廣州地鐵3號(hào)線盾構(gòu)施工同步注漿技術(shù)的應(yīng)用

楊江朋 苗蘭弟

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，714000，渭南∥第一作者，講師)

1 工程概況

廣州地鐵3號(hào)線客村站—大塘站區(qū)間采用兩條分離式的單線盾構(gòu)隧道，區(qū)間單線長1484 m，兩線中心間距15.2～11.2 m，隧道埋深9～37 m。隧道采用混凝土管片襯砌，管片的外徑6000 mm、內(nèi)徑5400 mm、厚度300 mm、寬度1500 mm，環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝。采用1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)長8325 mm，刀盤直徑6280 mm，盾尾直徑6230 mm。

客村站—大塘站區(qū)間隧道主要穿越巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、巖石中風(fēng)化帶、巖石微風(fēng)化帶，局部穿越可塑或稍密狀殘積土、硬塑或中密狀殘積土。隧道上方主要為中風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層及殘積層。通過地層屬較軟地層，巖質(zhì)較均一，自穩(wěn)能力較好，但節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部易碎裂坍塌。

本區(qū)間穿過建筑物共150棟，房屋層數(shù)多為2到9層，以天然基礎(chǔ)為主;有少量的高層，樁長較長。所以，確保地面建筑物的安全及地表的沉降是該工程施工的重中之重，也是采用注漿的主要目的。

2 盾構(gòu)施工中的注漿技術(shù)

本標(biāo)段采用一臺(tái)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)情況、地面建筑、掘進(jìn)模式，采用以同步注漿為主，二次補(bǔ)漿和地面跟蹤注漿為輔的三種注漿形式?，F(xiàn)對(duì)客村站—大塘站區(qū)間隧道盾構(gòu)施工中的同步注漿技術(shù)進(jìn)行總結(jié)研究。

2.1 盾構(gòu)隧道施工中的同步注漿

2.1.1 盾構(gòu)隧道施工中同步注漿的目的

在盾構(gòu)隧道施工中同步注漿的目的如下:

1)防止地層變形［1］，主要是防止地層下沉:隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，管片脫離盾尾時(shí)，該部位的地層出現(xiàn)臨時(shí)無支撐的凌空狀態(tài)，致使管片背面間隙出現(xiàn)變形或者局部坍塌，隨著圍巖松散范圍不斷擴(kuò)大，地面逐漸產(chǎn)生沉降。如果用漿液及時(shí)填充此間隙，地層變形或坍塌就受到約束，可以有效地控制地面沉降，所以同步背后注漿的飽滿度直接影響地表沉降的程度。另外，盾構(gòu)在軟土、富水層掘進(jìn)時(shí)，若土壓或氣壓、泥漿壓力不夠，地層就會(huì)出現(xiàn)局部崩坍，表現(xiàn)在出土量、出水量增大，引起地下水位下降、地表下沉?？痛逭尽筇琳緟^(qū)間隧道80%穿過裂隙發(fā)育的強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶。若同步背后注漿不飽滿，地下發(fā)育的裂隙水會(huì)逐漸匯聚成水流而流入土倉，或從破損的管環(huán)縱縫滲進(jìn)隧道。若地層失水量過大，地下水位會(huì)降低，出現(xiàn)壓密現(xiàn)象，致使地層變形。在裂隙水損失的過程中，地下水也會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，并帶動(dòng)土顆粒移動(dòng)，導(dǎo)致地層變形加劇。

2)確保管片襯砌的早期穩(wěn)定:盾構(gòu)隧道是一種管片襯砌和圍巖一體化的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的構(gòu)造物。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片背面的空隙需及時(shí)均勻地填充，以確保管片所受外力均勻、無偏壓和集中應(yīng)力現(xiàn)象。如果管片背面的空隙得不到及時(shí)的填充，管片處于無支撐或失穩(wěn)狀態(tài)，在盾構(gòu)機(jī)巨大的推力下，管環(huán)容易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、傾斜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管片開裂。所以，注漿是確保管片襯砌早期穩(wěn)定的重要措施［2］。

3)為提高隧道的抗?jié)B能力:管片脫出盾尾時(shí)，在管片背面形成空殼，如果用漿液及時(shí)地填充，漿液凝固時(shí)就會(huì)形成一道防線，能夠有效提高盾構(gòu)隧道的抗?jié)B能力，以控制地下水滲入隧道。

2.1.2 背后同步注漿的加固機(jī)理

影響盾構(gòu)隧道注漿填充加固質(zhì)量的三個(gè)關(guān)鍵因素是:充填性、限域性(防止流失)、固結(jié)強(qiáng)度(早期強(qiáng)度)。

對(duì)填充的漿液應(yīng)具有以下特性:漿液充填性好，但并不會(huì)流竄到應(yīng)填充空隙以外的其它地域(如開挖面及圍巖土體);漿液流動(dòng)性好，離析少，以便長距離壓送;漿液注入時(shí)應(yīng)具備不易受地下水稀釋的特性;早期強(qiáng)度均勻，其數(shù)值與原狀土的強(qiáng)度相當(dāng);漿液硬化后的體積收縮率和滲透系數(shù)小;無公害且價(jià)格便宜。上述部分特性是相互矛盾的，所以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)特性并非易事。

客村站—大塘站區(qū)間同步注漿選用水泥砂漿，是單液漿。此漿液的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)性好，凝固后強(qiáng)度大;缺點(diǎn)是初期強(qiáng)度小，易流失，常會(huì)從注漿處流入盾構(gòu)機(jī)的土倉，造成漿液浪費(fèi)，也易使隧道管片背后最重要的頂端部位出現(xiàn)無漿液充填的現(xiàn)象。

單液漿液在攪拌機(jī)等攪拌器中一次拌和成為可流動(dòng)的液體，再經(jīng)過注漿凝結(jié)后固結(jié)。由于水泥的水化反應(yīng)非常緩慢，所以到達(dá)固結(jié)狀態(tài)需要幾個(gè)小時(shí)。因此，注入時(shí)要求漿液是流動(dòng)性好的液態(tài)，以利于充填［3］。

為防止?jié){液和地下水倒流或進(jìn)入土倉，海瑞克盾構(gòu)機(jī)在盾尾設(shè)計(jì)有止?jié){板，但往往在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一段后，由于盾體與土體之間的磨擦，部分止?jié){板就會(huì)墮掉。

1)在盾構(gòu)始發(fā)的100多米內(nèi)，止?jié){板一般比較完整，同步注漿的漿液不會(huì)流竄到土倉，注漿壓力容易保持，管片頂部容易注漿飽滿。

2)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一段后，部分止?jié){板脫落，同步注漿壓力在管片頂部無法保持，漿液順脫落的止?jié){板流入土倉，如不采取措施，管片頂部注漿不飽滿，會(huì)形成空殼，易引起地面沉降。

3)盾構(gòu)機(jī)從客村站—大塘站區(qū)間的盾構(gòu)始發(fā)端大塘工地始發(fā)時(shí)，止?jié){板未受磨損，非常完整，所以大塘站端洞門的注漿很飽滿，洞門滲水少。盾構(gòu)機(jī)從中間風(fēng)井二次始發(fā)時(shí)，有1/4止?jié){板脫落且沒能及時(shí)修復(fù)，所以風(fēng)井處始發(fā)洞門無法注漿飽滿，造成漏水嚴(yán)重。

2.2 注漿材料

本工程采用的同步注漿材料為水泥砂漿。其由水泥，砂，粉煤灰，膨潤土，水和外加劑等組成?，F(xiàn)對(duì)其中的粉煤灰和膨潤土的性能作分析。

2.2.1 膨潤土

膨潤土是以蒙脫石為主要成分(含量大于65%)的黏土礦物。膨潤土可分為天然膨潤土、改性膨潤土、活性膨潤土。而天然膨潤土又分為鈣膨潤土和鈉膨潤土兩種。

鈣膨潤土水化膨脹的體積是當(dāng)初干燥固態(tài)體積的3～7倍，鈉膨潤土水化膨脹后的體積是當(dāng)初干燥固態(tài)體積的12～18倍。鈉膨潤土與水接觸24 h開始水化，到48 h水化結(jié)束。

膨潤土水化膨脹后，形成膏狀不透水的、可塑性膠體的隔水層，可有效降低滲水系數(shù)。所以，膨潤土膨化后擠密周圍顆粒的間隙，形成致密的抗?jié)B層，提高了凝固漿液的防滲性能。

2.2.2 粉煤灰

粉煤灰的化學(xué)成分主要是CaO(占5.02%)、SiO2(占 52.83%)、Al2O3(占 21.92%)、Fe2O3(占6.18%)，比重約 2.16，含水率約 0.4%。

粉煤灰單體固結(jié)試件起始的單軸抗壓強(qiáng)度為0.11 MPa(齡期等于零)，齡期28 d后的單軸抗壓強(qiáng)度為1.4 MPa，90 d 后為1.8 MPa。這說明粉煤灰在潮濕條件下，固結(jié)體自身有自硬性，且單軸抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長而增長。

2.3 同步注漿的漿液配合比

客村站—大塘站區(qū)間各里程的地層變化明顯，漿液配合比必須能適應(yīng)地層情況。不同地質(zhì)條件下的1 m3漿液的材料用量見表1所示。

表1 1 m3漿液的材料用量 kg

2.4 應(yīng)注意的一些問題

1)在硬巖地段盾構(gòu)注漿宜采用同步注漿和二次注漿相結(jié)合的背后注漿方式，漿液配合比要在保證砂漿稠度、傾析率、固結(jié)率、強(qiáng)度等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，延長其凝膠時(shí)間。凝膠時(shí)間控制在5～12 h，同步注漿壓力約為0.1 ～0.12 MPa。

2)地下水發(fā)育時(shí)，漿液的凝膠時(shí)間應(yīng)采用短一些的。對(duì)于自穩(wěn)能力較差的強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化巖層和黏土層，單液漿和雙液漿都可選用，凝膠時(shí)間控制在4 ～7 h，同步注漿壓力控制在0.15 ～0.20 MPa，必要時(shí)進(jìn)行二次襯砌強(qiáng)注漿或采取地層加固輔助施工措施。

3)對(duì)于自穩(wěn)性差的軟弱黏土地層，當(dāng)盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)，土體出露后很快就可能坍塌，待進(jìn)行注漿時(shí)盾尾空隙可能已很小。因此，同步注漿時(shí)可適當(dāng)增大注漿壓力，以獲得更好的充填效果。

4)在富含水地層中的注漿要能夠迅速阻水、快速充填。因此，要求漿液凝固時(shí)間短、黏土性大、保水性強(qiáng)、不離析，凝膠時(shí)間為4～6 h。若掘進(jìn)時(shí)已建立了一定的土壓或氣壓，則應(yīng)盡量確保盾尾密封完好，以防止倉中的水由盾尾被壓入管片背后。當(dāng)管片背后已被水充填，則需要提高注漿壓力以便將地下水隨著漿液的推進(jìn)而被擠入土體中。

5)在盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)段，總體上要求縮短漿液的凝膠時(shí)間，以便在填充地層的同時(shí)能盡早獲得漿液固結(jié)體強(qiáng)度，以保證開挖面安全，并防止從洞口處漏漿。

3 結(jié)語

從客村站—大塘站盾構(gòu)工程的整個(gè)施工效果來看，注漿質(zhì)量把握較好，地面沉降控制在+10 mm～－30 mm內(nèi)，未引起周圍建筑物的沉降、傾斜、開裂等不良現(xiàn)象。本工程失敗之處是，在施工參數(shù)調(diào)整上過于保守。例如:在試驗(yàn)段，主要地質(zhì)是殘積土、巖石全風(fēng)化帶地層，注入率λ應(yīng)該從1.6下調(diào)到1.4，但施工時(shí)不敢下調(diào)，故導(dǎo)致浪費(fèi);在中風(fēng)化地層中，在盾尾止?jié){板部分已脫落的情況下，注漿壓力已不必要達(dá)到0.15 MPa，但施工指令仍然要求達(dá)到0.15 MPa，致使大量漿液竄入土倉，造成了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

［1］烏健.廣州地鐵巖溶區(qū)盾構(gòu)施工地層變形特性研究［J］.鐵道建筑，2012(8):51.

［2］劉建偉，宋娟娟，曾龍廣.土壓平衡盾構(gòu)施工地鐵引起的地表沉降分析［J］.路基工程，2012(5):123.

［3］栗晉華.隧道盾構(gòu)單雙液結(jié)合多序注漿技術(shù)探討［J］.中國科技信息，2012(13):58.