广州地铁3号线盾构区间同步注浆施工技术

孙立功,金 花,庞旭卿,郭亚宇

(陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000)

1 工程概况

广州地铁3号线客—大区间采用两条分离式的单线盾构隧道,单线长度1 484 m,两线间距15.2～11.2 m,隧道纵断面埋深9～37 m。混凝土管片衬砌,管片外径6 000 mm,内径5 400 mm,厚度300 mm,宽度1 500 mm,环间采用错缝拼装。1台盾构机施工,盾构机长8 325 mm,刀盘直径6 280 mm,盾尾直径6 230 mm。

该隧道主要穿越〈7〉岩石强风化带、〈8〉岩石中风化带、〈9〉岩石微风化带,岩性为泥质粉砂岩、〈6〉岩石全风化带；局部穿越〈5-1〉可塑或稍密状残积土、〈5-2〉硬塑或中密状残积土。隧道上方主要为中风化、强风化、残积层。通过地层属较软地层,岩质较均一,有一定自稳能力,但节理裂隙较发育,局部易碎裂坍塌。

本区间下穿建筑物共150栋,房屋层数多为2～9层,以天然基础为主；有少量的高层,桩较长。

2 盾构施工同步注浆技术

本标段采用1台海瑞克土压平衡盾构机进行施工。根据区间地质情况、地面建筑、掘进模式,采用以同步注浆为主,二次补浆和地面跟踪注浆为辅的3种注浆形式。

2.1 同步注浆加固的机理2.1.1 注浆填充加固关键因素

充填性,限域性(防止流失),固结强度(早期强度)。对浆液的特性要求如下。

(1)充填性好,并不流窜到应填充空隙以外的其他地域(不流失到开挖面及围岩土体中去)。

(2)浆液流动性好,离析少,以便能长距离压送。

(3)浆液注入时应具备不易受地下水稀释的特性。

(4)背后注浆填充后,希望早期强度能均匀,其数值与原状土的强度相当。

(5)浆液硬化后的体积收缩率和渗透系数要小。

(6)无公害、价格便宜。

上述部分条件是相互矛盾的,所以实现上述目标并不是一件容易的事。客—大区间同步注浆选用水泥砂浆,是单液浆,此浆液的优点是流动性好,凝固后强度大；缺点是初期强度小,易流失,常会从受损或脱落的止浆板流入盾构机的土仓,造成浆液浪费,也易使隧道管片背后最重要的顶端部位出现无浆液充填的现象。

2.1.2 单液浆液硬化特性及注浆机理

单液浆液在搅拌机等搅拌器中一次拌和成为流运的液体,再经过液体——固体的中间状态(流动态、凝结及可塑状凝结)后,固结(硬化)。但是,由于水泥的水化反应非常缓慢,所以达到固结需要几个小时。因此注入时要求浆液是流动性好的液态,以利于充填。

客—大盾构隧道主要穿过有一定自稳性的强风化带和中风化带,针对此地层,水泥砂浆的注浆机理可用4种模式来表示。海瑞克盾构机在盾尾设计有止浆板,为防止浆液和地下水倒流到盾体外部,或进入土仓,但往往在盾构机掘进一段后,止浆板就会堕掉(由于盾体与土体之间的摩擦)。

在盾构始发的100多m内,止浆板一般比较完整,同步注浆的浆液不会流窜到土仓,注浆压力容易建立,管片顶部容易注饱满。止浆板完整时的注浆模式如图1所示。

注：①最先注入的浆液；②第二批注入的浆液；③第三批注入的浆液；④未充填到的部位。图1 止浆板完整时的注浆模式

盾构机掘进一段后,部分止浆板脱落,同步注浆压力在管片顶部无法建立,浆液顺脱落的止浆板流入土仓,若不采取措施,管片顶部注不饱满,形成空壳,易引起地面沉降。部分止浆板脱落后注浆的模式如图2所示。

图2 部分止浆板脱落后的注浆模式

盾构机从客—大盾构始发端大塘工地始发时,止浆板未受磨损,非常完整,所以大塘端洞门注浆很饱满,洞门渗水小。盾构机中间风井二次始发时,有1/4止浆板脱落,而且没能及时修复,所以风井始发洞门无法注饱满,漏水严重。下面是两种洞门注浆模式。

止浆板完整时的洞门注浆模式如图3(盾构第一次始发)所示。

图3 止浆板完整时的洞门注浆模式

无止浆板时的洞门注浆模式如图4(盾构风井始发)所示。

图4 无止浆板时的洞门注浆模式

由图1～图4可见，单液型浆液在注入时完全没有自立性的流体,形成后注浆液顺次推压先注的浆液,使浆液逐渐充填到前方的形态。

2.2 同步注浆加固设备

海瑞克盾构机自带自动注浆系统,使用的两个注浆泵为全液压双缸双出口活塞注浆泵。该泵由电动液压泵站提供动力。

搅拌站采用四川核工业部出产的JDY500C型搅拌机,配有自动上料和电子计量系统。每锅进料800 L,出料500 L,搅拌时间25～30 s,每小时拌浆量25 m3。运浆车是隧道局生产的8 m3运浆车,带有自动搅拌系统。拌和站到运浆车的下浆管采用φ200 mm的铁管,下浆管靠近储浆罐一侧安装阀门。运浆车到盾构机砂浆存储罐的上浆管采用φ100 mm的软管。

2.3 同步注浆加固施工工艺

浆液在搅拌站配置好以后,则砂浆运输车(即搅拌叶片)运至注浆站,通过软管抽送至砂浆存储罐内(即搅拌罐),连接好注浆管路,并设定压力、流量进行注浆。在每个注浆孔出口设置分压器,以便对各注浆压力和注浆量进行检测与控制,从而获得对管片背后对称均匀压注。注浆流程见图5。

2.4 同步注浆加固材料

同步注浆材料为水泥砂浆,由水泥、砂,粉煤灰,膨润土,水和添加剂等组成。

2.5 同步注浆加固主要技术参数

客—大区间各里程地层变化明显,浆液配比必须适应地层特性。每m3各种浆液配比见表1～表4。

表2 〈6〉全风化带、〈5-1〉、〈5-2〉残积土中浆液配比 kg/m3

表3 〈7〉强风化带浆液配比 kg/m3

表4 〈8〉中风化带、〈9〉微风化带浆液配比 kg/m3

2.6 同步注浆量确定

注浆量的确定是以盾尾建筑空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑。适当的饱满系数,以保证达到充填实的目的,根据施工实际,饱满系数包括由注浆压力产生的压密系数,取决于地质情况的土质系数,施工消耗系数,由掘进方式产生的超挖系数等。一般主要考虑压密系数和超挖系数。以上饱满系数在考虑时须累计。

同步注浆量经验计算公式

Q=qλ

式中q——充填体积；

q=п(b2-d2)L/4

其中q——盾构施工引起管片背面的空隙，m3；

b——盾构切削外径，m；

d——预制管片外径，m；

L——回填注浆段长即预制管片每环长度。

λ——注浆率；

λ=a1+a2+a3+a4+1

其中a1——压密系数，取0.3～0.5,

a2——土质系数，取0.05～0.15；

a3——施工损耗系数，取0.1～0.20；

a4——超挖系数，取0.1～0.2。

在〈6〉全风化带、〈5-1〉、〈5-2〉残积土中注浆率取120%～150%,在〈7〉强风化带、〈8〉中风化带、〈9〉微风化带注浆率取180%～215%。从目前的施工实际来看λ均位于135%～215%,这与工法、土质、浆液及注入压力等因素有关系。

2.7 同步注浆压力确定及控制2.7.1 注浆压力确定

注浆压力主要取决于地层阻力,但与浆液特性、土仓压力、设备性能、管片强度也有关系。注浆压力通常为0.1～0.3 MPa,一般计算是不准确的,必须结合现场实际情况和地面沉降监测分析数据来确定。本工程注浆压力统计结果是：〈6〉及以下的地层中,一般在0.15～0.3 MPa；〈7—9〉的岩层中,注浆压力取决于围岩条件和裂隙水压力,一般在0.1～0.15 MPa。洞口注浆压力0.06～0.15 MPa。

混凝土管片,当注入压力为4 MPa左右时,K型管片的螺栓会被剪断。

2.7.2 注浆压力控制

注浆过程有注浆压力、注浆量两个控制标准,以注浆压力控制注浆过程为主；如果地层自稳性好,地下水压小时,以注浆量控制为主。

客—大盾构区间盾构始发的前200 m内是〈5〉、〈6〉号地层。理论注浆量为6.0 m3,海瑞克盾构机注浆泵为活塞式注浆泵,每冲程理论的注浆量为12 L,由于活塞泵前面的储浆囊里经常有凝结的水泥块,根据经验,每冲程的注浆在10～11 L,施工时一般按10 L考虑,6 m3浆液冲程数就是600个。

海瑞克盾构机注浆管沿盾尾圆周方向均匀布置,相临两个注浆管的圆心角为90°。注浆管布置见图6。

注：1.阴影部分为1、4号管注浆范围；2.空白部分为2、3号管注浆范围；3.1、4号注浆量：2、3号注浆量≅3∶1图6 注浆管布置

注浆过程控制要求如下：

(1)①、④号管注浆量应达到450冲程,注浆压力控制在0.15～0.25 MPa；

(2)②、③号管注浆量应达到150冲程,注浆压力控制在0.15～0.3 MPa；

(3)当4条注浆管的冲程与掘进长度不成比例,注浆量偏小时,调大①、②、③、④号管注浆压力,加快注浆速度；

(4)②、③号管注浆冲程能超过100个,注浆压力接近0.3 MPa时,一般不要调大；

(5)当4条注浆管的压力都大于限值时,停止注浆,以防堵管。

2.8 同步注浆速度

注浆速度应与掘进速度相匹配,所以注浆泵的单环注浆量要满足注浆速度的需求。

Qv=Q×V×t/L0

式中Qv——在长度V×t范围内理论注浆量，1×10-3m3；

Q——理论注浆量，1×10-3m3；

V——掘进速度，mm/min；

t——掘进有效时间，min；

L0——管片宽度减去150 mm。

若掘进速度稳定,Qv与t是线性关系。

同步注浆结束标准为注浆压力达到设计压力,注浆量达到设计注浆量的80%以上,对注浆不足或注浆效果不好的地方进行二次补强注浆,以增加注浆层的密实性并能提高防水效果。

3 结论

(1)在硬岩地段盾构注浆易采用同步注浆和二次注浆相结合的背后注浆方式,浆液配比要在保证砂浆稠度、离析率、固结率、强度等指标的基础上延长其凝胶时间,控制在5～12 h,同步注浆压力约为0.1～0.12 MPa。地下水发育时,浆液的凝胶时间调短。

(2)在自稳能力较差的强风化、全风化岩地层和黏土层,盾构注浆,单液浆和双液浆都可选,凝胶时间适当缩短为4～7 h,同步注浆压力为0.15～0.2 MPa,必要时进行二次衬砌强注浆以及采取地层加固辅助施工措施。

(3)在自稳性差的软弱黏土地层,盾构向前推进,土体出露后很快就可能坍塌,待进行注浆时盾尾空隙可能已经很小,因此同步注浆时,可适当增大注浆压力,以获得更好的充填效果。

(4)在富含水地层中注浆要求能迅速阻水,快速充填。故要求浆液凝固时间短,黏性大,保水性强,不离析,凝胶时间在4～6 h,若掘进时建立了土压或气压,则应尽量确保盾尾密封完好,以防止仓中的水由盾尾被压入管片背后。当管片背后已被水充填,则需要提高注浆压力，以便将地下水随着浆液的推进被挤入土体中。

(5)在盾构始发和到达段,总体上要求缩短浆液凝胶时间,以便在填充地层的同时能尽早获得浆液固结体强度,保证开挖面安全并防止从洞口处漏浆。

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