復(fù)合地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工同步注漿研究與應(yīng)用

邵海龍 何 新 商洪峰

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

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復(fù)合地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工同步注漿研究與應(yīng)用

邵海龍 何 新 商洪峰

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

介紹了盾構(gòu)施工工程注漿技術(shù)特點(diǎn)，通過調(diào)整膠砂比及膠凝體系，系統(tǒng)比較了不同配比的砂漿的稠度、流動(dòng)性、泌水率、強(qiáng)度等相關(guān)性能，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用效果，得到了適合高滲透性富水復(fù)合地層的同步注漿漿液，為以后類似工程提供借鑒。

盾構(gòu)，復(fù)合地層，同步注漿，試驗(yàn)

0 引言

盾構(gòu)法由于施工過程對地面環(huán)境影響小，施工速度快、安全而成為在城市地鐵隧道以及市政設(shè)施隧道施工的一種重要手段。在盾構(gòu)法隧道的施工中，盾構(gòu)機(jī)刀盤的開挖直徑大于管片外徑，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，管片拼裝完畢并脫離盾尾后會(huì)與周圍土體形成一個(gè)環(huán)形間隙，稱為盾尾間隙。施工產(chǎn)生的盾尾間隙除了會(huì)造成地面沉降以外，還會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制，并對管片拼裝、隧道止水產(chǎn)生不利影響；因此進(jìn)行盾尾處注漿是盾構(gòu)施工中必要的關(guān)鍵工序。同步注漿不僅可以控制地層位移，減少對周邊及地下結(jié)構(gòu)物的擾動(dòng)；同時(shí)可充當(dāng)環(huán)外第一道防水線，對維持隧道的穩(wěn)定性十分重要。

本文針對同步注漿的特性，結(jié)合上軟下硬復(fù)合地層地質(zhì)條件，制備適合實(shí)際工程使用的以粉煤灰為主，復(fù)摻水泥和膨潤土的活性同步注漿砂漿。

1 注漿方式及工程地質(zhì)

1.1 注漿方式

本盾構(gòu)機(jī)的同步注漿系統(tǒng)采用常用的砂漿注漿方式，由地面拌漿系統(tǒng)拌制后，通過攪拌車運(yùn)送至三號車架，利用車架上的設(shè)備泵送至一號車架上的漿桶，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，通過6點(diǎn)注出口注入土體，及時(shí)充填建筑空隙，防止地面沉陷。為了保證同步注漿漿液能有效的注入土體，必須保證6點(diǎn)位置管路注出口的壓力分別大于相應(yīng)各位置盾尾泥水壓力，由于考慮到隧道上浮等因素，注入量也會(huì)因此進(jìn)行調(diào)節(jié)，直接導(dǎo)致注漿壓力的調(diào)整，四個(gè)斷面的注漿壓力設(shè)定差值略小于理論值。

注漿壓力的確定，注漿壓力根據(jù)該公式P=P1+P2+P3進(jìn)行設(shè)定；其中P為注漿壓力；P1為相應(yīng)位置的切口水壓力；P2為管阻(根據(jù)長江隧道管阻壓力試驗(yàn)，取2bar)；P3為常數(shù)，取1.5bar，P上=P+1bar，P下=P-1bar。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程盾構(gòu)在掘進(jìn)至約里程SDK4+710處，需穿越礫砂、圓礫及卵石和砂巖層等復(fù)合地層，屬于國內(nèi)較為復(fù)雜的復(fù)合地質(zhì)條件工程之一，其盾構(gòu)掘進(jìn)段(SK4+710～SK4+810)區(qū)間江底至盾構(gòu)機(jī)底部地質(zhì)情況詳見表1。

表1 硬巖段地層分布一覽表

該掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)比較復(fù)雜屬于上軟下硬復(fù)合地層，盾構(gòu)主要穿越砂礫、圓礫及卵石和粉砂巖地層；在砂礫，卵石地層中，其母巖成分以石英砂巖，燧石及灰?guī)r為主，滲透系數(shù)10-4m/s，為高透水的砂卵石地質(zhì)，自穩(wěn)性差；強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層其石英含量達(dá)到65%，平均強(qiáng)度約60MPa～80MPa，最高達(dá)120MPa，屬于高強(qiáng)度硬巖。

為實(shí)現(xiàn)壁后注漿的目的和要求，注入漿液必須迅速、充分的填充盾尾空隙，綜合分析地質(zhì)及工程特性，本區(qū)段選用少量摻入水泥的硬性漿液進(jìn)行盾尾同步注漿。注漿漿液應(yīng)具有以下特點(diǎn):

1)良好的和易性(流動(dòng)性)且離析少，3h流動(dòng)度大于18cm；

2)漿液的固化時(shí)間可以控制，可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)固化(8h～24h)，既不會(huì)漿液固化太快造成漿液管堵塞，也不會(huì)太慢，以致無法約束管片的位移，并產(chǎn)生隧道在漿液中漂移的現(xiàn)象；

腹痛是AP的重要癥狀，本組術(shù)后腹痛發(fā)生率達(dá)5.95%，其中的12.5%患者進(jìn)展為AP。通過對腹痛評分的ROC曲線分析，預(yù)測 EUS-FNA術(shù)后AP腹痛評分的臨界值為5.5分。為了減少EUS-FNA術(shù)后AP的誤診和便于臨床應(yīng)用，當(dāng)腹部疼痛評分>5分時(shí)需要定時(shí)監(jiān)測血清淀粉酶。

3)有一定的早期強(qiáng)度，其數(shù)值與原狀土的強(qiáng)度相當(dāng)，漿液的固化過程中不發(fā)生泌水現(xiàn)象，硬化后的體積收縮率小，滲透系數(shù)小；

4)應(yīng)有合適的稠度(10cm～14cm)，不被泥水和地下水稀釋；

5)有較好的強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)性能，且在泥水的作用下不會(huì)降低。

2 試驗(yàn)材料及配合比

2.1 試驗(yàn)材料

水泥：南京海螺P.O42.5普通硅酸鹽水泥，相關(guān)性能見表2。

粉煤灰：南京華能Ⅱ級灰，相關(guān)性能見表3。

砂：江西贛江細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)1.9，含泥量2.1%。

減水劑：山西桑穆斯建材化工有限公司生產(chǎn)的萘系列緩凝高效減水劑。

拌合用水：自來水。

表2 水泥性能指標(biāo)

表3 粉煤灰性能指標(biāo) %

2.2 試驗(yàn)配合比

本階段同步注漿砂漿的膠凝材料體系由水泥、粉煤灰和膨潤土共同組成。其中水泥的摻入對砂漿早期強(qiáng)度的形成貢獻(xiàn)較大，但一定程度上將縮短漿液的凝結(jié)時(shí)間；粉煤灰為火山灰質(zhì)材料，具有潛在的堿激發(fā)活性，是砂漿形成膠凝能力的主要原因之一；膨潤土的引入主要為提升砂漿的工作性能。此外，膨潤土遇水膨脹的特性還能補(bǔ)償砂漿的干燥收縮、減少微裂縫的生成，增加砂漿的粘結(jié)能力。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)室通過調(diào)整膠砂以比及膠凝材料體系進(jìn)行試拌，從中優(yōu)選出5組配合比進(jìn)行比較，如表4所示。

表4 試驗(yàn)配合比

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 工作性

砂漿的稠度、流動(dòng)度、分層度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間等性能依照砂漿基本性能試驗(yàn)JGJ/T70—2009建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，流動(dòng)性參照T0507—2005水泥膠砂流動(dòng)度測定方法進(jìn)行；試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 砂漿性能指標(biāo)

由表5可知，膠砂比對砂漿稠度的影響顯著，當(dāng)膠砂比由0.36增至0.44時(shí)，砂漿的稠度和流動(dòng)度增加非常明顯，隨著時(shí)間的增長，且稠度和流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失也有明顯的下降趨勢；這是因?yàn)榕驖櫷恋闹饕V物成分為蒙脫石，具有高分散性、吸附性、吸水膨脹等特性，在水解后能夠使砂漿的穩(wěn)定性提高，同時(shí)其滑動(dòng)效應(yīng)可提高砂漿的滑動(dòng)性及可泵性，避免或減少砂漿在泵送的過程中堵管現(xiàn)象的發(fā)生，且遇水膨脹的特性還能補(bǔ)償砂漿的干燥收縮、減少微裂縫的生成，增加砂漿的粘結(jié)能力[4,5]，摻入粉煤灰能明顯增大新砂漿的漿體體積，大量的漿體填充了骨料間的孔隙，包裹并潤滑骨料顆粒，從而使砂漿拌和物具有更好的粘聚性和流動(dòng)性。粉煤灰的形貌效應(yīng)可以減少漿體—骨料間的界面摩擦，在骨料的接觸點(diǎn)起滾珠軸承效果，從而改善砂漿的工作性能；同時(shí)泌水率隨著膠砂比的增加有減小的趨勢，這是因?yàn)槟z凝材料與水的水化反應(yīng)加大，使砂漿中的自由水減少，同時(shí)膨潤土本身有很強(qiáng)的吸濕性，從而導(dǎo)致泌水率的減小。砂漿的凝結(jié)時(shí)間也隨著膠砂比的增大而增加。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度

參照J(rèn)GJ/T70—2009建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)對上述配比制得的砂漿進(jìn)行3d,7d及28d強(qiáng)度測試，得出砂漿的抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系見圖1。

由圖1可知，砂漿抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長而提高，隨膠砂比的增加而增大。膠砂比越高意味著膠凝材料用量越大，膠凝材料生成的水化產(chǎn)物也越多，因而抗壓強(qiáng)度得到提升。綜合考慮本工程特點(diǎn)的地質(zhì)情況，結(jié)合漿液的工作性、早期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度發(fā)展趨勢以及經(jīng)濟(jì)性等因素，選用膠砂比為0.42配比的活性漿液進(jìn)行該區(qū)域的同步注漿。

3 沉降監(jiān)測及結(jié)論

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程對盾構(gòu)段同步進(jìn)行監(jiān)控量測，監(jiān)控量測的結(jié)果將對同步注漿配比及注漿量的調(diào)整提供重要依據(jù)。結(jié)合工程及地質(zhì)特點(diǎn)，本區(qū)域監(jiān)測報(bào)警值設(shè)置為：沉降速率3mm/d；累計(jì)沉降量-30mm,+10mm，“-”表示沉降，“+”表示上抬，監(jiān)測數(shù)據(jù)整理后見表6。

表6 監(jiān)測數(shù)據(jù)表 mm

從表6可知，對于復(fù)合地質(zhì)條件下采用H4組配合比能夠很好的控制地面沉降及管片的上浮，提高了隧道的整體穩(wěn)定性；可有效封堵該富水復(fù)合地層中的承壓水，且漿液的工作性能良好、注漿過程中未發(fā)生堵管現(xiàn)象，工程實(shí)際應(yīng)用效果較好，滿足該高滲透性富水地層中盾構(gòu)掘進(jìn)施工同步注漿要求。

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Studyandutilizationofsynchronousgroutingduringshieldconstructiononcomplexgeologicalcondition

ShaoHailongHeXinShangHongfeng

(CCCC Tunnel Engineering Co.， Ltd， Beijing 100088， China)

Thispaperintroducedthegroutingtechnologycharacteristicsofshieldconstructionengineering,throughtheadjustmentofcementsandratioandgelsystem,systemcomparisonofdifferentratiomortarconsistency,mobility,bleedingrate,strengthandotherrelatedproperties,combiningwiththeapplicationeffectofengineeringpractice,obtainedthesynchronousgroutingslurrysuitableforhighpermeabilitywaterrichandcomplexformation,providereferencedforsimilarproject.

shield,compositeformation,synchronousgrouting,test

1009-6825(2015)01-0184-03

2014-10-20

邵海龍(1985- )，男，助理工程師； 何 新(1988- )，男，助理工程師； 商洪峰(1987- )，男，助理工程師

U

A