王 成， 王國義

(中電建成都建設(shè)投資有限公司, 四川 成都 610212)

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盾構(gòu)隧道同步注漿新型雙液注漿材料的研究與應(yīng)用

王 成， 王國義*

(中電建成都建設(shè)投資有限公司, 四川 成都 610212)

盾構(gòu)隧道的上浮易導(dǎo)致隧道管片錯(cuò)臺、破損、滲漏和隧道超限等問題，進(jìn)而影響到地鐵隧道的驗(yàn)收與運(yùn)營。通過分析管片上浮的主要原因，提出改進(jìn)同步注漿設(shè)備，并在盾尾處采用常規(guī)同步漿液與聚丙烯酰胺水溶液(雙液漿)相混合注入管片與開挖面之間的空隙。通過實(shí)驗(yàn)分析得出，注入空隙處的雙液漿短時(shí)間內(nèi)增稠，漿液成為塑性體，使管片的浮力降低許多，抗水分散性明顯提高。通過實(shí)際應(yīng)用，此種新型雙液漿有效地填充了管片與開挖面之間的間隙，使隧道上浮量明顯降低，提高了成型隧道的質(zhì)量，解決了盾構(gòu)隧道上浮的難題。

盾構(gòu)； 隧道； 管片上?。?同步注漿； 雙液漿； 塑性體； 抗水分散性

0 引言

近年來，盾構(gòu)法憑借其安全、可靠、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于各大城市地鐵建設(shè)中。然而，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)錯(cuò)臺、破損，甚至出現(xiàn)隧道局部或整體上浮[1]，最終導(dǎo)致管片質(zhì)量差和隧道超限，從而影響地鐵的正常運(yùn)營。

作為盾構(gòu)施工常見的工程問題，盾構(gòu)隧道施工中的管片上浮問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，且部分學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究。如： 季昌等[2]通過管片施工期上浮影響因素的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，提出在非膠凝材料摻量不變的基礎(chǔ)上，隨著粉灰比、水灰比的減小,漿液抗壓強(qiáng)度、黏聚力提高，初凝時(shí)間縮短，管片上浮量減小；肖明清等[3]通過計(jì)算分析，提出在軟土地層中采用早期強(qiáng)度低、流動(dòng)性大的注漿材料有利于減少施工期管片上??；王新等[4]分析影響隧道上浮的物理環(huán)境和工藝操作，得出可能產(chǎn)生隧道上浮力的主要因素；杜闖東等[5]研究分析了施工中出現(xiàn)管片上浮問題的根源；曹文宏等[6]研究了隧道襯砌上浮的必然性和力學(xué)機(jī)制。已有研究主要分析隧道上浮影響機(jī)制、上浮影響因素、上浮的量化計(jì)算模型和工程中可采用的處理措施，但對于盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)及膠凝材料的研究均存在不足。

本文對盾構(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[7]，雙液漿對管片的浮力低，抗水分散性明顯加強(qiáng)。通過實(shí)際應(yīng)用，隧道管片基本無上浮現(xiàn)象，盾尾空隙注漿填充飽滿，注漿量明顯降低，基本解決了長期困擾盾構(gòu)施工的隧道上浮難題。

1 盾構(gòu)隧道管片上浮的主要原因與目前控制措施

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： 管片自身的重力G1、管片內(nèi)部的載荷G2、漿液對隧道的浮力F浮、抵抗隧道上浮的黏結(jié)力F黏和側(cè)向摩擦阻力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[8]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；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管片的浮力F浮，同時(shí)提高抵抗隧道上浮的黏結(jié)力F黏和側(cè)向摩擦阻力F阻。

盾構(gòu)施工過程中同步漿液在隧道外(攪拌站)拌合，攪拌完成后放至盾構(gòu)工作井中轉(zhuǎn)站，然后由運(yùn)輸漿車運(yùn)至盾構(gòu)臺車，經(jīng)導(dǎo)漿泵泵送至盾構(gòu)臺車同步漿箱。隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，使用KSP注漿泵經(jīng)長達(dá)20 m的注漿軟管和盾尾內(nèi)的注漿管將漿液注入至管片與開挖面之間的空隙，同步漿液從攪拌至最后注入至少需要 4～6 h。為了防止同步漿液凝固與注漿管堵塞，要求同步漿液具有優(yōu)良的流塑性[9]，初凝時(shí)間一般在6 h以上，終凝時(shí)間達(dá)30多 h。注入管片背面的同步漿液由于與地層中的滲水相混合，使同步漿液變稀，凝固時(shí)間變長。由于管片背面同步漿液完全凝固時(shí)間很長，盾尾后同步漿液對管片的浮力累積，當(dāng)浮力累積值大于管片的約束力時(shí)，管片會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)臺、破損與上浮。因此，盾構(gòu)隧道管片上浮的主要原因之一是同步漿液不及時(shí)凝固而產(chǎn)生浮力所致。

1.2 目前管片上浮控制措施及存在問題

常規(guī)可凝性同步漿液[10]由水泥、粉煤灰、砂、膨潤土和水組成。為控制管片上浮，現(xiàn)有常規(guī)控制管片上浮的措施有： 1)提高水泥和膨潤土用量，降低同步漿液凝結(jié)時(shí)間，提高同步漿液黏稠度，但隨之出現(xiàn)的是同步漿液凝結(jié)、注漿管堵塞等問題。實(shí)際施工中操作者人為地提高同步漿液中水的含量，提高漿液的流動(dòng)性[11]，防止注漿管堵塞，但造成的后果是同步漿液完全凝固所需的時(shí)間很長。2)在盾尾后側(cè)已經(jīng)拼裝管片處將管片吊裝孔打開，使用雙液注漿泵注入水泥-水玻璃雙液漿，雙液漿迅速凝結(jié)，以抵抗同步漿液的上浮力；但注入水泥-水玻璃雙液漿材料和人工成本都比較高，注入量和范圍小，凝結(jié)強(qiáng)度低，上浮量雖有所降低但仍然存在多種問題，雖被施工單位廣泛采用，但未達(dá)到最優(yōu)效果。3)降低盾構(gòu)施工進(jìn)度，延長脫出盾尾管片的漿液凝結(jié)時(shí)間，但此種做法會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)施工進(jìn)度慢。

對于常規(guī)的水泥-水玻璃雙液漿，由于凝結(jié)時(shí)間短、容易使注漿管堵塞、影響最后一排盾尾刷壽命、成本高、可操作性差等多種原因，一直未被作為同步漿液廣泛采用。

綜上所述，目前無較好的方法能夠解決同步漿液浮力造成管片錯(cuò)臺、破損、滲漏與隧道上浮問題。解決同步漿液對管片的上浮問題，需要同步漿液在注入過程中流塑性非常好，注入后稠度值小、抗水分散性好。

3)從浮標(biāo)站風(fēng)速的月變化看,全年共出現(xiàn)兩個(gè)峰值,一個(gè)是冬春轉(zhuǎn)換季節(jié)3月份前后；另一個(gè)為臺汛期,這兩個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)較大陣風(fēng)的頻率也是全年中最高的。

2 新型雙液漿的選定

通過大量的試驗(yàn)并查找相關(guān)資料，尋求在常規(guī)同步漿液中加入一種液體(如有機(jī)膨潤土、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、植物膠、黃原膠、減水劑等的水溶液)，能夠達(dá)到同步漿液注入后所需求的稠度值小、抗水分散性好的性能，并最終選定了聚丙烯酰胺[12]。

聚丙烯酰胺是一種高分子聚合物，是水溶性高分子化合物[13]中廣泛應(yīng)用的品種之一，主要應(yīng)用于水處理、造紙、石油、煤炭、礦冶、地質(zhì)、輕紡、建筑等工業(yè)部門，具有增稠性、黏合性、絮凝性、降阻性等特性。

3 常規(guī)同步漿液與新型雙液漿的對比試驗(yàn)

為了對比常規(guī)同步漿液與加入聚丙烯酰胺水溶液的雙液漿[14]的性能，按照常規(guī)同步漿液的配合比(如表1所示)配制成漿液[15]，一部分備用，一部分加入聚丙烯酰胺水溶液(如表1所示)，并充分?jǐn)嚢?，形成雙液漿。通過試驗(yàn)，對2種漿液(如圖1所示)的性能進(jìn)行對比，如表2所示。

從表2可以看出： 新型雙液漿與常規(guī)同步漿液相比，密度、析水率、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、28 d抗壓強(qiáng)度、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，無外力作用失去流動(dòng)性，漿液屈服強(qiáng)度顯著提高[16]；新型雙液漿的稠度值[17]遠(yuǎn)小于常規(guī)同步漿液，抗水分散性能[18]遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)同步漿液。

表1 常規(guī)同步漿液與新型雙液漿的配合比

(a) 新型雙液漿

(b) 常規(guī)同步漿液

2種漿液對管片作用的浮力試驗(yàn)。將2種漿液分別裝入紙杯內(nèi)，并將一個(gè)塑料杯壓入漿液中一定體積(65 mL)，然后往塑料杯內(nèi)加水至塑料杯不再上浮為止(如圖2所示)，此時(shí)將裝水的塑料杯取出，清理殘留在塑料杯外側(cè)的漿液。對杯和水進(jìn)行稱重，其質(zhì)量為同步漿液對壓入一定體積的廣義浮力，廣義浮力除以廣義體積就是廣義浮力密度。塑料杯壓入雙液漿中不加水，塑料杯也不上浮。具體試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 常規(guī)同步漿液與新型雙液漿性能與成本統(tǒng)計(jì)

圖2 浮力試驗(yàn)

表3 常規(guī)同步漿液與新型雙液漿的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

Table 3 Buoyant force test results of new type two-component grout and conventional grout

名稱廣義浮力/g廣義浮力密度/(g/mL)常規(guī)同步漿液881.35新型雙液漿140.22

從浮力試驗(yàn)可以看出： 常規(guī)同步漿液流動(dòng)性好，對管片的廣義浮力大，廣義浮力密度大于管片的廣義密度(0.5 g/mL)，管片將上?。恍滦碗p液漿已經(jīng)成為塑性體，無流動(dòng)性，廣義浮力密度小于管片的廣義密度，管片不上浮。因此，新型雙液漿對管片的浮力遠(yuǎn)小于常規(guī)同步漿液對管片的浮力。

4 同步注漿設(shè)備的設(shè)計(jì)

為了確保新型雙液漿的順利注入，對雙液漿注入系統(tǒng)進(jìn)行如圖3所示的設(shè)計(jì)。雙液漿中A液(常規(guī)同步漿液)依然采用常規(guī)KSP泵D1[19]注入，漿液進(jìn)入盾尾注漿管前增加一個(gè)三通，雙液漿B液在此與A液相混合，在混合過程中經(jīng)盾尾注漿管注入管片與開挖面間的空隙。在連接橋處安裝帶有攪拌系統(tǒng)的1 m3B液攪拌罐，聚丙烯酰胺與水在罐中攪拌，經(jīng)截止閥D2、螺桿泵D3、管路、單向閥D4注入盾尾注漿管路。當(dāng)盾尾注漿管路堵塞、螺桿泵出口注漿壓力升高至螺桿泵允許最高壓力時(shí)，安全閥D5打開，B液流回?cái)嚢韫蕖ｋp液漿中的A液、B液注漿速度都可以進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，以滿足注雙液漿所需的不同配合比。

圖3 雙液漿注入系統(tǒng)示意圖

5 應(yīng)用實(shí)例

成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間2條隧道分別采用常規(guī)同步漿液和新型雙液漿進(jìn)行同步注漿，掘進(jìn)進(jìn)度都按12環(huán)/d(18 m)控制。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，停止注入新型雙液漿中的B液，繼續(xù)注入一定體積的A液，將盾尾注漿管中漿液由雙液漿替換成單液漿，防止停機(jī)再次注漿時(shí)盾尾注漿管堵塞。

通過對隧道左右線進(jìn)行監(jiān)測，注入常規(guī)同步漿液時(shí)，管片脫離盾尾后開始上浮，并伴隨錯(cuò)臺發(fā)生，脫離盾尾18 m上浮量達(dá)到最大(60 mm)，脫離盾尾30 m上浮量有所降低(50 mm)，并一直保持此上浮量[20]不變。注入新型雙液漿，管片脫離盾尾后無上浮量，基本無錯(cuò)臺，注漿量減少20%左右。

6 結(jié)論與建議

2)常規(guī)同步漿液本身流動(dòng)性好、抗水分散性能差，同時(shí)受地層水影響，導(dǎo)致盾構(gòu)施工期間漿液凝固時(shí)間較長，管片浮力大，致使隧道管片上浮嚴(yán)重。

3)新型雙液漿由于混合后短時(shí)間內(nèi)變?yōu)樗苄泽w，抗水分散性能好，廣義浮力小，隧道管片基本不上浮。

4)常規(guī)同步漿液與新型雙液漿的最大區(qū)別之處在于隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，同步注入開挖面與管片之間空隙的漿液形態(tài)由流體變?yōu)樗苄泽w，極大地降低了漿液對管片的浮力。同步注新型雙液漿適用于所有盾構(gòu)施工。

5)根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)情況，為了達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整新型雙液漿A液與B液混合比例的目的，需要對同步注漿設(shè)備進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，此程序設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步研究與應(yīng)用。

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Study and Application of New Type Two-component Grout to Simultaneous Grouting of Shield Tunnel

WANG Cheng, WANG Guoyi*
(ChengduConstructionInvestmentCo.,Ltd.,ChinaPowerConstructionCorporation,Chengdu610212,Sichuan,China)

The tunnel segment dislocation, damage and water leakage would be induced by uplift of tunnel segment. The causes of tunnel segment uplift are analyzed; the simultaneous grouting equipment is improved and two-component grout is injected to gaps between working face and tunnel segment. The testing results show that the simultaneous grouting is efficient and can reduce the uplift of tunnel segment.

shield; tunnel; segment uplift; simultaneous grouting; two-component grout; plastic material; water-resistant dispersity

2016-09-01;

2016-11-06

王成(1975—),男，四川仁壽人，1999年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，采礦工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事地鐵施工技術(shù)與管理工作。E-mail： 635809798@qq.com。*通訊作者： 王國義， E-mail： 1163812615@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.005

U 454

A

1672-741X(2017)04-0416-05