復(fù)合地層盾構(gòu)施工泡沫劑與同步注漿參數(shù)研究

王 強，王治宇，李 順，王季科，章定文

(1. 中建八局軌道交通建設(shè)有限公司，南京 210046； 2. 東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189)

隨著城市地下空間的開發(fā)與利用，盾構(gòu)施工技術(shù)因?qū)χ車h(huán)境影響小、成形質(zhì)量高、安全可靠、施工進度快等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通隧道工程以及市政隧道工程[1]。

盾構(gòu)施工技術(shù)中盾尾間隙的大小是由盾構(gòu)鋼殼的厚度和盾尾操作空間決定的，一般在8～16 cm[2]。盾尾間隙過大容易使土體處于無支護狀態(tài)并發(fā)生位移，從而產(chǎn)生地面沉降造成地面建構(gòu)筑物沉降或隧道偏移，通過同步注漿可以有效填充盾尾間隙，從而降低盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響。

劉大鵬[3]研發(fā)了幾種經(jīng)濟環(huán)保的泡沫劑，并通過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗證明該泡沫劑具有很好的土體改良效果，減少了刀盤前泥餅黏結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)；王衛(wèi)華[4]對幾種經(jīng)濟環(huán)保泡沫劑的發(fā)泡量和半衰期這兩個因素進行研究，結(jié)果表明，根據(jù)發(fā)泡劑表面活性劑含量確定發(fā)泡劑復(fù)摻可以提高發(fā)泡劑的利用率；楊棟[5]以太達村隧道為工程背景，詳細闡述了注漿壓力和材料水灰比對隧道體積收縮率的影響；Liao等[6]根據(jù)土層壓力確定注漿壓力，認為注漿壓力不應(yīng)小于盾殼上部土壓，同時也不應(yīng)大于盾殼下部土壓，該方法可以更簡便地計算注漿壓力，但由于現(xiàn)場施工地層情況復(fù)雜，地層壓力難以確定；宋天田等[7]在前人研究的基礎(chǔ)上得出土體極限劈裂狀態(tài)下的注漿壓力公式，該公式適用于埋深范圍在10～20 m的土體；茍長飛[8]通過室內(nèi)試驗確定漿液在不同地層中的擴散系數(shù)，得出盾構(gòu)同步注漿量的預(yù)測公式。注漿參數(shù)是保障盾構(gòu)施工安全的關(guān)鍵因素，但注漿參數(shù)的選擇與土層地質(zhì)情況、隧道埋深、漿液滲透率等因素有關(guān)，為研究復(fù)合地層的注漿參數(shù)，本文以南京城際軌道交通盾構(gòu)下穿句容河區(qū)間段為研究對象，對同步注漿漿液配比、注漿壓力、注漿量和盾構(gòu)發(fā)泡劑成分及功能進行研究。

1 工程概況

盾構(gòu)下穿句容河段示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)下穿句容河區(qū)間段示意圖

盾構(gòu)隧道斷面位于中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖中，上部為強風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、含碎石粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)填土等，屬弱～微透水層，地表水對工程的影響較小。該工程采用土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)刀盤切削直徑為6.48 m，管片外徑為6.20 m。隧道正常段埋深在18～22 m，在句容河底埋深逐漸減小至9.69 m。本次盾構(gòu)隧道外徑為6.24 m，設(shè)計管片外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，管片寬度為1 200 mm，管片厚度為350 mm，管片由1個封頂塊、2個鄰接塊和3個標準塊組成。雙線盾構(gòu)中左線先行，領(lǐng)先右線40環(huán)左右。

2 盾構(gòu)注漿安全控制研究

2.1 泡沫劑與漿液的選擇和配比

盾構(gòu)刀盤前方的土體如果不經(jīng)過特殊處理，則會在刀盤前方形成泥條導(dǎo)致刀盤卡住，土倉內(nèi)土體的流動性也會因此大大降低，從而影響盾構(gòu)土倉壓力的穩(wěn)定，因此盾構(gòu)施工過程中必須對刀盤土倉內(nèi)的土體進行處理。

目前常采用的處理方式是通過泡沫劑對盾構(gòu)土倉內(nèi)的土體進行改良，使得土倉內(nèi)的土體處于塑性流動狀態(tài)，同時在刀盤轉(zhuǎn)動過程中利用刀盤將改良后的土體在切削面邊緣形成一層泥膜，提高土倉內(nèi)渣土的稠度，防止地下水涌入隧道[9]。渣土改良的泡沫劑至關(guān)重要，泡沫劑的主要化學(xué)成分及性質(zhì)如表1所示。

表1 泡沫劑的主要化學(xué)成分及性質(zhì)

盾構(gòu)施工常用的漿液有水泥漿液和C-S漿液(水泥水玻璃漿液)。C-S漿液的膠凝時間短，漿液的擴散阻力大，后期結(jié)石體強度較低，價格昂貴，比較適合用于特殊工程以及大直徑盾構(gòu)工程；水泥漿液的膠凝時間在4 h左右，漿液的擴散阻力相對較小，后期結(jié)石體強度較高。

為讓漿液擴散到更遠的位置以及后期地鐵運行的穩(wěn)定，本次盾構(gòu)同步注漿材料選用改良的水泥漿液。因水泥漿液的配比對同步注漿效果有明顯的影響，經(jīng)施工現(xiàn)場多次試驗后得到同步注漿漿液配比，在該配比下漿液具有良好的流動性，漿液終凝時間為3～4 h。同步注漿漿液配比如表2所示。

表2 同步注漿漿液配比

2.2 盾構(gòu)注漿壓力控制研究

盾構(gòu)機掘進過程中刀盤切削土體的直徑通常比管片外徑大8～16 cm[2]，因此會在盾尾部分形成建筑間隙，為了減少盾構(gòu)施工對周圍土體的擾動，應(yīng)采用及時注漿的方式對盾尾間隙進行填充。注漿壓力直接影響著盾尾注漿質(zhì)量的好壞，若注漿壓力過大，會導(dǎo)致注漿劈裂周圍土體，引起盾尾與上部河流產(chǎn)生水力聯(lián)系，影響盾構(gòu)的安全實施；若注漿壓力過小，會引起管片周圍土體變形過大，導(dǎo)致地表出現(xiàn)較大沉降。因此，合理的注漿壓力是盾構(gòu)施工過程中控制盾構(gòu)隧道安全掘進的關(guān)鍵。

土壓平衡盾構(gòu)在正常掘進過程中，為了維持開挖面的穩(wěn)定性，需要在開挖面施作一定的支護力。盾構(gòu)機工作時需不斷地調(diào)整掘進速度和排土量，以保證開挖面處于動態(tài)平衡的狀態(tài)，使盾構(gòu)土倉壓力保持在一個穩(wěn)定的范圍，現(xiàn)場盾構(gòu)施工中可通過在盾構(gòu)機土倉內(nèi)安置土壓力盒實時監(jiān)測土倉壓力。

盾構(gòu)左右線下穿句容河區(qū)間段的土倉壓力與注漿壓力曲線如圖2所示。

(a) 左線

(b) 右線圖2 盾構(gòu)左右線下穿句容河區(qū)間段的土倉壓力與注漿壓力曲線

由圖2可知，盾構(gòu)隧道的土倉壓力與注漿壓力存在顯著的相關(guān)性，這是由于下穿句容河區(qū)間段的盾構(gòu)隧道埋深逐漸減小，盾構(gòu)掘進過程中的土倉壓力也相應(yīng)減小。為避免盾構(gòu)隧道掘進過程中因注漿壓力過大導(dǎo)致同步注漿漿液劈裂土層，或引起隧道掘進面與上部河流產(chǎn)生水力聯(lián)系，導(dǎo)致河水滲入刀盤切割面對盾構(gòu)施工的安全性以及近接線施工的橋梁樁基產(chǎn)生較大的影響，因此下穿河道段盾構(gòu)隧道的注漿壓力應(yīng)隨土倉壓力的變化而及時更改。盾構(gòu)隧道的土倉壓力可以通過安裝在盾構(gòu)土倉內(nèi)的土壓力盒準確、及時地得到，因此可根據(jù)土倉壓力指定合理的注漿壓力進而準確地指導(dǎo)盾構(gòu)實施的安全進行。

土倉壓力與注漿壓力的關(guān)系曲線如圖3所示。同一土倉壓力對應(yīng)多個注漿壓力時應(yīng)取注漿壓力的平均值，對注漿壓力與注漿量進行擬合可以得到下式：

圖3 土倉壓力與注漿壓力的關(guān)系曲線

Pg=0.99+0.68P0
R2=0.88

(1)

式中，Pg為注漿壓力，MPa；P0為土倉壓力，MPa；R2為擬合曲線方差。

3 盾構(gòu)同步注漿量計算

理論上，同步注漿量就是填充盾尾建筑空隙的體積，考慮盾構(gòu)推進過程中的糾偏、漿液滲透(與地質(zhì)情況有關(guān))、注漿材料固結(jié)收縮等因素的影響，盾構(gòu)同步注漿量的計算式為[8]

Q=Vλ

(2)

λ=1+λ1+λ2+λ3+λ4

(3)

式中，Q為同步注漿量，m3；λ為同步注漿率；V為盾尾建筑空隙體積，m3。

由于目前盾構(gòu)隧道同步注漿量理論值與實際需求值存在一定的誤差，應(yīng)縮小同步注漿量理論計算量與實際注漿量的差值，提高同步注漿量理論計算值的精度。式(2)中的盾尾建筑空隙體積V的值是可以準確計算的，但同步注漿率λ的值難以確定，再加上同步注漿率受土層條件、隧道埋深、漿液黏稠度等因素的影響，因而準確地計算同步注漿量是難以實現(xiàn)的。盾構(gòu)左右線下穿句容河區(qū)間段的土倉壓力與注漿量曲線如圖4所示。由圖4可知，土倉壓力與注漿量存在顯著的相關(guān)性，這是由于下穿河道段的土倉壓力逐漸減小，注漿量也隨之減小。

(a) 左線

(b) 右線圖4 盾構(gòu)左右線下穿句容河區(qū)間段的土倉壓力與注漿量曲線

土倉壓力與盾構(gòu)注漿量的關(guān)系曲線如圖5所示。為消除偶然因素的影響，同一土倉壓力對應(yīng)多個注漿量時應(yīng)取其平均值，對左右線下穿句容河段的注漿量與土倉壓力進行擬合分析，可以得到注漿量與土倉壓力的線性方程數(shù)學(xué)式為

圖5 土倉壓力與盾構(gòu)注漿量的關(guān)系曲線

Q=5.19+4.08P0
R2=0.94

(4)

現(xiàn)場注漿量與計算注漿量如圖6所示，由圖6可知，根據(jù)式(4)計算的理論同步注漿量與實測注漿量吻合良好，而根據(jù)式(2)計算的同步注漿量是一成不變的，這表明按照式(2)計算的注漿量與實際需求值存在較大差異。

(a) 左線

(b) 右線圖6 現(xiàn)場注漿量與計算注漿量

4 結(jié)語

注漿漿液配比、注漿壓力和注漿量是注漿施工的主要控制參數(shù)。通過對盾構(gòu)下穿句容河區(qū)間段的注漿參數(shù)進行研究，總結(jié)現(xiàn)場施工過程中泡沫劑的主要成分以及注漿漿液配比情況，得到如下結(jié)論：

(1) 經(jīng)施工現(xiàn)場多次試驗后得到同步注漿漿液配比，該配比下漿液的終凝時間為3～4 h，且漿液擴散性能良好，可很好地填充盾尾間隙。

(2) 盾構(gòu)注漿壓力與盾構(gòu)土倉壓力存在顯著的線性關(guān)系，基于土倉壓力的變化及時調(diào)整注漿壓力的大小，能有效保障盾構(gòu)實施的安全性。

(3) 根據(jù)土倉壓力與盾構(gòu)同步注漿壓力的線性關(guān)系，可通過土倉壓力的大小準確計算每一環(huán)盾構(gòu)所需的同步注漿量。