复合地质条件下盾构施工同步注浆研究与应用

邵海龙 何 新 商洪峰

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)



复合地质条件下盾构施工同步注浆研究与应用

邵海龙 何 新 商洪峰

(中交隧道工程局有限公司，北京 100088)

介绍了盾构施工工程注浆技术特点，通过调整胶砂比及胶凝体系，系统比较了不同配比的砂浆的稠度、流动性、泌水率、强度等相关性能，结合工程实际应用效果，得到了适合高渗透性富水复合地层的同步注浆浆液，为以后类似工程提供借鉴。

盾构，复合地层，同步注浆，试验

0 引言

盾构法由于施工过程对地面环境影响小，施工速度快、安全而成为在城市地铁隧道以及市政设施隧道施工的一种重要手段。在盾构法隧道的施工中，盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径，随着盾构的推进，管片拼装完毕并脱离盾尾后会与周围土体形成一个环形间隙，称为盾尾间隙。施工产生的盾尾间隙除了会造成地面沉降以外，还会影响盾构机的姿态控制，并对管片拼装、隧道止水产生不利影响；因此进行盾尾处注浆是盾构施工中必要的关键工序。同步注浆不仅可以控制地层位移，减少对周边及地下结构物的扰动；同时可充当环外第一道防水线，对维持隧道的稳定性十分重要。

本文针对同步注浆的特性，结合上软下硬复合地层地质条件，制备适合实际工程使用的以粉煤灰为主，复掺水泥和膨润土的活性同步注浆砂浆。

1 注浆方式及工程地质

1.1 注浆方式

本盾构机的同步注浆系统采用常用的砂浆注浆方式，由地面拌浆系统拌制后，通过搅拌车运送至三号车架，利用车架上的设备泵送至一号车架上的浆桶，在盾构机推进时，通过6点注出口注入土体，及时充填建筑空隙，防止地面沉陷。为了保证同步注浆浆液能有效的注入土体，必须保证6点位置管路注出口的压力分别大于相应各位置盾尾泥水压力，由于考虑到隧道上浮等因素，注入量也会因此进行调节，直接导致注浆压力的调整，四个断面的注浆压力设定差值略小于理论值。

注浆压力的确定，注浆压力根据该公式P=P1+P2+P3进行设定；其中P为注浆压力；P1为相应位置的切口水压力；P2为管阻(根据长江隧道管阻压力试验，取2bar)；P3为常数，取1.5bar，P上=P+1bar，P下=P-1bar。

1.2 工程地质条件

本工程盾构在掘进至约里程SDK4+710处，需穿越砾砂、圆砾及卵石和砂岩层等复合地层，属于国内较为复杂的复合地质条件工程之一，其盾构掘进段(SK4+710～SK4+810)区间江底至盾构机底部地质情况详见表1。

表1 硬岩段地层分布一览表

该掘进区域内地质比较复杂属于上软下硬复合地层，盾构主要穿越砂砾、圆砾及卵石和粉砂岩地层；在砂砾，卵石地层中，其母岩成分以石英砂岩，燧石及灰岩为主，渗透系数10-4m/s，为高透水的砂卵石地质，自稳性差；强风化粉砂岩层其石英含量达到65%，平均强度约60MPa～80MPa，最高达120MPa，属于高强度硬岩。

为实现壁后注浆的目的和要求，注入浆液必须迅速、充分的填充盾尾空隙，综合分析地质及工程特性，本区段选用少量掺入水泥的硬性浆液进行盾尾同步注浆。注浆浆液应具有以下特点:

1)良好的和易性(流动性)且离析少，3h流动度大于18cm；

2)浆液的固化时间可以控制，可以在规定的时间内固化(8h～24h)，既不会浆液固化太快造成浆液管堵塞，也不会太慢，以致无法约束管片的位移，并产生隧道在浆液中漂移的现象；

腹痛是AP的重要症状，本组术后腹痛发生率达5.95%，其中的12.5%患者进展为AP。通过对腹痛评分的ROC曲线分析，预测 EUS-FNA术后AP腹痛评分的临界值为5.5分。为了减少EUS-FNA术后AP的误诊和便于临床应用，当腹部疼痛评分>5分时需要定时监测血清淀粉酶。

3)有一定的早期强度，其数值与原状土的强度相当，浆液的固化过程中不发生泌水现象，硬化后的体积收缩率小，渗透系数小；

4)应有合适的稠度(10cm～14cm)，不被泥水和地下水稀释；

5)有较好的强度和动力学性能，且在泥水的作用下不会降低。

2 试验材料及配合比

2.1 试验材料

水泥：南京海螺P.O42.5普通硅酸盐水泥，相关性能见表2。

粉煤灰：南京华能Ⅱ级灰，相关性能见表3。

砂：江西赣江细砂，细度模数1.9，含泥量2.1%。

减水剂：山西桑穆斯建材化工有限公司生产的萘系列缓凝高效减水剂。

拌合用水：自来水。

表2 水泥性能指标

表3 粉煤灰性能指标 %

2.2 试验配合比

本阶段同步注浆砂浆的胶凝材料体系由水泥、粉煤灰和膨润土共同组成。其中水泥的掺入对砂浆早期强度的形成贡献较大，但一定程度上将缩短浆液的凝结时间；粉煤灰为火山灰质材料，具有潜在的碱激发活性，是砂浆形成胶凝能力的主要原因之一；膨润土的引入主要为提升砂浆的工作性能。此外，膨润土遇水膨胀的特性还能补偿砂浆的干燥收缩、减少微裂缝的生成，增加砂浆的粘结能力。依据工程经验，试验室通过调整胶砂以比及胶凝材料体系进行试拌，从中优选出5组配合比进行比较，如表4所示。

表4 试验配合比

2.3 试验结果

2.3.1 工作性

砂浆的稠度、流动度、分层度、泌水率、凝结时间等性能依照砂浆基本性能试验JGJ/T70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准进行试验，流动性参照T0507—2005水泥胶砂流动度测定方法进行；试验结果见表5。

表5 砂浆性能指标

由表5可知，胶砂比对砂浆稠度的影响显著，当胶砂比由0.36增至0.44时，砂浆的稠度和流动度增加非常明显，随着时间的增长，且稠度和流动度的经时损失也有明显的下降趋势；这是因为膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，具有高分散性、吸附性、吸水膨胀等特性，在水解后能够使砂浆的稳定性提高，同时其滑动效应可提高砂浆的滑动性及可泵性，避免或减少砂浆在泵送的过程中堵管现象的发生，且遇水膨胀的特性还能补偿砂浆的干燥收缩、减少微裂缝的生成，增加砂浆的粘结能力[4,5]，掺入粉煤灰能明显增大新砂浆的浆体体积，大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑骨料颗粒，从而使砂浆拌和物具有更好的粘聚性和流动性。粉煤灰的形貌效应可以减少浆体—骨料间的界面摩擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善砂浆的工作性能；同时泌水率随着胶砂比的增加有减小的趋势，这是因为胶凝材料与水的水化反应加大，使砂浆中的自由水减少，同时膨润土本身有很强的吸湿性，从而导致泌水率的减小。砂浆的凝结时间也随着胶砂比的增大而增加。

2.3.2 抗压强度

参照JGJ/T70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准对上述配比制得的砂浆进行3d,7d及28d强度测试，得出砂浆的抗压强度与水胶比的关系见图1。

由图1可知，砂浆抗压强度随龄期的增长而提高，随胶砂比的增加而增大。胶砂比越高意味着胶凝材料用量越大，胶凝材料生成的水化产物也越多，因而抗压强度得到提升。综合考虑本工程特点的地质情况，结合浆液的工作性、早期强度及后期强度发展趋势以及经济性等因素，选用胶砂比为0.42配比的活性浆液进行该区域的同步注浆。

3 沉降监测及结论

在盾构掘进过程对盾构段同步进行监控量测，监控量测的结果将对同步注浆配比及注浆量的调整提供重要依据。结合工程及地质特点，本区域监测报警值设置为：沉降速率3mm/d；累计沉降量-30mm,+10mm，“-”表示沉降，“+”表示上抬，监测数据整理后见表6。

表6 监测数据表 mm

从表6可知，对于复合地质条件下采用H4组配合比能够很好的控制地面沉降及管片的上浮，提高了隧道的整体稳定性；可有效封堵该富水复合地层中的承压水，且浆液的工作性能良好、注浆过程中未发生堵管现象，工程实际应用效果较好，满足该高渗透性富水地层中盾构掘进施工同步注浆要求。

[1]贺雄飞,王光辉.单液活性同步注浆浆液的配合比试验.隧道建设,2010(2):9-14.

[2]王树清,蔡胜华,蒋硕忠.盾构法隧道施工同步注浆材料研究.长江科学院院报,1998(8):28-30.

[3]李方贤,龙世宗,陈友治.膨润土对砂浆性能的调控作用.第三届全国商品砂浆学术交流会论文集.2009.

[4]罗云峰,区 希,张厚美,等.地铁隧道盾构法同步注浆用水泥砂浆的试验研究.混凝土,2004(8):72-75.

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[6]宋晓冉,李秋义,王 坤.功能组分对粉煤灰自密实混凝土性能的影响.低温建筑技术,2011(4):23-26.

Studyandutilizationofsynchronousgroutingduringshieldconstructiononcomplexgeologicalcondition

ShaoHailongHeXinShangHongfeng

(CCCC Tunnel Engineering Co.， Ltd， Beijing 100088， China)

Thispaperintroducedthegroutingtechnologycharacteristicsofshieldconstructionengineering,throughtheadjustmentofcementsandratioandgelsystem,systemcomparisonofdifferentratiomortarconsistency,mobility,bleedingrate,strengthandotherrelatedproperties,combiningwiththeapplicationeffectofengineeringpractice,obtainedthesynchronousgroutingslurrysuitableforhighpermeabilitywaterrichandcomplexformation,providereferencedforsimilarproject.

shield,compositeformation,synchronousgrouting,test

1009-6825(2015)01-0184-03

2014-10-20

邵海龙(1985- )，男，助理工程师； 何 新(1988- )，男，助理工程师； 商洪峰(1987- )，男，助理工程师

U

A