超大直徑盾構(gòu)雙液注漿試驗及應(yīng)用效果

舒計城

中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800

在超大直徑泥水平衡隧道施工過程中，隧道橫斷面跨越地層多、地質(zhì)條件復(fù)雜，極易出現(xiàn)管片上浮、錯臺及其引起的管片破損、滲漏水問題，此時需要及時進(jìn)行同步注漿。

同步注漿漿液分為單液漿和雙液漿。單液漿凝結(jié)時間長，初期強(qiáng)度小，易被地下水稀釋，導(dǎo)致膠凝材料流失，常會從受損或脫落的止?jié){板處流入盾構(gòu)機(jī)的土倉，造成漿液浪費(fèi)。雙液漿膠凝時間短，能夠有效控制管片上浮，早期強(qiáng)度較高，容易控制盾構(gòu)姿態(tài)。

葉飛［1］認(rèn)為當(dāng)管片脫出盾尾時，管片受到單漿液的浮力比在飽和土中受到水的浮力大。李科等［2］研究了水泥、水玻璃摻量對雙液漿結(jié)石體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響規(guī)律。安妮等［3］通過室內(nèi)試驗探討了水泥摻量和水玻璃摻量對雙液漿膠結(jié)時間的影響規(guī)律。宋雪飛［4］通過試驗研究了粉煤灰對雙液漿改性的作用。Matthew 等［5］基于美國 ASTM 規(guī)范，給出了泌水率、物理膠凝時間、抗壓強(qiáng)度等雙液漿指標(biāo)的測試方法。王紅喜［6］用鋼渣粉煤灰、礦渣及偏高嶺土與水玻璃拌和成改性高性能雙液漿，并將此工藝成功應(yīng)用于武漢長江隧道項目中。Bezuijen 等［7］對直徑 9.5 m 隧道雙液漿填充進(jìn)行了壁后雷達(dá)掃描，通過結(jié)果反算出了注漿壓力對管片上浮的影響規(guī)律。鄭青［8］針對富水粉細(xì)砂地層中的暗挖隧道，提出了超細(xì)水泥-水玻璃漿液注漿方案，通過實(shí)際案例表明該漿液具有良好的止水效果。張莎莎等［9］研究了盾尾空隙內(nèi)漿液壓力分布規(guī)律、消散過程、漿液的流動路徑及擴(kuò)散方式。陳藝元［10］研究了水灰比、水玻璃模數(shù)等漿液指標(biāo)對穩(wěn)定性、膠凝時間、流動性的影響規(guī)律，并通過試驗探討了雙液漿在真實(shí)地層中的強(qiáng)度變化規(guī)律。劉旺［11］研究了水泥-水玻璃漿液性能及其對盾構(gòu)隧道地表沉降的影響。劉強(qiáng)等［12］基于漿液劈裂土體形成的裂縫形狀和賓漢流體在平板裂縫中的流變方程，計算分析不同土體中水泥-水玻璃漿液的黏度、注漿壓力以及裂隙高度對漿液擴(kuò)散距離的影響。

本文以北京東六環(huán)改造工程為工程背景。雙液同步注漿技術(shù)僅在小直徑盾構(gòu)施工中有少量應(yīng)用，北京東六環(huán)同步雙液注漿技術(shù)在國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)施工中應(yīng)用尚屬首次。在既有雙液漿研究基礎(chǔ)上，開展了不同配合比室內(nèi)試驗，驗證了不同水灰比、波美度對雙液漿強(qiáng)度、泌水率的影響。在始發(fā)井負(fù)環(huán)處進(jìn)行了原位模型試驗，研究注漿量、注漿壓力、漿液種類等因素對大直徑盾構(gòu)隧道同步雙液注漿的擴(kuò)散機(jī)理、注漿效果等方面的影響，以期為盾構(gòu)隧道掘進(jìn)階段提供有力依據(jù)。最后對盾構(gòu)掘進(jìn)階段管片上浮、管片錯臺、地面沉降、既有建筑物沉降等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，驗證了雙液漿對超大直徑盾構(gòu)隧道的有效性。

1 室內(nèi)試驗研究

1.1 試驗材料

試驗材料包括A、B 液，A 液主要包含水、水泥、膨潤土、穩(wěn)定劑，B 液為水玻璃。水玻璃波美度41 Be′時雙液漿配合比分別為1 ～4，水玻璃波美度44 Be′時雙液漿配合比分別為5 ～8。具體配合比見表1。

表1 雙液漿配合比

1.2 試驗方法

1）泌水率。雙液漿A 液的泌水率反映的是漿液中水與膠凝材料之間的分離特性，宏觀上反映為漿液的保水性能。泌水率越大，越容易出現(xiàn)砂粒下沉、砂與漿體分離等情況。將拌和均勻的水泥漿液靜置30 min，每隔5 min觀測一次離析水高度h1和漿液漿體膨脹面高度h2，直至h2高度不再變化，然后計算泌水率。

泌水率w計算式為

2）化學(xué)膠結(jié)時間?；瘜W(xué)膠結(jié)時間通常采用“倒杯法”測試。依據(jù)制漿工藝，將既定配合比下的A 液制備完成，按照配合比量取B 液。將A 液與B 液混合，當(dāng)混合液呈現(xiàn)“啫喱狀”并存在掛杯現(xiàn)象時，終止計時。此時所記錄的時間標(biāo)定為雙液漿化學(xué)膠結(jié)時間。

3）物理膠凝時間。漿液的物理膠凝時間分為初凝時間和終凝時間，試驗中漿液的初凝時間和終凝時間均采用維卡儀測定，試驗流程參照J(rèn)GJ/T 317—2014《建筑工程裂縫防治技術(shù)規(guī)程》［13］。

4）抗壓強(qiáng)度。雙液漿入模后，立刻放進(jìn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱需保持在20 ℃、濕度大于90%。當(dāng)試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h 后開始脫膜，分別測試記錄試塊1、3、7、28 d抗壓強(qiáng)度。測試方法參考JGJ 70—2009《建筑漿液基本性能試驗方法》［14］。

1.3 試驗結(jié)果

1）泌水率。水玻璃波美度分別為41、44 Be′時A液靜置時間分別為1、3、12、24 h的泌水率見表2。

表2 A液泌水率

由表2 可見，A 液泌水率隨時間的增大而逐漸變大，隨水泥含量的增加而逐漸變小。在水灰比相同的情況下，水玻璃波美度44 Be′時的A 液泌水率小于波美度41Be的。

2）化學(xué)膠結(jié)時間、物理膠凝時間。水玻璃波美度分別為41、44 Be′時雙液漿的化學(xué)膠結(jié)、物理膠凝時間見表3。同步注漿材料凝結(jié)時間不宜過長，若凝結(jié)時間過長則在注漿后難以起到足夠的填充及支撐作用，易因壁后注漿漿體支撐力不足而發(fā)生地表沉降。同時同步注漿材料凝結(jié)時間不宜太短，以保證在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中注漿填充的密實(shí)性。

表3 雙液漿化學(xué)、物理膠結(jié)時間

由表3 中可見，A 液密度隨著水泥含量的增加逐漸增大，化學(xué)膠結(jié)時間逐漸減小。物理初凝、終凝時間隨水泥含量的增加而逐漸減小。在水灰比相同的情況下，水玻璃波美度44 Be′雙液漿化學(xué)膠結(jié)時間比波美度41 Be′時的增加了5.2%、12.9%、18.5%、21.7%。

3）抗壓強(qiáng)度。雙液漿抗壓強(qiáng)度主要取決于膠凝材料水泥水化后形成的結(jié)石體強(qiáng)度，水灰比越小水化產(chǎn)物形成的結(jié)石體強(qiáng)度越大。不同波美度下雙液漿強(qiáng)度對比曲線見圖1?？梢姡p液漿抗壓強(qiáng)度隨著時間的增加而增大，隨水泥含量的增加而增大。由28 d抗壓強(qiáng)度對比可知，配合比1 強(qiáng)度較配合比5 增加了21.1%，配合比2 強(qiáng)度較配合比6 增加了32.5%，配合比3強(qiáng)度較配合比7增加了28.5%，配合比4強(qiáng)度較配合比8 增加了77.5%。這主要有兩個原因：①隨著水玻璃波美度增大，濃度增加，添加到A 液中后相當(dāng)于對A液進(jìn)行了稀釋。水玻璃波美度越大，對A液的稀釋作用也越強(qiáng)，間接增大了A液水泥漿的水灰比。②水玻璃由于水解作用生成大量HnSiO4X-，與 A 液中的Ca2+離子反應(yīng)生成水化硅酸鈣，同時還會產(chǎn)生大量硅溶膠。硅溶膠強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致雙液漿試塊強(qiáng)度降低。因此，只有當(dāng)水玻璃摻量適中時，雙液漿才能產(chǎn)生較多的水化硅酸鈣和沸石類物質(zhì)，使得雙液漿結(jié)石體達(dá)到較高強(qiáng)度。

圖1 不同波美度下雙液漿抗壓強(qiáng)度對比曲線

2 始發(fā)井原型試驗研究

北京東六環(huán)改造工程全線分為直接加寬段和入地改造段，路線全長16 km，其中盾構(gòu)段長約7.4 km。盾構(gòu)段隧道穿越的地層主要為粉細(xì)砂層、粉土、中粗砂，少數(shù)粉質(zhì)黏土，覆土厚度約10～42 m，承受的最大水壓為0.58 MPa。盾構(gòu)機(jī)開挖直徑15.97 m，平均覆土厚20 m。本項目采用同步雙液注漿，注漿泵為擠壓泵。以盾構(gòu)隧道區(qū)間的負(fù)環(huán)段（6 m）為同步雙液注漿的原型試驗段，在盾構(gòu)始發(fā)過程中，盾構(gòu)前移負(fù)6環(huán)的過程中開始在試驗套筒內(nèi)進(jìn)行雙液注漿，探討注漿量、注漿壓力、漿液種類、停機(jī)盾尾密封材料種類、地下水等因素對大直徑盾構(gòu)隧道同步雙液注漿的擴(kuò)散機(jī)理、注漿效果等的影響。

2.1 試驗裝置

該試驗在盾構(gòu)隧道負(fù)環(huán)段進(jìn)行，其中鋼套筒內(nèi)徑略大于盾殼外徑，形成的盾尾間隙寬度為20 ～40 cm，鋼套筒沿掘進(jìn)方向長度為6.5 m，采用300 mm 國標(biāo)工字鋼作為立柱。面板上采用加膠折彎鋼化玻璃，每個亞克力板觀察窗尺寸為1 m×6 m，共7個，見圖2。

圖2 鋼套筒面板布置

2.2 試驗方案

本次負(fù)環(huán)段原型試驗預(yù)設(shè)鋼套筒縱向長度6 m，即三環(huán)管片（管片環(huán)寬2 m）的長度，試驗過程中對不同配合比、掘進(jìn)長度、注漿流量等因素進(jìn)行討論。試驗方案見表4。

表4 原型注漿試驗方案

試驗過程中共設(shè)置3個斷面對同步雙液注漿過程中孔隙水壓力、土壓力進(jìn)行監(jiān)測，各個斷面?zhèn)鞲衅鞑贾帽３忠恢?。具體監(jiān)測斷面布置見圖3。

圖3 傳感器監(jiān)測斷面布置

2.3 試驗結(jié)果分析

在負(fù)環(huán)段同步雙液注漿試驗過程中，盾構(gòu)機(jī)依次穿過監(jiān)測斷面1、斷面2、斷面3，在穿越3 個斷面過程中同步注漿所用漿液類型不同，所用注漿管和注漿壓力變化均有所差異，盾尾漿液的填充狀態(tài)、分布特性均有所差異，本文只對斷面3的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3.1 斷面3傳感器測試結(jié)果分析

提取盾構(gòu)機(jī)穿越斷面3 過程中各傳感器量值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到各傳感器壓力變化曲線，見圖4。圖中，T代表土壓力傳感器，S代表孔隙水壓力傳感器?？梢?，在盾構(gòu)推進(jìn)時長為0.75 ～1.5 h 時開始同步注漿作業(yè)，土壓力和孔隙水壓力整體呈“單峰”式曲線變化，在同步注漿作業(yè)時土壓力和孔隙水壓力增加，隨著注漿停止壓力回落。

圖4 盾構(gòu)隧道穿越斷面3傳感器壓力變化曲線

2.3.2 實(shí)際注漿壓力與斷面3傳感器測試結(jié)果對比

盾構(gòu)穿越過程中斷面3注漿壓力變化曲線見圖5。其中，①—⑧分別為雙液漿注漿點(diǎn)位。

圖5 斷面3注漿壓力變化曲線

由圖5（a）可知，在盾構(gòu)推進(jìn)時長為0.75 ～ 1.50 h時在斷面3進(jìn)行同步雙液漿作業(yè)，⑦、⑧號點(diǎn)位注漿壓力普遍大，最大值分別為0.15、0.09 MPa；結(jié)合圖5（c）可知，該斷面孔隙水壓力值在⑦、⑧號點(diǎn)位孔隙水壓力值偏大，這與注漿壓力變化曲線相匹配；由圖5（b）可見，在盾構(gòu)推進(jìn)時長為0.5 ～1.0 h 時，土壓力在左側(cè)套筒底部偏大。這主要是因為盾構(gòu)左側(cè)鋼板束刮蹭到了土壓力盒，導(dǎo)致土壓力值偏大。

3 現(xiàn)場應(yīng)用研究

為了驗證雙液注漿對于超大直徑盾構(gòu)隧道控制的有效性，對盾構(gòu)隧道施工完成后的管片上浮、管片錯臺、地表沉降、既有建筑物沉降等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3.1 管片上浮

雙液漿可以快速凝固，具有一定的早期強(qiáng)度，能夠約束管片，防止管片上浮。同時也防止開挖面泥水后竄稀釋漿液，確保管片襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和受力均勻。北京東六環(huán)雙液漿與其他超大直徑盾構(gòu)項目單液漿管片上浮量對比曲線見圖6。

圖6 雙液漿與單液漿管片上浮量對比曲線

由圖6 可見，北京東六環(huán)盾構(gòu)隧道管片上浮量除去個別點(diǎn)位超過10 mm，上浮量基本上處于-10～10 mm。這主要是因為盾構(gòu)管片在脫出盾尾后，雙液漿30 s 后快速凝固，呈“啫喱狀”，此時浮力已消散。1 h 內(nèi)漿液強(qiáng)度快速上升達(dá)到0.15 MPa，有效限制了管片位移，管片上浮趨于穩(wěn)定。在南京、杭州、蘇州等其他超大直徑盾構(gòu)項目采用單液漿時，管片上浮基本在10～55 mm，部分較好的項目在10～30 mm。雙液注漿相對于單液注漿在控制管片上浮方面效果明顯提升。

3.2 管片錯臺

盾構(gòu)隧道在施工過程中，當(dāng)已拼裝好的管片從盾尾脫出時，必然造成在管片襯砌與土體之間出現(xiàn)空隙，此時需要及時同步注漿，以防止盾構(gòu)管片周圍土體松動，避免管片結(jié)構(gòu)因缺少必要的抗力而出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。雙液漿具有良好的填充性、和易性、早期強(qiáng)度和最終強(qiáng)度，能夠較好地約束管片，防止隧道軸線偏移，避免管片產(chǎn)生錯臺。

按照規(guī)范及設(shè)計要求，拼裝階段襯砌環(huán)內(nèi)錯臺容許偏差為6 mm，成型隧道襯砌環(huán)內(nèi)錯臺容許偏差為12 mm；拼裝階段相鄰管片環(huán)間錯臺容許偏差為7 mm，成型階段相鄰管片環(huán)間錯臺容許偏差為17 mm，現(xiàn)場管片環(huán)內(nèi)、環(huán)間實(shí)際錯臺量見表5。其中，環(huán)內(nèi)錯臺序號分別為1#—4#，環(huán)間錯臺序號分別為5#—8#。將北京東六環(huán)雙液注漿管片錯臺量與南京項目單液注漿管片錯臺量進(jìn)行對比。

由表5 可見，同步雙液注漿時環(huán)內(nèi)最大錯臺量3 mm，環(huán)間最大錯臺量為5 mm，管片錯臺量集中在3 mm以內(nèi)，累計占比為95%。同步單液注漿時管片環(huán)內(nèi)最大錯臺量為10 mm，環(huán)間最大錯臺量為13 mm。因此，雙液注漿相對于單液注漿能很好控制管片錯臺量。

3.3 地表沉降與建筑物沉降

盾尾同步注漿施工過程中，如果盾尾空隙得不到及時充填，周圍土體將會塌落至管片之上，引起地層移動、變形，致使地表建筑物發(fā)生沉降或偏移。地表及建筑物沉降曲線見圖7?？梢?，盾構(gòu)隧道穿越既有建筑物，建筑物的基礎(chǔ)為筏型基礎(chǔ)，盾構(gòu)覆土淺，埋深為12 ～15 m，土層主要是粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，地層條件差。地表沉降值最大為1.7 mm，基本在1 mm 以內(nèi)。既有建筑物沉降值在1.55 mm 以內(nèi)，沉降值較小。因此雙液注漿在控制地表沉降和既有建筑物沉降方面有明顯的優(yōu)勢。

圖7 地表及建筑物沉降曲線

4 結(jié)論

1）由室內(nèi)試驗可以得到，隨著水泥含量的增加A液密度逐漸增大，化學(xué)膠結(jié)時間和物理初凝、終凝時間逐漸減小。雙液漿材料配合比相同條件下，波美度41 Be′的雙液漿試塊抗壓強(qiáng)度均大于波美度44 Be′的。

2）由原型試驗可以得到，盾構(gòu)推進(jìn)同步注雙液漿時，土壓力和孔隙水壓力整體呈“單峰”式曲線變化。隨著注漿停止壓力回落。在盾構(gòu)推進(jìn)時長為0.75 ～1.50 h時，土壓力在左側(cè)套筒底部偏大。

3）由現(xiàn)場應(yīng)用可以得到，雙液注漿管片上浮量基本上處于-10～10 mm，在控制管片上浮方面有顯著提升。環(huán)內(nèi)最大錯臺量值為3 mm，環(huán)間最大錯臺量值為5 mm。管片錯臺量量集中在3 mm 以內(nèi)，累計占比為95%。地表沉降最大為1.7 mm，基本都處在1 mm 以內(nèi)。既有建筑物沉降值在1.55 mm 以內(nèi)。因此，雙液注漿在控制管片上浮、管片錯臺、地表沉降及既有建筑物沉降等方面有明顯的優(yōu)勢。