盾構(gòu)隧道注漿抬升漿液配制技術(shù)

夏漢庸 劉 暢 陳鼐基

(1.寧波市軌道交通集團有限公司，315010,寧波; 2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，201804,上?！蔚谝蛔髡?，工程師)

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盾構(gòu)隧道注漿抬升漿液配制技術(shù)

夏漢庸1劉 暢2陳鼐基2

(1.寧波市軌道交通集團有限公司，315010,寧波; 2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，201804,上海∥第一作者，工程師)

注漿抬升是1種治理軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道不均勻沉降的技術(shù)。其中，漿液性質(zhì)是治理效果的關(guān)鍵因素之一。而漿液的初凝時間關(guān)系到注漿方案的確定,漿液后期強度關(guān)系到隧道治理的長久效果。結(jié)合寧波軌道交通某區(qū)間沉降治理,通過對不同配比的雙液漿及單液漿展開研究,進行了大量室內(nèi)試驗,測定了2種漿液的初凝時間及抗壓強度,為相關(guān)的盾構(gòu)注漿施工提供參考。

盾構(gòu)隧道; 注漿抬升; 漿液配制

First-Author′s address Ningbo Rail Transit Group Corporation,315010,Ningbo,China

軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道不均勻沉降問題普遍存在[1-4],施工期隧道不均勻沉降影響鋪軌,對后期運營速度產(chǎn)生影響,嚴重時會降低隧道結(jié)構(gòu)的承載能力,對行車安全造成威脅。目前,國內(nèi)多采用微擾動注漿法治理盾構(gòu)隧道不均勻沉降[5-6],即通過在沉降隧道縱向均勻布置多個注漿孔,對每一注漿孔實施少量多次注漿,從而達到調(diào)整隧道線性、加固隧道周邊土體、控制隧道沉降的目的。

在抬升工程中,根據(jù)實際情況,既會用到水泥-水玻璃雙液漿(下文簡稱“雙液漿”),也會用到外加速凝劑水泥單液漿(下文簡稱“單液漿”)。實際工程需要考慮建設(shè)工期和空間利用,科學(xué)安排跳孔及同孔注漿的時間間隔,合理緊湊安排注漿。這對漿液的初凝時間提出了一定的要求。

根據(jù)現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn),2種漿液的初凝時間與其漿液配比有著較大的關(guān)聯(lián)[7]?，F(xiàn)有的針對漿液初凝時間的研究還較少,部分研究成果[8-9]中有列出雙液漿的初凝時間與漿液配比的關(guān)系,但其配比范圍較小、初凝時間較短,并不完全適用于盾構(gòu)隧道注漿抬升的實際情況,且其配比中水玻璃的含量較高,造成最終漿液結(jié)石體強度偏低、耐久性能較差[10]。

因此,本文針對雙液漿與單液漿進行了大量的室內(nèi)漿液配比試驗,分析2種漿液初凝時間變化規(guī)律,以滿足工程需要,也為今后的類似工程提供依據(jù)。

1 工程背景

本次試驗研究是基于寧波市軌道交通某區(qū)間隧道抬升的工期需求而進行的。寧波市軌道交通某區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工,推進階段發(fā)現(xiàn)某處地面突然下沉,隨后對盾構(gòu)和成型管片進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)沉降10 cm。沉降發(fā)生后,現(xiàn)場采取了二次注漿、調(diào)整參數(shù)、減低掘進速度、加強監(jiān)測、盾構(gòu)保壓等措施。施工完成后,重新測量發(fā)現(xiàn)隧道最大沉降處沉降量為214 mm,從而導(dǎo)致成型隧道軸線曲率半徑偏小。經(jīng)計算,此情況下設(shè)計調(diào)坡比較困難,因此須對沉降較大區(qū)段進行抬升處理。注漿范圍為第160—180環(huán)。隧道主抬升階段發(fā)生在2013年11月6日—9日。此后抬升量小幅波動。2014年1月—4月期間,隧道受聯(lián)絡(luò)通道施工和上行隧道工后沉降的影響,又出現(xiàn)了10 mm左右的沉降。圖1為隧道第168環(huán)的抬升量變化圖。

圖1 2013年寧波地鐵某區(qū)間第168環(huán)隧道抬升量變化圖

實際工程情況中，下臥⑤1土層離隧道底部只有1.5 m,旁通道左右各20環(huán)預(yù)留注漿孔,管片環(huán)與環(huán)之間有凹凸榫。據(jù)此提出“下部注漿、內(nèi)部支撐、實時監(jiān)控、即時調(diào)整”的思路,確定采用注漿抬升工藝對隧道線形進行整治,由于抬升量較大,在隧道內(nèi)部還額外架設(shè)了支撐體系,控制隧道變形。

注漿工藝[5],以水玻璃和水泥漿體積比為3:1的雙液漿作為注漿材料,水泥漿水灰比0.6～0.7,采用中性水玻璃,波美度(Be′)為35。單次注漿量為80 L,注漿時間4 min左右。其中，水泥漿注漿速度為14～16 L/min;水玻璃注漿速度為5～6 L/min。

通過注漿，隧道抬升量達到甚至超過預(yù)期值,但支撐軸力偏大,并有增大趨勢。為減小軸力以降低后期拆撐風(fēng)險,保證支撐拆除后隧道收斂值在設(shè)計安全范圍內(nèi),制定了單液漿側(cè)向注漿方案。

注漿由第160環(huán)至第180環(huán)，跳2環(huán)注漿,注漿壓力為0.2～0.3 MPa,單次注漿量為50 L,單次注漿時間為4 min。單次注漿深度為20 cm,由管片外20 cm注至100 cm深度。如壓力超過0.3 MPa,則停止注漿。

由于工期原因,需盡快完成注漿,因此要不間斷注漿。為了防止第2次注漿時噴漿,需要配置初凝時間在3 h左右的單液漿,現(xiàn)場經(jīng)過反復(fù)試驗,采用了表1的配比漿液。由于漿液的凝結(jié)效果仍與目標有所差距,因此，進行了實驗室的專題配制研究。借此次實踐機會,積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,同時進行了雙液漿的配比試驗以及后期的強度試驗,即使強度試驗無法對此次抬升工程起到指導(dǎo)作用,也對今后的類似工程有借鑒作用。

表1 單液漿配比表

2 漿液配比試驗

2.1 試驗材料

(1) 水泥。水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其由硅酸鹽水泥熟料、5%～20%的混合材料及適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料組成。

(2) 水玻璃。水玻璃模數(shù)選用3.3,波美度為40。

(3) 速凝劑。選用TD型速凝劑。此速凝劑摻用后對后期強度影響小，呈堿性，無毒無刺激性氣味。

2.2 試驗儀器及步驟

本此試驗采用標準法維卡儀測定漿液的初凝時間,其原理是通過初凝試針插入深度的變化來判斷初凝的完成情況。根據(jù)規(guī)范,當試針的插入深度減小量達到4±1 mm時,可認為漿液達到初凝狀態(tài)。這個過程所花費的時間即為初凝時間。

雙液漿試驗中,首先選定1個配比組,根據(jù)水灰比稱量一定量的水泥和水,將水泥倒入水中并攪拌,制得水泥漿。再根據(jù)水玻璃和水泥漿的體積比及維卡儀試碗的大小量得一定體積的水泥漿和水玻璃,倒入水泥凈漿攪拌機的試碗中攪拌均勻。最后將攪拌好的漿液倒入試碗中。

單液漿試驗與雙液漿試驗不同的是,在稱量水泥的同時,根據(jù)速凝劑摻量稱得一定量的速凝劑,并將水泥和速凝劑混合均勻,再倒入水中攪拌成漿液。

2.3 試驗結(jié)果及分析

2.3.1 初凝時間結(jié)果分析

對于雙液漿,水泥漿與水玻璃的體積比(Vc∶Vs)對漿液初凝時間的影響見圖2。

圖2 Vc:Vs對漿液初凝時間的影響

由圖2可知,在各種工況組合下,漿液初凝時間在1～ 246 min范圍內(nèi)變化。同一水玻璃加量時,漿液的水灰比越大,所需的初凝時間越長。同一水灰比時,漿液初凝時間隨著Vc∶Vs值的增大而增大。當Vc∶Vs<12時,漿液初凝時間在50 min以下,初凝時間的變化幅度較為平緩。當12

對于單液漿試驗,水泥質(zhì)量與速凝劑質(zhì)量的比值(mc∶mtd)對漿液初凝時間的影響見圖3。

圖3 mc∶mtd對漿液初凝時間的影響

由圖3可知,在各種工況組合下,漿液初凝時間在1～561 min范圍內(nèi)變化。同一速凝劑加量時,漿液的水灰比越大,所需的初凝時間越長。同一水灰比時,漿液初凝時間隨著mc∶mtd值的不同呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,當mc∶mtd在2.5～4之間時,漿液的初凝時間先增大后減小,初凝時間在mc∶mtd=3.5時達到最大。當45時,初凝時間的增量逐漸放緩。

2.3.2 抗壓強度結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)有研究,兩類漿液由于初凝時間較短,水泥的水化作用不充分,從而導(dǎo)致漿液的結(jié)石體強度偏低。故本次試驗還檢測了漿液結(jié)石體的抗壓強度,統(tǒng)計結(jié)果見表4、表5。

不同水灰比下Vc∶Vs對結(jié)石體抗壓強度的影響如圖4所示。

由圖4可知,試塊養(yǎng)護3 d后,其抗壓強度隨著Vc∶Vs的增大而增大;養(yǎng)護7 d后的變化趨勢與3 d的相同,但增長趨勢相比養(yǎng)護3 d后有所減緩;14 d后試塊的抗壓強度隨著體積比的增加,呈現(xiàn)出先增加后減小的發(fā)展趨勢;28 d后試塊的抗壓強度相比14 d增長不明顯,強度增長在2 MPa以內(nèi)。Vc∶Vs=8時,漿液的抗壓性能較好。其中，水灰比為0.5時的28 d抗壓強度達到27 MPa。

不同水灰比下mc∶mtd對結(jié)石體抗壓強度的影響如圖5所示。

表4 雙液漿結(jié)石體抗壓強度檢測結(jié)果

表5 單液漿結(jié)石體抗壓強度檢測結(jié)果

由圖5可知,試塊養(yǎng)護3 d、7 d、14 d后,其抗壓強度基本隨著mc∶mtd的增加而減小。并且強度減小的趨勢逐漸變小,其中水灰比為0.5,mc∶mtd=2.7時的28 d抗壓強度達到最大36.1 MPa。

對于埋深小于20 m的結(jié)石體,其上部覆土壓力在0.32～0.40 MPa之間,故試驗所得漿液結(jié)石體在該荷載下均能滿足要求。

2.3.3 漿液配比的選擇

如前文所述,在注漿抬升工程中選擇漿液的初凝時間主要應(yīng)考慮單孔注漿的時間間隔,因此,理論上只要漿液的初凝時間小于單孔注漿時間間隔即能滿足工程需要。然而實際工程中,隧道內(nèi)漿液的配置條件遠不如試驗室,漿液配比會在一定范圍內(nèi)浮動,故在選擇漿液配比時應(yīng)充分考慮這種浮動引起的初凝時間變化。

圖4 不同水灰比下Vc∶Vs對結(jié)石體抗壓強度的影響

由圖3可知,在mc∶mtd=4時,漿液初凝時間達到極小值,其所摻入的速凝劑量少、漿液初凝時間短,理論上該種漿液最經(jīng)濟、合理。但不難看出，當mc∶mtd略大于或小于4時,漿液的初凝時間急劇變化。因此若考慮配比的浮動范圍,該類漿液的初凝時間較難控制,若此時注漿時間間隔與漿液的初凝時間較為接近,則較易發(fā)生噴漿現(xiàn)象。

圖6和圖7為兩種漿液初凝時間變化率與其配比的關(guān)系圖。其中，初凝時間變化率為單位配比值變化量(即mc∶mtd或Vc∶Vs的變化量)所引起的初凝時間的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，雙液漿初凝時間的變化較為平穩(wěn),尤其是在Vc∶Vs<10時,其漿液初凝時間變化率較小,漿液初凝時間與配比的關(guān)系不大。單液漿在mc∶mtd<4且水灰比<0.7時,漿液初凝時間變化較為平穩(wěn),但當水灰比≥0.7時,漿液初凝時間變化率較大。

圖5 mc∶mtd對結(jié)石體抗壓強度的影響

圖6 雙液漿初凝時間變化率

因此,對于Vc∶Vs<10的雙液漿或水灰比<0.7、mc∶mtd<4的單液漿,施工時可對單孔注漿的時間間隔做精細化的控制,而對于mc∶mtd=4、水灰比≥0.7的單液漿,其初凝時間較難控制,使用時應(yīng)適當延長注漿的時間間隔。

圖7 單液漿初凝時間變化率

此外,考慮到雙液漿的性能會隨著時間逐漸衰減[10],在實際工程中,除非在工期特別緊張、注漿時間間隔特別短(小于30 min)的情況下,可采用水泥-水玻璃雙液漿。一般情況下,建議采用調(diào)整配比后的外加速凝劑水泥單液漿進行注漿抬升作業(yè)。

3 結(jié)語

根據(jù)以上試驗研究可知,漿液的凝固特性受多方面因素影響,水灰比、水玻璃加量、速凝劑摻量等都會影響其初凝時間。

水泥-水玻璃雙液漿試驗中,水灰比越大,初凝時間越長。水玻璃加量越大,漿液的初凝時間越短。當Vc∶Vs<12時,漿液初凝時間在50 min以下,初凝時間的變化幅度較為平緩。當12

外加速凝劑單液漿試驗中,水灰比越大,初凝時間越長;當2.55時,初凝時間的增量逐漸放緩。

考慮施工時漿液配比的浮動范圍,并結(jié)合漿液初凝時間的變化率,對于Vc∶Vs<10的雙液漿或水灰比<0.7、mc∶mtd<4的單液漿,施工時可對單孔注漿的時間間隔做精細化的控制；而對于mc∶mtd=4、水灰比≥0.7的單液漿,其初凝時間較難控制,使用時應(yīng)適當延長注漿的時間間隔。

考慮漿液的長期性能,一般情況下,建議采用外加速凝劑的水泥單液漿作為注漿抬升的漿液材料。

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中國中車在印度和南亞建立的首個工廠投產(chǎn)

8月20日，在位于印度新德里和孟買之間的哈里亞納邦巴沃工業(yè)園區(qū)，由中車永濟電機有限公司和印度先鋒貿(mào)易公司合資組建的中車先鋒(印度)電氣有限公司正式投產(chǎn)。這是我國高鐵制造企業(yè)中國中車在印度和南亞建立的首個鐵路工廠。中國中車副總裁余衛(wèi)平表示，中國中車還要進一步建立轉(zhuǎn)向架、車體、牽引系統(tǒng)這些核心部件和整機的工廠。據(jù)介紹，中車先鋒(印度)電氣有限公司主要生產(chǎn)和維修鐵路電機，為印度鐵路提供技術(shù)支持。同時為石油鉆井、風(fēng)力發(fā)電、礦山裝備提供整套電傳動系統(tǒng)。該公司于2014年設(shè)立，總投資6 340萬美元，其中中車永濟電機有限公司持股51%，印度先鋒貿(mào)易公司持股49%。歷經(jīng)兩年多的廠房建設(shè)，如今已具備投產(chǎn)條件。據(jù)了解，印度鐵路是全球最大的鐵路體系之一，鐵路網(wǎng)約64 000 km。中國中車自2007年進入印度市場，迄今為止已經(jīng)為印度提供了地鐵、調(diào)車機車、鐵路電機、曲軸、輪對等鐵路車輛和部件。目前，中國中車已經(jīng)在印度獲得將近300輛地鐵車輛的訂單，這些地鐵列車運行在德里、孟買、加爾各答等城市的地鐵線路上。

(摘自2016年8月22日《科技日報》，記者矯陽報道)

On the Grout Configuration for Shield Tunnel Grouting Uplift

XIA Hanyong,LIU Chang, CHEN Naiji

Grouting uplift is a technical method to treat uneven settlement of shield tunnel in soft soil areas. In engineering, grout properties is a key factor to influence the treatment effect, because the initial setting time of grout concerns the scheme of grouting, and long-term strength of grout concerns the treatment effect. According to the uneven settlement treatment of a shield tunnel section in Ningbo rail transit, laboratory tests are conducted, aiming at the initial setting time and the compressive strength of two kinds of grout with different ratios, which will provide a reference for relevant grouting construction in shield tunnelling.

shield tunnel; grouting uplift; grout configuration

U 455.49

10.16037/j.1007-869x.2016.09.025

2015-06-07)