高密度盾構(gòu)隧道壁后注漿開發(fā)及對地層沉降影響

陳榮泰 朱曉潔 鐘小春 杜雪山 槐榮國 王 敏 陳旭泉

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 510180；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210098；3.中鐵五局集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽 550003）

0 引言

盾構(gòu)管片拼裝好后管片與周圍土體之間存在一定的間隙，稱之為盾尾空隙。對于盾尾空隙一般采用同步注漿的方法進(jìn)行處理，如圖1 所示。注漿效果的好壞對沉降的控制至關(guān)重要，目前工程施工多采用單液漿注漿，單液漿可以分為兩類，一類是硬性漿，以水泥為主要膠結(jié)物；一類是惰性漿，以粉煤灰為主要膠結(jié)物[1]。

圖1 盾尾空隙示意圖

目前對盾構(gòu)隧道壁后注漿的研究中，葉飛等[2]采用理論推導(dǎo)，得到了漿液擴(kuò)散半徑及對管片產(chǎn)生壓力的計(jì)算式。朱令等[3]基于等效連續(xù)化模型和彈性地基梁理論，建立盾構(gòu)隧道縱向分析模型，對壁后注漿引起盾構(gòu)隧道上浮對結(jié)構(gòu)的影響開展了研究。鐘小春等[4]探究了地層中粉細(xì)砂在壁后注漿中的再利用可行性。袁小會等[5]用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對硬性漿液的流變特性和流變參數(shù)進(jìn)行了測定，進(jìn)而導(dǎo)出注入盾尾空隙過程中注漿壓力傳遞公式。梁宇等人[6]推導(dǎo)了基于漿液黏度時(shí)變性的漿體固結(jié)變形方程和漿液壓力消散方程。

盾構(gòu)壁后注漿主要存在漿液的泵送性和充填性這一對矛盾。有關(guān)學(xué)者已經(jīng)開始進(jìn)行新型漿液的研制。節(jié)妍冰等人配置的新型漿液經(jīng)蘇州地鐵二號線施工驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該漿液在地層沉降的控制上具有明顯的優(yōu)勢[7]。路明鑒研究了消石灰、粉煤灰、膨潤土、砂、水和減水劑為原料的新型漿液，并在粘土和富水砂土地層中均取得了良好的效果[8]。楊麗冰結(jié)合膨脹巖區(qū)域地質(zhì)條件，分析膨脹巖特性及目前盾構(gòu)隧道壁后注漿材料可能存在問題，提出膨脹巖地區(qū)盾構(gòu)隧道壁后注漿材料要求[9]。

基于前人的研究和現(xiàn)有工程中存在的問題，本文對原有硬性漿漿液配方加以改進(jìn)，配制出高密度新型漿液，通過對漿液的性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測定，發(fā)現(xiàn)所配置漿液具有良好的流動性且泌水率低，在注漿的過程中不易發(fā)生離析和堵管等現(xiàn)象。結(jié)合工程實(shí)際，驗(yàn)證了本文提出的高密度漿液的效果。

1 高密度漿液開發(fā)研究

1.1 漿液應(yīng)具有的基本性能

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中對周圍土體產(chǎn)生擾動，并在盾殼與管片之間形成一定的間隙，必須進(jìn)行同步注漿。為了解決以上盾尾壁后注漿那一對矛盾，需要開發(fā)新型盾尾壁后注漿液。新型漿液必須要較好的流動性有利于漿液的泵送，其經(jīng)時(shí)損失低；而且需要較高的密度，達(dá)到較低的體積收縮率和較高的充填率。

1.2 高密度漿液的原料成分及比例

針對目前盾尾漿液中存在一對矛盾，即漿液泵送性和充填性的矛盾，在目前的壁后注漿液中增加了觸變劑，如圖3 所示，漿液配方如表1 所示。

圖3 壁后注漿中摻入的觸變劑

表1 漿液設(shè)計(jì)配比（單位:kg/m3)

2 漿液性質(zhì)試驗(yàn)與分析

2.1 漿液性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)組漿體的基本性質(zhì)如表2 所示。低密度的漿液具有較高的體積收縮率，達(dá)到22.3%，注入盾尾空隙后將引起地層較大的沉降，同時(shí)漿液流動性過大，容易發(fā)生漿液沿盾殼流失到開挖面，使得漿液更加難以注滿盾尾空隙。本文中開發(fā)的壁后注漿液具有較高的密度，達(dá)到1.90g/cm3以上，而且漿液的流動性經(jīng)時(shí)變化較緩，如圖4 所示。3 個(gè)小時(shí)后，漿液的流動度仍然達(dá)到280mm 以上，滿足漿液的泵送要求。從圖5 中還可以看出來，靜置一個(gè)小時(shí)后漿液表現(xiàn)出了較好的果凍狀，流動性幾乎失去，但是攪拌后漿液的流動性又得到恢復(fù)，如圖6 所示。這說明新配置的漿液有利于解決漿液的泵送性和充填性的問題。

表2 漿液性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 漿液流動度隨時(shí)間變化曲線

圖5 漿液靜置1h 后的狀態(tài)

圖6 漿液靜置1h 后攪拌后的狀態(tài)

漿液注入盾尾空隙后，漿液在地層壓力的作用下發(fā)生了固結(jié)收縮，開展了漿液的體積収縮試驗(yàn)。試驗(yàn)組2 的體積収縮試驗(yàn)如圖7 所示，注漿壓力分別為100kPa、150kPa，200kPa。從中可以看到在200kPa 壓力作用下，漿液體積收縮率在10%左右，遠(yuǎn)低于常規(guī)低密度漿液的20%以上的收縮率，對地層變形控制更為有利，也有利于早期管片的約束和管片環(huán)水平地基抗力的建立，減少錯(cuò)臺的發(fā)生，確保管片的拼裝平整性。

圖7 不同注漿壓力作用下的體積收縮規(guī)律

3 工程應(yīng)用

廣州地鐵21 號線朱村至象嶺區(qū)間段分為高架橋段和地下段兩部分，地下段部分采用一臺直徑為6.28 米的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，由鳳嶺村出發(fā)，向象嶺站方向掘進(jìn)施工。隧道穿越場地為主要為丘間盆地，盾構(gòu)掘進(jìn)段主要沿國道廣汕公路布設(shè)，該國道車流量大，日平均車流量達(dá)到70000 輛，且多為大型卡車。覆土層從上至下主要為＜1＞素填土，平均厚度2.6m；＜4N-2＞粉質(zhì)粘土，平均厚度3.81m；＜3-1＞粉細(xì)砂，平均厚度2.14m；＜3-2＞中粗砂，平均厚度2.98m；＜3-3＞礫砂，平均厚度3.41m。

該區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)最大風(fēng)險(xiǎn)主要是以下三個(gè)方面：（1）隧道上覆土埋深最低處為6.0m，低于隧道一倍埋深，屬于淺埋：（2）盾構(gòu)穿越全斷面砂層，且滲透性較大，中粗砂滲透性為10-2cm/s 級別，屬于高滲透性地層；（3）盾構(gòu)穿越一級國道廣汕公路，日均車流量達(dá)到7 萬輛，且多為運(yùn)貨卡車，對路面沉降控制較嚴(yán)，更不能出現(xiàn)開挖面塌方、地面塌陷情況。

為此，項(xiàng)目部決定從渣土改良、盾尾壁后注漿和開挖面壓力管理等幾個(gè)方面開展研究工作。論文提出的高密度壁后注漿，解決了漿液的流失和充填性的問題，同時(shí)減少了脫出盾尾管片環(huán)的整體上浮，較好地保證管片拼裝質(zhì)量。如圖9 所示。

施工過程中，在左、右線隧道上方地表橫向每5m 布置一個(gè)地表測點(diǎn)，同時(shí)，在左、右線隧道上方地表每10m 在地面環(huán)境允許的位置布設(shè)一橫斷面，了解盾構(gòu)掘進(jìn)引起的沉降槽寬度、沉降坡度等。整個(gè)施工過程中，地表最大沉降量不超過12mm，且施工過程中未發(fā)生管片上浮錯(cuò)臺等現(xiàn)象，圖9 為拼裝好的隧道曲線圖。選取盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)段右線1～400 環(huán)，繪制橫斷面沉降曲線圖10。

圖9 拼裝后的管片圖

圖10 地表最終監(jiān)測沉降量

由圖10 可以看出來，地表沉降最終被控制在12mm 以內(nèi)，有效的保障了地面交通的通行。且該高密度漿液在泵送過程中流動性良好，并未發(fā)生堵管現(xiàn)象。由此可見，高密度新型漿液可以成功應(yīng)用在富水砂質(zhì)地層中，確保管片的拼裝質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）分析了我國地鐵盾構(gòu)隧道壁后注漿的工程中存在的主要矛盾——漿液的泵送性和充填性的矛盾，認(rèn)為可通過摻入觸變劑配制具有較長時(shí)間流動性、高密度漿液來解決。

（2）在漿液中加入觸變劑能有效地保持漿液較長時(shí)間的流動性，防止高密度漿液因早凝而發(fā)生堵管等現(xiàn)象，同時(shí)觸變性漿液還表現(xiàn)出了較好的觸變性，靜止后漿液呈現(xiàn)果凍狀，泵送時(shí)又恢復(fù)了良好的流動性。

（3）通過在廣州地鐵高風(fēng)險(xiǎn)段盾構(gòu)掘進(jìn)中的應(yīng)用效果證明，配制的高密度的漿液，具有較好地控制地層沉降、減少管片上浮和保證管片質(zhì)量的多重效果。