富水泥巖地層盾構(gòu)同步注漿配比優(yōu)化與試驗(yàn)研究

牟 萬(wàn) 新

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

1 概述

隨著我國(guó)地下空間工程的快速發(fā)展，盾構(gòu)法作為一種快速、安全的施工方法廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道建設(shè)中[1]。一般盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降主要表現(xiàn)為先期下沉、挖掘面下沉、通過時(shí)下沉、盾尾空隙處下沉和后續(xù)下沉[2,3]，其中盾尾空隙下沉占總過程沉降量最大，為了能夠及時(shí)填充盾尾空隙，在盾構(gòu)向前掘進(jìn)的同時(shí)，需要保持一定的壓力不間斷地從盾尾向壁后施作同步注漿。同步注漿的作用過程分為液相流動(dòng)、固相凝結(jié)、結(jié)石體填充三個(gè)過程。為滿足上述過程，漿液需要滿足以下和易性、穩(wěn)定性、耐久性等要求。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)同步注漿開展了大量研究。Youn等[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試了不同成分的漿液的排水固結(jié)過程，模擬盾尾間隙為20 cm時(shí)的漿液的單向固結(jié)。劉健等[5]通過水泥漿黏度時(shí)變性試驗(yàn)，得到不同水灰比的水泥漿液(賓漢姆流體)黏度隨注漿時(shí)間變化的曲線。賀雄飛[6]系統(tǒng)地研究各同步注漿材料對(duì)單液活性漿液性能的影響規(guī)律。吳全立[7]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了同步注漿材料與合理的漿液配合比，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線西沿線盾構(gòu)工程主要下穿風(fēng)化泥巖地層，區(qū)間地下水豐富，盾構(gòu)始發(fā)后下穿高壓線塔、石油管線等多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源。施工過程中，同步注漿漿液在貯存和長(zhǎng)距離輸送時(shí)出現(xiàn)分層、離析、泌水等問題。針對(duì)同步注漿存在的問題，依托實(shí)際工程對(duì)漿液配比進(jìn)行優(yōu)化，通過室內(nèi)試驗(yàn)研發(fā)了同步注漿專用充填劑，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了充填劑的塑化效果，保證了盾構(gòu)隧道的順利安全掘進(jìn)。

2 工程概況

長(zhǎng)春市地鐵2號(hào)線西延線盾構(gòu)工程西湖站—捷達(dá)大路站區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間右線長(zhǎng)831.7 m，左線長(zhǎng)842.6 m，其中西捷區(qū)間隧道剖面如圖1所示。工程采用兩臺(tái)直徑6.28 m的土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，管片外徑6.0 m，厚0.3 m。西捷區(qū)間平面圖如圖2所示，西湖站—捷達(dá)大路站盾構(gòu)區(qū)間下穿多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源，需要及時(shí)進(jìn)行地表監(jiān)測(cè)，下穿過程中需要保證注漿效果，嚴(yán)格控制地層沉降。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為解決長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線西沿線盾構(gòu)區(qū)間工程現(xiàn)場(chǎng)同步注漿單液漿運(yùn)輸過程中的凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、留存率低、離析及堵管問題，對(duì)導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，研發(fā)能夠改良漿液性質(zhì)且不影響其強(qiáng)度和填充效果的同步注漿專用充填劑。通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定充填劑取不同摻量時(shí)漿液的泌水率、凝結(jié)時(shí)間以及其他參數(shù)，確定新型同步注漿專用充填劑最優(yōu)摻量，解決現(xiàn)場(chǎng)同步注漿問題。

3.2 試驗(yàn)材料

現(xiàn)場(chǎng)同步注漿漿液存在泌水大、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、堵管等問題，其配比如表1所示，試驗(yàn)室對(duì)其配比進(jìn)行了改進(jìn)，并添加少量外加劑，試驗(yàn)配比如表2所示。所研發(fā)的同步注漿專用充填劑摻量技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表1 同步注漿工程初始配比

表2 同步注漿試驗(yàn)配比

表3 同步注漿專用充填劑技術(shù)參數(shù)

3.3 泌水率試驗(yàn)

同步注漿漿液的泌水率(也稱傾析率)為靜置漿液上方泌水體積與漿液初始體積之比，反映了漿液離析、分層、泌水的程度，一般同步注漿漿液泌水率要小于5%。泌水率計(jì)算公式為：

(1)

其中，η為每次測(cè)量時(shí)漿液泌水率,%；Vw為漿液上覆泌水體積,mL；V0為漿液初始體積,mL。

為研究同步注漿專用充填劑泌水效果并確定最優(yōu)摻量，取不同摻量充填劑進(jìn)行試驗(yàn)，3 h泌水率作為漿液的最終泌水率，各組漿液泌水率隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

通過分析圖3，同步注漿最終泌水率(3 h泌水率)隨充填劑摻量變化曲線中5%為泌水率上限值，泌水一旦超過此值，則漿液輸送困難無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，3.5%為性能較好漿液的泌水率限值，低于此值漿液泌水抑制效果極好，可適用于長(zhǎng)距離輸送。因此需要充填劑摻量達(dá)到1.0%以上，且1.4%摻量時(shí)最優(yōu)。

3.4 漿液流動(dòng)性試驗(yàn)

同步注漿漿液的流動(dòng)性可通過稠度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，能夠一定程度反映其泵送性能，如圖4所示，稠度不僅反映泵送性質(zhì)還能表征漿液的前期抗沉陷能力。通過稠度儀測(cè)得砂漿隨著同步注漿專用充填劑摻量提高稠度變化曲線如圖5所示。

通過分析圖5漿液稠度隨充填劑摻量變化曲線可以看出，少量的同步注漿專用充填劑就能夠很明顯地增大漿液稠度，加入0.4%時(shí)漿液錐入度由12.6 cm減小到11.2 cm，但隨著充填劑摻量的提高，漿液稠度并沒有單調(diào)增加，而是有上下波動(dòng)，基本維持在10 cm～10.7 cm之間。綜合3.3節(jié)的泌水率結(jié)果，充填劑摻量在1.0%～1.2%時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)效果較好。

3.5 漿液初凝時(shí)間試驗(yàn)

漿液的初凝時(shí)間決定了漿液的可泵性和可操作性，為測(cè)試加入充填劑之后漿液的凝結(jié)時(shí)間，開展了凝結(jié)時(shí)間測(cè)定試驗(yàn)，如圖6所示。

貫入阻力為0.5 MPa時(shí)的對(duì)應(yīng)時(shí)間即為同步注漿漿液的初凝時(shí)間，通過圖7可以看出，為加充填劑時(shí)漿液初凝時(shí)間為270 min左右，充填劑摻量為0.4%時(shí)，漿液初凝時(shí)間為253 min，當(dāng)充填劑摻量提高至1.0%時(shí)，漿液初凝時(shí)間為210 min左右。充填劑摻量提高能夠縮短漿液的初凝時(shí)間，加快漿液固化，保證漿液填充壁后能夠快速凝結(jié)，加固地層。

3.6 漿液?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究不同充填劑添加比例對(duì)漿液固結(jié)體強(qiáng)度的影響規(guī)律，采用NYL-300C型壓力試驗(yàn)機(jī)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的試塊進(jìn)行了不同齡期的無(wú)側(cè)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度值取3個(gè)試塊的平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 同步注漿漿液凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度

通過同步注漿試塊的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著充填劑摻量的提高，漿液的1 d，7 d，28 d抗壓強(qiáng)度均有提高，摻量為0.8%以上的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.45 MPa，滿足不小于3 MPa的工程要求。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線西沿線盾構(gòu)工程對(duì)同步注漿的性能要求，通過室內(nèi)試驗(yàn)研發(fā)了高性能的同步注漿專用充填劑，對(duì)漿液配比進(jìn)行優(yōu)化，滿足施工各項(xiàng)要求。

1)試驗(yàn)改進(jìn)后的漿液配比，大大降低了水泥、粉煤灰和膨潤(rùn)土用量，且通過添加少量的充填劑，使?jié){液泌水率、流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)均滿足工程要求。

2)通過添加1.0%摻量以上的充填劑，可將泌水率控制在3.5%以下。但充填劑的過量摻加會(huì)影響漿液的流動(dòng)性，當(dāng)充填劑摻量要控制在1.4%以內(nèi)時(shí)，漿液稠度能保持10 cm以上，使?jié){液能夠順利輸送，防止堵管現(xiàn)象的發(fā)生。

3)隨著充填劑摻量的提高，漿液初凝時(shí)間縮短，抗壓強(qiáng)度提升，但不能一味提高摻量，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，將充填劑摻量控制在1.0%～1.4%之間，既能控制離析泌水又能滿足塑化和強(qiáng)度要求。