盾構(gòu)掘進(jìn)圓礫層、泥巖層和建筑物保護(hù)同步注漿配比試驗(yàn)的研究

唐宗銀（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京　100018）

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盾構(gòu)掘進(jìn)圓礫層、泥巖層和建筑物保護(hù)同步注漿配比試驗(yàn)的研究

唐宗銀（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京100018）

同步注漿是指盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，在盾尾殼體和襯砌之間形成環(huán)形建筑空隙的同時(shí)進(jìn)行迅速注漿，采用同步注漿是使襯砌達(dá)到合理的耐久性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一，而漿液配比則決定了注漿的質(zhì)量。盾構(gòu)的同步注漿將是控制地表沉降的關(guān)鍵因素。在本文中，筆者主要結(jié)合工程實(shí)踐，深入分析同步注漿配比試驗(yàn)，以供參考。

同步注漿；試驗(yàn)室；配比試驗(yàn)；現(xiàn)場泵送試驗(yàn)

1　概述

南寧市軌道交通1號(hào)線10標(biāo)項(xiàng)目部，本施工標(biāo)段共有3條盾構(gòu)隧道分別是：廣西大學(xué)站到白蒼嶺站區(qū)間，白蒼嶺站到火車站站區(qū)間，友愛站到火車站站區(qū)間。區(qū)間總長8790m。盾構(gòu)主要下穿于圓礫層和泥巖地層，該段地下水含量豐富，地下水的滲透系數(shù)1.04×10-3m/s，采用普通的同步注漿漿液密難以控制，對(duì)于泥巖段采用普通同步注漿漿液不易充分填充。前期對(duì)3個(gè)區(qū)間房屋進(jìn)行調(diào)查共264間，部分房屋修建時(shí)間長，基礎(chǔ)淺。該區(qū)段還下穿南寧火車站多股道既有線鐵路，對(duì)盾構(gòu)在掘進(jìn)中的沉降控制要求高，為了減低盾構(gòu)掘進(jìn)期間對(duì)沿線居民的生活和生產(chǎn)不造成影響，項(xiàng)目部成立同步注漿小組，針對(duì)盾構(gòu)同步注漿對(duì)控制沉降以保護(hù)沿線構(gòu)筑物進(jìn)行研究。

1.1同步注漿的目的

同步注漿是盾構(gòu)施工中必不可少并且至關(guān)重要的一環(huán)，其主要目的有以下三個(gè)方面：

（1）控制隧道周圍土體的位移和沉降；

（2）控制襯砌的位移，主要是抵抗浮力和盾構(gòu)機(jī)的推力作用；

（3）在襯砌周圍形成第一道保護(hù)層，阻止地下水滲透進(jìn)入隧道襯砌內(nèi)。

1.2漿液的基本性能

（1）強(qiáng)度

漿液在后期必須有一定的強(qiáng)度，以保證在隧道襯砌周圍形成永久性的固定保護(hù)層，防止襯砌的移動(dòng)。

針對(duì)不同的施工階段，應(yīng)設(shè)計(jì)兩種不同配合比的漿液：①常用的標(biāo)準(zhǔn)漿液，針對(duì)正常的盾構(gòu)施工；②活性漿液，針對(duì)特殊施工階段，如進(jìn)洞、出洞等。

（2）塑性稠度

漿液從產(chǎn)漿池輸送到盾構(gòu)機(jī)并在儲(chǔ)漿倉暫時(shí)存放過程中，必須保持良好的塑性狀態(tài)，以便能夠順利的泵送入環(huán)形空間內(nèi)。

（3）耐沖蝕性

漿液在水中和泥水中必須有一定的耐沖蝕性，以保證在隧道襯砌周圍形成穩(wěn)定而連續(xù)的保護(hù)層。

（4）泌水

泌水是指水分從漿液中流出，導(dǎo)致漿液含水量減小，降低了漿液的流動(dòng)性和泵送性。為了防止?jié){液在泵送過程中堵塞泵送系統(tǒng)，應(yīng)該盡量控制漿液在存儲(chǔ)和輸送過程中發(fā)生泌水。

（5）離析

離析是指由于漿液中顆粒分布不均勻，顆粒較大的砂粒沉淀在漿液底部，顆粒較小的灰漿和水則上浮到漿液表面，導(dǎo)致漿液均勻性變差，失去原有的性能。為了保持漿液原有的流動(dòng)性和塑性，漿液在存儲(chǔ)和輸送過程中應(yīng)該保持其均勻性，減小離析。

（6）內(nèi)部摩擦特性

漿液應(yīng)該有好的級(jí)配，以提供有效的內(nèi)部機(jī)械咬合力。這樣可以形成有效的內(nèi)部摩擦力，該摩擦力與漿液的流變性一起作用，阻止隧道的管片上浮。

（7）流變性

漿液必須具有凝膠性質(zhì)的流變性，使得漿液在流動(dòng)狀態(tài)下具有良好的可泵性，而在靜止?fàn)顟B(tài)下具有保持其形狀的性能。這使?jié){液具有內(nèi)部抗剪力，與內(nèi)部摩擦力一起作用，阻止隧道管片上浮。

（8）初凝

初凝是指漿液從攪拌開始直到開始失去流動(dòng)性。漿液的初凝時(shí)間應(yīng)該足夠長，以應(yīng)對(duì)施工中斷等各種非正常情況。

另外，較長的初凝時(shí)間有利于漿液的生產(chǎn)、輸送、存儲(chǔ)和泵送，這對(duì)合理注漿是非常必要的。

（9）體積收縮率

體積收縮率也是控制漿液性能的重要參數(shù)

1.3漿液組成材料

單液漿組成：水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、水、外加劑。如果盾構(gòu)處于特殊的施工階段，需要漿液具有一定的抗壓強(qiáng)度。漿液各組成材料和基本性能如下：

（1）砂：砂在漿液中主要起骨架作用?？紤]到可泵性，建議選用河砂。砂必須有良好的級(jí)配，細(xì)度模數(shù)：2.4±2mm，以保證漿液有良好的抗?jié)B性和塑性。

（2）粉煤灰：粉煤灰在漿液中主要起填充作用，增加漿量，使?jié){液有良好的流動(dòng)性，提供后期強(qiáng)度。

（3）水泥：水泥在漿液中主要是起膠結(jié)作用，增加漿量，使?jié){液有一定的強(qiáng)度。

（4）水：水在漿液里主要是在攪拌過程中使各種材料得到充分的水化。

（5）膨潤土：膨潤土在漿液中主要是起防止?jié){液不沉淀和減少堵管。

（6）外加劑：外加劑在漿液中主要起改變漿體的界面性能，提高漿體的流動(dòng)性、分散性和勻質(zhì)性；提高在壓力情況下的保水能力；激發(fā)粉煤灰活性，提高早期和后期漿液的強(qiáng)度；抵消或減少漿體收縮，限制膨脹條件下提高漿液強(qiáng)度；改善漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，耐久性更好。

2　同步注漿試驗(yàn)室配合比試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)漿液性能要求，進(jìn)行試驗(yàn)室配合比試驗(yàn)，以找出符合要求的配合比。

2.2試驗(yàn)材料和設(shè)備

單液漿：

試驗(yàn)材料主要有：水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、外加劑、水。主要試驗(yàn)設(shè)備有：砂漿攪拌機(jī)、坍落度筒、砂漿稠度儀、砂漿凝結(jié)時(shí)間測定儀等。

同步注漿漿液的試配，按照下述三個(gè)步驟進(jìn)行：

（1）初始配合比試驗(yàn)

單液漿組成成分的收集和初步挑選：膨潤土（2種）、粉煤灰（2種）、砂（2或3種）、外加劑（FSS-8A高流態(tài)粉煤灰外加劑）、水泥（1或2種）、水。

根據(jù)各種材料的要求和性能，選擇符合條件的各組成材料2～3種，進(jìn)行漿液性能配合比試驗(yàn)。

在這一階段中，主要根據(jù)漿液基本性能中給出的性能參數(shù)，進(jìn)行漿液密度、稠度、坍落度、泌水和收縮率的測試。得出標(biāo)準(zhǔn)漿液中水泥、粉煤灰、膨潤土、砂、外加劑的初始配合比。參數(shù)記錄表如表1。

（2）配合比優(yōu)化試驗(yàn)

單液漿作為同步注漿漿液中的膠凝材料，水泥、粉煤灰的種類和摻量是影響漿液的性能以及成本的主要因素。因此，在初步確定好水泥和粉煤灰的配合比后，應(yīng)對(duì)其種類和摻量進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以獲得性能優(yōu)良且成本較低的漿液。對(duì)這兩種材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)是：配成漿液后的工作性。

改變水泥、粉煤灰、膨潤土、外加劑的用量，同時(shí)保持砂的用量不變，測試漿液的工作性。

在保持漿液中水膠比不變的情況下，選擇滿足工程施工和經(jīng)濟(jì)要求的所有材料。

改變水泥水泥、粉煤灰、膨潤土、外加劑的用量，在初步配合比（1#）的基礎(chǔ)上遞增和遞減。

對(duì)每一組配合比進(jìn)行試驗(yàn)，測定其性能指標(biāo)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，從而確定既經(jīng)濟(jì)又能有效控制地表沉降的可行性配合比。

優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)記錄表如表2所示。

單液漿（砂漿漿液）的性能較好，其凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度可以根據(jù)實(shí)際施工需要進(jìn)行掌控，同步注漿可操作性強(qiáng)，容易管理，可以作為南寧市軌道交通一號(hào)線一期工程土建施工TJSG-10標(biāo)區(qū)間富水強(qiáng)滲透性圓礫地層盾構(gòu)施工的同步注漿漿液。

推薦配合比如表3。

表3　

實(shí)踐證明選用Ⅲ級(jí)粉煤灰，并運(yùn)用上表配合比，可有效控制在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中管片上浮以及地表沉降，對(duì)建筑物的保護(hù)可起到關(guān)鍵性的作用。

3　同步注漿現(xiàn)場泵送試驗(yàn)方案

配合比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)束后，按照室內(nèi)試驗(yàn)推薦配合比在現(xiàn)場進(jìn)行泵送試驗(yàn)，以驗(yàn)證漿液與盾構(gòu)施工設(shè)備的適應(yīng)性。

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）針對(duì)方案制訂的漿液配比，通過測試掌握施工現(xiàn)場選用的砂漿泵泵送距離及注漿壓力的性能指標(biāo)。

（2）根據(jù)區(qū)間隧道同步注漿施工的實(shí)際輸漿距離，了解砂漿經(jīng)過長距離輸送后的流動(dòng)性變化情況。

（3）根據(jù)上述數(shù)據(jù)，確認(rèn)研究的粘稠注漿漿液是否適應(yīng)砂漿泵的施工要求。在確認(rèn)該型設(shè)備適用的前提下，完善漿液配方為盾構(gòu)掘進(jìn)提供可靠參數(shù)。

3.2試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料：水泥、粉煤灰、砂、膨潤土、水、外加劑。材料和設(shè)備如表4所示。

表4　

3.3人員配備

電器和設(shè)備及管路安裝、拌漿、搬運(yùn)3～4人，試驗(yàn)記錄、測試2～3人。

3.4試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)選擇的配合比配置同步注漿漿液。按表5漿液配合比配制漿液。

表5　

（1）同步注漿拌制

采用強(qiáng)制式HZS35型砂漿攪拌機(jī)拌制漿液，1m3/拌，拌料時(shí)間為2～3min/拌，拌漿1m3。

表1　同步注漿單液漿配合比試驗(yàn)記錄

表2　同步注漿單液漿配合比試驗(yàn)記錄

按照順序分別加入水泥、粉煤灰、膨潤土、砂和2/3的水量，攪拌均勻后觀察漿液效果，然后將剩下1/3的水全部加進(jìn)去，直至攪拌3～4min，稠度值：90～110mm，坍落度：220～240mm。

（2）泵送試驗(yàn)

連接各注漿管，于泵吸入口及管路末端（30m處）各安裝隔膜式壓力表一只，同時(shí)在管路末端配閘閥。

注漿前先將水在管路中循環(huán)泵送，循環(huán)水放掉后將拌勻合格的漿液通過注漿泵吸口吸入，至管路末端泵出的漿液。

①測試漿液泵送前后的稠度值和坍落度值。

②測定漿液通過管路的時(shí)間和壓力。

③測試注漿壓力達(dá)0.3～0.5MPa時(shí)漿液每分鐘的流量。

④正常泵送過程中，逐漸關(guān)閉閘閥至壓力急劇上升時(shí)再開啟閘閥，觀察漿液泌水情況。然后繼續(xù)泵送，記錄壓力表的讀數(shù)。

⑤注漿壓力達(dá)0.5MPa左右時(shí)漿液泵送至地面，測量漿液攤鋪面積不再增加時(shí)的擴(kuò)散半徑R值。

循環(huán)漿液重復(fù)上述試驗(yàn)3次，測試各種數(shù)據(jù)。

3.5泵送試驗(yàn)場地布置圖

圖1　

4　結(jié)語

采用新型的同步注漿漿液，能有效克服以往單液漿施工管理難度大、控制地表沉降和管片上浮能力較差的問題，新型漿液通過調(diào)整漿液配比，較好的改善漿液的性能指標(biāo)，不僅對(duì)控制地表沉降和控制管片上浮起到了明顯的作用，而且大大減小施工管理難度，確保下穿建筑物的安全。

唐宗銀（1961-），男，中級(jí)工程師，大專，主要從事工程試驗(yàn)檢測工作。

U445.43

A

2095-2066（2016）12-0193-03

2016-4-10