廣州地鐵3號線盾構(gòu)區(qū)間同步注漿施工技術(shù)

孫立功,金 花,龐旭卿,郭亞宇

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000)

1 工程概況

廣州地鐵3號線客—大區(qū)間采用兩條分離式的單線盾構(gòu)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?；炷凉芷r砌,管片外徑6 000 mm,內(nèi)徑5 400 mm,厚度300 mm,寬度1 500 mm,環(huán)間采用錯縫拼裝。1臺盾構(gòu)機施工,盾構(gòu)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(fēng)化帶、〈8〉巖石中風(fēng)化帶、〈9〉巖石微風(fēng)化帶,巖性為泥質(zhì)粉砂巖、〈6〉巖石全風(fēng)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(fēng)化、強風(fēng)化、殘積層。通過地層屬較軟地層,巖質(zhì)較均一,有一定自穩(wěn)能力,但節(jié)理裂隙較發(fā)育,局部易碎裂坍塌。

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

2 盾構(gòu)施工同步注漿技術(shù)

本標(biāo)段采用1臺海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機進行施工。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)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(guān)鍵因素

充填性,限域性(防止流失),固結(jié)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(yīng)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(yīng)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(shù)值與原狀土的強度相當(dāng)。

(5)漿液硬化后的體積收縮率和滲透系數(shù)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(xiàn)上述目標(biāo)并不是一件容易的事。客—大區(qū)間同步注漿選用水泥砂漿,是單液漿,此漿液的優(yōu)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?jié){板流入盾構(gòu)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(xiàn)無漿液充填的現(xiàn)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(jīng)過液體——固體的中間狀態(tài)(流動態(tài)、凝結(jié)及可塑狀凝結(jié))后,固結(jié)(硬化)。但是,由于水泥的水化反應(yīng)非常緩慢,所以達到固結(jié)需要幾個小時。因此注入時要求漿液是流動性好的液態(tài),以利于充填。

客—大盾構(gòu)隧道主要穿過有一定自穩(wěn)性的強風(fēng)化帶和中風(fēng)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(gòu)機在盾尾設(shè)計有止?jié){板,為防止?jié){液和地下水倒流到盾體外部,或進入土倉,但往往在盾構(gòu)機掘進一段后,止?jié){板就會墮掉(由于盾體與土體之間的摩擦)。

在盾構(gòu)始發(fā)的100多m內(nèi),止?jié){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?jié){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?jié){板完整時的注漿模式

盾構(gòu)機掘進一段后,部分止?jié){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?jié){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?jié){板脫落后注漿的模式如圖2所示。

圖2 部分止?jié){板脫落后的注漿模式

盾構(gòu)機從客—大盾構(gòu)始發(fā)端大塘工地始發(fā)時,止?jié){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(gòu)機中間風(fēng)井二次始發(fā)時,有1/4止?jié){板脫落,而且沒能及時修復(fù),所以風(fēng)井始發(fā)洞門無法注飽滿,漏水嚴(yán)重。下面是兩種洞門注漿模式。

止?jié){板完整時的洞門注漿模式如圖3(盾構(gòu)第一次始發(fā))所示。

圖3 止?jié){板完整時的洞門注漿模式

無止?jié){板時的洞門注漿模式如圖4(盾構(gòu)風(fēng)井始發(fā))所示。

圖4 無止?jié){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?jié){液逐漸充填到前方的形態(tài)。

2.2 同步注漿加固設(shè)備

海瑞克盾構(gòu)機自帶自動注漿系統(tǒng),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(yè)部出產(chǎn)的JDY500C型攪拌機,配有自動上料和電子計量系統(tǒng)。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(chǎn)的8 m3運漿車,帶有自動攪拌系統(tǒng)。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(cè)安裝閥門。運漿車到盾構(gòu)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(nèi)(即攪拌罐),連接好注漿管路,并設(shè)定壓力、流量進行注漿。在每個注漿孔出口設(shè)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(shù)參數(shù)

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

表2 〈6〉全風(fēng)化帶、〈5-1〉、〈5-2〉殘積土中漿液配比 kg/m3

表3 〈7〉強風(fēng)化帶漿液配比 kg/m3

表4 〈8〉中風(fēng)化帶、〈9〉微風(fēng)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(chǔ)并結(jié)合地層、線路及掘進方式等考慮。適當(dāng)?shù)娘枬M系數(shù),以保證達到充填實的目的,根據(jù)施工實際,飽滿系數(shù)包括由注漿壓力產(chǎn)生的壓密系數(shù),取決于地質(zhì)情況的土質(zhì)系數(shù),施工消耗系數(shù),由掘進方式產(chǎn)生的超挖系數(shù)等。一般主要考慮壓密系數(shù)和超挖系數(shù)。以上飽滿系數(shù)在考慮時須累計。

同步注漿量經(jīng)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(gòu)施工引起管片背面的空隙，m3；

b——盾構(gòu)切削外徑，m；

d——預(yù)制管片外徑，m；

L——回填注漿段長即預(yù)制管片每環(huán)長度。

λ——注漿率；

λ=a1+a2+a3+a4+1

其中a1——壓密系數(shù)，取0.3～0.5,

a2——土質(zhì)系數(shù)，取0.05～0.15；

a3——施工損耗系數(shù)，取0.1～0.20；

a4——超挖系數(shù)，取0.1～0.2。

在〈6〉全風(fēng)化帶、〈5-1〉、〈5-2〉殘積土中注漿率取120%～150%,在〈7〉強風(fēng)化帶、〈8〉中風(fēng)化帶、〈9〉微風(fēng)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(zhì)、漿液及注入壓力等因素有關(guān)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(shè)備性能、管片強度也有關(guān)系。注漿壓力通常為0.1～0.3 MPa,一般計算是不準(zhǔn)確的,必須結(jié)合現(xiàn)場實際情況和地面沉降監(jiān)測分析數(shù)據(jù)來確定。本工程注漿壓力統(tǒng)計結(jié)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn),以注漿壓力控制注漿過程為主；如果地層自穩(wěn)性好,地下水壓小時,以注漿量控制為主。

客—大盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)的前200 m內(nèi)是〈5〉、〈6〉號地層。理論注漿量為6.0 m3,海瑞克盾構(gòu)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(jīng)常有凝結(jié)的水泥塊,根據(jù)經(jīng)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(shù)就是600個。

海瑞克盾構(gòu)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(yīng)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(yīng)達到150沖程,注漿壓力控制在0.15～0.3 MPa；

(3)當(dāng)4條注漿管的沖程與掘進長度不成比例,注漿量偏小時,調(diào)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(diào)大；

(5)當(dāng)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(yīng)與掘進速度相匹配,所以注漿泵的單環(huán)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(nèi)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(wěn)定,Qv與t是線性關(guān)系。

同步注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為注漿壓力達到設(shè)計壓力,注漿量達到設(shè)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(jié)論

(1)在硬巖地段盾構(gòu)注漿易采用同步注漿和二次注漿相結(jié)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(jié)率、強度等指標(biāo)的基礎(chǔ)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(fā)育時,漿液的凝膠時間調(diào)短。

(2)在自穩(wěn)能力較差的強風(fēng)化、全風(fēng)化巖地層和黏土層,盾構(gòu)注漿,單液漿和雙液漿都可選,凝膠時間適當(dāng)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(wěn)性差的軟弱黏土地層,盾構(gòu)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(jīng)很小,因此同步注漿時,可適當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(gòu)始發(fā)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(jié)體強度,保證開挖面安全并防止從洞口處漏漿。

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