多重注漿在大直徑地鐵隧道質(zhì)量控制中的作用

張君 張宗來(lái) 黃亞斌

中鐵建大橋工程局集團(tuán)第二工程有限公司，中國(guó)·廣東 深圳 518000

1 工程概況

中國(guó)成都軌道交通19 號(hào)線二期工程土建5 工區(qū)盾構(gòu)區(qū)間由溫家山路站—牧華路站、牧華路站—怡心湖站兩部分組成。該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，雙孔圓形隧道，管片為鋼筋混凝土管片，外徑8.3m、內(nèi)徑7.5m。區(qū)間總長(zhǎng)度為3542m，穿越地層主要為<7-1-3>中風(fēng)化泥巖、<6-8-3>密實(shí)卵石土及其復(fù)合地層，其中溫—牧區(qū)間屬于低瓦斯區(qū)段，牧—高區(qū)間屬于微瓦斯區(qū)段。牧華路站—怡心湖站盾構(gòu)區(qū)間右線長(zhǎng)度為1521m、左線長(zhǎng)度為1506m，區(qū)間隧道最大埋深約25m，最小埋深10m，最小曲線半徑1540m，最大坡度9.97‰，共設(shè)置2 座聯(lián)絡(luò)通道，無(wú)泵房。溫家山路站—牧華路站盾構(gòu)區(qū)間右線長(zhǎng)度為257m、左線長(zhǎng)度為257m，區(qū)間隧道最大埋深約15m，最小埋深11m，最大坡度20.913‰（如圖1所示）[1]。

圖1 溫家山路—牧華路—怡心湖站盾構(gòu)區(qū)間線路走向圖

2 .多重注漿方式選擇

2.1 同步注雙液漿

近年來(lái)，盾構(gòu)法憑借其安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各大城市地鐵建設(shè)中。在盾構(gòu)隧道施工中，剛脫離盾尾的管片經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)成型管片上浮量較大導(dǎo)致隧道軸線高程超限，進(jìn)而引起管片錯(cuò)臺(tái)和破損等質(zhì)量通病，影響地鐵的正常運(yùn)營(yíng)。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中常規(guī)注水泥水玻璃雙液漿對(duì)抑制管片上浮可以起到一定的作用，但存在抑制上浮效果不明顯、投入的注漿材料數(shù)量較大不經(jīng)濟(jì)等缺陷。為此，本項(xiàng)目對(duì)盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)加以改進(jìn)，盾尾同步注入雙液漿，注入后的雙液漿短時(shí)間內(nèi)形成塑性體，該塑性體對(duì)管片的浮力低，抗水分散性明顯加強(qiáng)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，隧道管片上浮量較小，盾尾空隙注漿填充飽滿，注漿量明顯降低，基本解決了長(zhǎng)期困擾盾構(gòu)施工的控制隧道上浮難題。

成都軌道交通19 號(hào)線二期工程土建5 工區(qū)投入兩臺(tái)直徑8650mm（刀盤(pán)）盾構(gòu)機(jī)配備了同步注雙液漿系統(tǒng)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)控制成型管片質(zhì)量和抑制上浮取得了良好效果。未安裝此雙液漿系統(tǒng)的盾構(gòu)在中風(fēng)化泥巖地層采用注水泥水玻璃漿防管片上浮措施，但管片上浮量在70～100mm；安裝此雙液漿系統(tǒng)的盾構(gòu)在采用注雙液漿的同時(shí)水泥水玻璃漿注漿頻率降低，管片上浮量?jī)H20～35mm。本標(biāo)段將近3.5km 的應(yīng)用證明此新型雙液漿對(duì)于管片防上浮效果明顯，成型管片質(zhì)量也得到了很好地控制。

2.1.1 盾構(gòu)隧道管片上浮的主要原因

隧道在同步注漿漿液中上浮時(shí)的受力情況可分為：管片自身重力G1、管片內(nèi)部的荷載G2、漿液對(duì)隧道的浮力F浮、抵抗隧道上浮的黏結(jié)力F黏和側(cè)向摩阻力F阻，附近已經(jīng)固結(jié)的管片抵抗隧道上浮的管片間的摩擦力F摩和管片螺栓的剪力F剪，其他如注漿壓力不均等導(dǎo)致管片垂直向上的力F其他。當(dāng)（G1+G2）＜F浮時(shí)，隧道管片會(huì)有上浮的趨勢(shì)；當(dāng)（G1+G2）＜（F浮-F黏-F阻-F摩-F剪+F其他）時(shí)，隧道管片將上浮。因此，在不考慮F其他的前提下，控制管片上浮最直接的措施是降低同步漿液對(duì)管片的浮力F浮，同時(shí)提高抵抗隧道上浮的粘結(jié)力F黏和側(cè)向摩擦力F阻[2]。

目前盾構(gòu)施工常規(guī)同步漿液初凝時(shí)間一般在5h 以上，終凝時(shí)間可達(dá)25h 以上。注入管片背面的同步漿液由于與地層中的地下水相混合，使同步漿液變稀，凝固時(shí)間變長(zhǎng)。由于管片背部同步漿液凝固時(shí)間很長(zhǎng)，盾尾后同步漿液對(duì)管片的浮力累積，當(dāng)浮力累計(jì)值大于管片自重及其他的約束力時(shí)，管片會(huì)產(chǎn)生上浮，由于上浮引起的連鎖反應(yīng)為管片錯(cuò)臺(tái)、破損及滲漏水。因此，盾構(gòu)隧道管片上浮和成型質(zhì)量缺陷的主要成因?yàn)橥綕{液凝固不及時(shí)而產(chǎn)生浮力[3]。

2.1.2 目前抑制管片上浮的主要措施

管片上浮主要體現(xiàn)在泥巖等軟弱地層或泥巖與卵石的復(fù)合地層，常規(guī)控制成型隧道管片上浮的方式為對(duì)脫出盾尾的管片選擇在距離盾尾3～10m 的范圍的管片進(jìn)行上部開(kāi)孔注入水泥、水玻璃雙液漿的模式。注入盾尾的同步漿液經(jīng)管路泵送至管片背部，由于自重效應(yīng)，同步漿液在泥巖地層的填充為從管片底部逐漸上升式填充，管片上部在同步漿液注入量不足、受地下水稀釋、隧道長(zhǎng)大下坡及漿液凝固收縮等多重原因下導(dǎo)致管片上方經(jīng)常存在空隙的情形。盾構(gòu)施工中的壁后注漿的目的有三點(diǎn)：防止地層變形、提高隧道的抗?jié)B性、確保管片襯砌的早期穩(wěn)定（外力均勻）。同步注漿的必要條件由填充性、限定范圍、固結(jié)強(qiáng)度（早期強(qiáng)度）三要素組成，這三者之間具有相輔相成相互制約的關(guān)系（如圖2所示）[4]。

圖2 同步注漿三要素關(guān)系

成型管片由于以上原因?qū)е鹿芷喜看嬖诳障?，管片襯砌穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，為管片上浮提供了空間上的條件，液態(tài)的注漿體對(duì)抑制管片上浮的阻力作用減小，為管片上浮提供了介質(zhì)上的條件。對(duì)脫出盾尾一定范圍內(nèi)的管片在確保盾尾安全的前提下對(duì)管片上部時(shí)針10 點(diǎn)～2 點(diǎn)相應(yīng)部位的管片吊裝孔或多孔進(jìn)行開(kāi)孔注入水泥水玻璃漿的方式，在管片背部和地層的空隙間形成相對(duì)連續(xù)的團(tuán)狀漿體，作為同步漿液流失造成管片上部形成空隙處的補(bǔ)充，縮短了穩(wěn)定管片的時(shí)間，抑制了管片的上浮。該模式在小盾構(gòu)（刀盤(pán)直徑6800mm）泥巖等軟弱地層掘進(jìn)施工過(guò)程對(duì)于抑制管片上浮起到了一定的作用。對(duì)于大直徑盾構(gòu)（刀盤(pán)直徑8600mm）泥巖地層掘進(jìn)施工，由于隧道開(kāi)挖斷面增大，管片背部與地層的間隙填充量增大，水泥水玻璃漿的用量成倍地增加，一方面不經(jīng)濟(jì)，另一方面可能會(huì)影響正常的施工組織。并且遇到盾構(gòu)施工工程條件較差，長(zhǎng)大下坡和地下水豐富的情況，管片背部注入的雙液漿初凝與終凝時(shí)間不可控，可能會(huì)導(dǎo)致雙液漿大量流竄至管片下方及沖刷至盾尾處，一方面降低了抑制管片上浮的效用，另外由于雙液漿初凝時(shí)間較短，不斷沖刷至盾尾處的雙液漿可能包裹盾尾同步注漿孔及盾尾密封，對(duì)盾構(gòu)連續(xù)掘進(jìn)施工帶來(lái)不利影響。

2.1.3 同步注雙液漿的選取

為了縮短注入盾尾同步漿液的初凝時(shí)間，力求降低地下水對(duì)同步漿液的沖刷作用，縮短同步漿液變?yōu)樗苄泽w時(shí)間，盡早穩(wěn)定管片，增大管片與基巖的摩擦力，降低對(duì)管片的浮力?？稍谕綕{液中添加一種聚合物，達(dá)到增稠、絮凝同步漿液的目的。

聚丙烯酰胺是一種高分子聚合物，具有絮凝性，能夠使懸浮的物質(zhì)起到電中和的作用，達(dá)到絮凝的狀態(tài)。具有黏合性，通過(guò)機(jī)械作用、物理化學(xué)作用，增加黏度，達(dá)到更好的應(yīng)用效果。具有降阻性，能夠降低環(huán)境的摩擦阻力損失，具有極高的降阻效應(yīng)。具有增稠性，在中性條件下和酸液中，具有很強(qiáng)的增稠特點(diǎn)，呈現(xiàn)半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，增稠效果最佳。陰離子聚丙烯酰胺，由于其分子鏈中含有一定數(shù)量的極性基團(tuán)，它能通過(guò)吸附水中懸浮的固體粒子，使粒子間架橋或通過(guò)電荷中和使粒子凝聚形成大的絮凝物，故可加速懸浮液中粒子的沉降。

從表1中可以看出：新型雙液漿與常規(guī)雙液漿相比，密度、析水率、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、28 天抗壓強(qiáng)度及成本相差不大；由于新型雙液漿添加了增稠劑聚丙烯酰胺，雙液漿經(jīng)充分混合后已經(jīng)從流體轉(zhuǎn)化為塑性體，無(wú)外力作用失去流動(dòng)性，漿液屈服強(qiáng)度顯著提高；新型雙液漿的稠度值遠(yuǎn)小于常規(guī)同步漿液，抗水分散性能遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)同步漿液（見(jiàn)表2）。

表1 常規(guī)同步漿液與新型雙液漿的配合比

表2 常規(guī)同步漿液與新型雙液漿試驗(yàn)及成本對(duì)比

2.2 二次注漿

本工程為了更好地控制成型管片的上浮，在選擇同步注雙液漿的同時(shí)，也采取了在管片上方局部注入水泥、水玻璃雙液漿的方式，有效彌補(bǔ)了同步注雙液漿局部填充不飽滿的不足。

注漿原則：在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)脫出盾尾4～6 環(huán)處管片頂部開(kāi)孔進(jìn)行二次注漿。

二次注漿實(shí)施：

第一步：材料準(zhǔn)備及運(yùn)輸：①注漿用材料為水、P·O42.5抗硫酸硅酸鹽水泥、水玻璃；②注漿用水直接從盾構(gòu)機(jī)循環(huán)冷卻水管取用；③在管片運(yùn)輸間隙，用龍門(mén)吊將水泥、水玻璃從井口下放至電瓶編組列車(chē)，并運(yùn)至注漿作業(yè)面。第二步：漿液拌制：①用桶式攪拌機(jī)拌制水泥漿，水灰比為0.8 ∶1～1 ∶1；②水玻璃加水稀釋?zhuān)Ｃ蓝瓤刂圃?5～40；③用兩個(gè)量桶量取等量的水泥漿、水玻璃水溶液，同時(shí)倒入水桶內(nèi)，混合后用秒表測(cè)量凝固時(shí)間，測(cè)量后調(diào)整兩種漿液配比，反復(fù)試驗(yàn)，直至初凝時(shí)間為35～40 秒。漿液體積比為2 ∶1 為宜。第三步：開(kāi)孔：根據(jù)掘進(jìn)安排需要提前在盾尾內(nèi)把注漿孔開(kāi)好，安裝上球閥。第四步：注漿孔口管安裝：①根據(jù)管片預(yù)留孔孔徑、螺紋加工注漿孔口管，外露端設(shè)球閥；②將孔口管插入管片預(yù)留注漿孔，擰緊。第五步：注漿參數(shù)：①注漿壓力：值班技術(shù)員根據(jù)隧道埋深計(jì)算注漿處?kù)o止水壓及土壓力之和，一般情況二次注漿壓力比此數(shù)值大0.2～0.4MPa，若注漿后，止水效果不佳，可適當(dāng)增加注漿壓力；②注漿量：根據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況，分析注漿效果，結(jié)合監(jiān)測(cè)情況，由注漿壓力控制二次注漿量。第六步：注漿操作：①注漿前，檢查設(shè)備、儀表是否正常，連接管路；②注漿過(guò)程中，前后要配合好，避免管路堵塞；③實(shí)施注漿[5]。

完成注漿，待漿液終凝后，打開(kāi)閥門(mén)確認(rèn)無(wú)滲漏水現(xiàn)象，方可拆下管片壓漿口處的球閥，并將壓漿孔用雙快水泥或堵漏修補(bǔ)砂漿封堵后再封蓋。

2.3 中盾注泥

為了防止或減少注入管片背部的同步漿液在下坡段向土倉(cāng)流竄，本標(biāo)段盾構(gòu)掘進(jìn)施工采取了在中盾處的徑向注漿孔注入塑性體的膨潤(rùn)土泥，抑制了漿液的前竄，保證了同步漿液在管片背部的有效填充，減少了成型管片的質(zhì)量缺陷；最終密實(shí)填充刀盤(pán)開(kāi)挖后形成的空腔，有效防止盾構(gòu)掘進(jìn)滯后沉降，收到了良好的效果。

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)改良設(shè)計(jì)增設(shè)中盾注泥系統(tǒng)，自帶泥漿拌制及注泥功能，注泥泵為柱塞泵，注泥泵能力50L/min。注泥設(shè)備安裝于連接橋右側(cè)，通過(guò)管路連接至中盾上半部徑向注漿孔，可注入拌和材料為膨潤(rùn)土。針對(duì)中盾設(shè)置環(huán)向間隔的注泥口，通過(guò)注泥口向盾體與隧道開(kāi)挖面之間的盾外空隙注入塑性泥漿，塑性泥漿向前盾、盾尾的盾外空隙擴(kuò)散，且密實(shí)填充盾外空隙形成塑性泥漿填充層，注泥口包括在中盾上部周間隔設(shè)置的第一注泥口（21）、第二注泥口（22）、第三注泥口（23）和第四注泥口（24）（如圖3所示）。

圖3 牧華路站—怡心湖站左線盾構(gòu)中盾注泥點(diǎn)位圖

根據(jù)刀盤(pán)直徑8.65m，盾尾直徑8.57m、長(zhǎng)度為10.9m進(jìn)行計(jì)算，推一環(huán)1.8 米理論空隙為1.5m3，考慮1.2 倍填充系數(shù)，最終注入泥漿量約為1.8m3。

主要材料：A：鈣基膨潤(rùn)土；B：水；C：水玻璃。

泥漿配比：A:B:C=600:750:50。

注入量：1.8m3/環(huán)（結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整）。

牧華路站—怡心湖站區(qū)間左線中盾注泥點(diǎn)位及制拌圖如圖4所示。

圖4 牧華路站—怡心湖站區(qū)間左線中盾注泥點(diǎn)位及制拌圖

3 多重注漿控制管片質(zhì)量效用

3.1 多重注漿抑制管片上浮

以下通過(guò)對(duì)牧華路站-怡心湖站盾構(gòu)區(qū)間左線221～240環(huán)、261～280 環(huán)管片使用常規(guī)漿液和同步注雙液漿新型漿液對(duì)抑制管片上浮的效用進(jìn)行對(duì)比，分析表如表3、圖5、圖6所示。

表3 使用同步注雙液漿先后成型管片上浮量對(duì)比表

圖5 牧華路站—怡心湖站區(qū)間左線221～240、261～280 環(huán)管片上浮量分析表

圖6 牧華路站—怡心湖站區(qū)間左線221-240、261-280 環(huán)管片上浮量對(duì)比表

通過(guò)以上對(duì)同步雙液漿的使用效果可以看出，同步注雙液漿在泥巖地層對(duì)抑制管片上浮起到了很好的作用，使用同步注雙液漿的管片上浮量基本控制在23～38mm，未使用同步注雙液漿的管片上浮量為52～81mm，前后對(duì)比明顯。常規(guī)漿液與同步注雙液漿的最大區(qū)別之處在于隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，同步注入開(kāi)挖面與管片之間空隙的漿液形態(tài)由流體變?yōu)樗苄泽w的時(shí)間縮短，極大地降低了漿液對(duì)管片的浮力。

3.2 多重注漿控制成型管片質(zhì)量

通過(guò)同步注雙液漿，縮短了同步漿液的初凝時(shí)間，減小了同步漿液被水稀釋的概率，管片背部的同步雙液漿塑性體大大增強(qiáng)了同步漿液穩(wěn)定管片的能力，減小了管片的上浮，同步注漿為第一道抑制管片上浮和控制管片質(zhì)量的防護(hù)。在同步注雙液漿的基礎(chǔ)上，為了有效彌補(bǔ)首次填充漿液的部分空隙，采取了在脫出盾尾管片上方二次注單液、水泥和水玻璃漿的方式，通過(guò)第二道漿液填充，管片背部基本處于飽和狀態(tài)，通過(guò)在管片上方開(kāi)孔觀察漿液填充的飽滿度可知，通過(guò)兩道漿液的注入，管片背部基本飽和。此外，復(fù)合地層同步漿液的注入量為在理論注漿量的基礎(chǔ)上考慮注漿系數(shù)，取1.3～1.4，1.8m 幅寬的管片理論注漿量約為9m3，實(shí)際注入12～13m3，隧道掘進(jìn)下坡段，為了減少注入管片背部的同步漿液向土倉(cāng)內(nèi)流竄，避免造成漿液損失量較大的情況，在中盾位置注入流塑狀的膨潤(rùn)土膏狀體，一方面可減小漿液的流竄，另外對(duì)局部地層損失也起到了一定的填充作用，抑制了地表沉降。通過(guò)以上多重交互式注漿模式的應(yīng)用效果來(lái)看，本區(qū)間成型管片的滲漏水率控制在2%以下、錯(cuò)臺(tái)率在3%以下、破損率在2%以下，相較常規(guī)注漿方式，成型管片的質(zhì)量控制得到了很大提升，取得了良好的實(shí)踐效果。

4 結(jié)語(yǔ)

此類(lèi)大直徑盾構(gòu)在富水砂卵石與泥巖交互地層施工多重注漿控制管片質(zhì)量在成都還屬少例，尚沒(méi)有系統(tǒng)的總結(jié)和廣泛應(yīng)用。論文根據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐，總結(jié)了此類(lèi)施工中不同于其他類(lèi)似工程的一些施工新思路、新技術(shù)、新工藝，保證了施工的安全可靠，減少了隧道質(zhì)量通病的發(fā)生，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有推廣運(yùn)用的實(shí)際意義。