會起到一定的潤滑作用。

圖6 模型試驗盾構推力變化情況

3.2 工程應用效益對比

3.2.1 工程簡介

北京地鐵12號線西壩河站—三元橋站區間埋深16.9～24.5 m(至隧道拱頂)，區間采用2臺開挖直徑為6 610 mm的土壓平衡盾構施工，其中，盾體(中盾)直徑6 600 mm，盾尾直徑6 590 mm，盾尾間隙約30 mm，管片襯砌選擇C50混凝土，環寬1.2 m。盾構(左線)穿越既有地鐵10號線段剖面位置關系如圖7所示，其最小穿越凈距約2.19 m，本工程穿越方案在145～213環段采用克泥效工法[24]。

圖7 西壩河站—三元橋站區間下穿既有10號線段剖面位置(單位：m)

3.2.2 經濟效益對比

對西壩河站—三元橋站區間穿越10號線段使用克泥效泥漿的成本進行計算，如式(2)所示

(2)

式中，C為總成本，元；n為使用漿液的總環數，按本工程取68環；b為管片環寬，m；dc為盾構開挖直徑，m；dm為中盾直徑，m；u為每環漿液的單價，元，u=pm，p、m的取值按表3計算。

表3 新型泥漿與克泥效單價及用量

經過計算，本工程在穿越10號線的68環之間，采用克泥效的原料總成本為27 138元(僅左線)，而使用新型雙液漿的原料成本僅為2 694.5元(僅左線)，二者相差近10倍的經濟效益。因此，本文新型填充雙液漿經濟效益可觀，可考慮在盾構施工階段大面積使用。

4 結論

設計了一種用于開挖間隙填充的新型雙液漿，通過正交試驗找到了該漿液的最優配比，在此配比基礎上對漿液的強度、壓縮特性和穩定性進行了分析；并結合模型試驗和實際工程對其應用效果進行了對比，從而驗證了研制的新型填充漿液具有一定的應用價值，可為中盾注漿材料的發展和優化提供全新的思路。具體總結如下。

(1)盡管中盾注漿工法對地層的良好沉降控制效果已得到共識，但填充漿液的配比和選擇還是有待發展和廣泛應用的，本文研制的新型漿液正是考慮了作為中盾注漿材料應具有的特性。

(2)本漿液具有初凝時間短、強度增長緩慢、抗壓縮性強及穩定性良好的特性，在性能方面適用于盾構開挖間隙的填充。

(3)室內模型試驗表明，填充漿液對盾殼的摩擦阻力不大，且相對于土體對盾殼的作用，漿液的填充反而會起到一定的潤滑減阻效果。

(4)對比北京地鐵12號線西壩河站—三元橋站區間下穿既有10號線段的克泥效工法，采用新型填充雙液漿僅單線的材料成本可降低約10倍，其經濟效益可觀，可考慮在盾構施工階段大面積使用。