盾构掘进圆砾层、泥岩层和建筑物保护同步注浆配比试验的研究

唐宗银（中铁十六局集团有限公司，北京　100018）



盾构掘进圆砾层、泥岩层和建筑物保护同步注浆配比试验的研究

唐宗银（中铁十六局集团有限公司，北京100018）

同步注浆是指盾构推进时，在盾尾壳体和衬砌之间形成环形建筑空隙的同时进行迅速注浆，采用同步注浆是使衬砌达到合理的耐久性、安全性和经济性的重要因素之一，而浆液配比则决定了注浆的质量。盾构的同步注浆将是控制地表沉降的关键因素。在本文中，笔者主要结合工程实践，深入分析同步注浆配比试验，以供参考。

同步注浆；试验室；配比试验；现场泵送试验

1　概述

南宁市轨道交通1号线10标项目部，本施工标段共有3条盾构隧道分别是：广西大学站到白苍岭站区间，白苍岭站到火车站站区间，友爱站到火车站站区间。区间总长8790m。盾构主要下穿于圆砾层和泥岩地层，该段地下水含量丰富，地下水的渗透系数1.04×10-3m/s，采用普通的同步注浆浆液密难以控制，对于泥岩段采用普通同步注浆浆液不易充分填充。前期对3个区间房屋进行调查共264间，部分房屋修建时间长，基础浅。该区段还下穿南宁火车站多股道既有线铁路，对盾构在掘进中的沉降控制要求高，为了减低盾构掘进期间对沿线居民的生活和生产不造成影响，项目部成立同步注浆小组，针对盾构同步注浆对控制沉降以保护沿线构筑物进行研究。

1.1同步注浆的目的

同步注浆是盾构施工中必不可少并且至关重要的一环，其主要目的有以下三个方面：

（1）控制隧道周围土体的位移和沉降；

（2）控制衬砌的位移，主要是抵抗浮力和盾构机的推力作用；

（3）在衬砌周围形成第一道保护层，阻止地下水渗透进入隧道衬砌内。

1.2浆液的基本性能

（1）强度

浆液在后期必须有一定的强度，以保证在隧道衬砌周围形成永久性的固定保护层，防止衬砌的移动。

针对不同的施工阶段，应设计两种不同配合比的浆液：①常用的标准浆液，针对正常的盾构施工；②活性浆液，针对特殊施工阶段，如进洞、出洞等。

（2）塑性稠度

浆液从产浆池输送到盾构机并在储浆仓暂时存放过程中，必须保持良好的塑性状态，以便能够顺利的泵送入环形空间内。

（3）耐冲蚀性

浆液在水中和泥水中必须有一定的耐冲蚀性，以保证在隧道衬砌周围形成稳定而连续的保护层。

（4）泌水

泌水是指水分从浆液中流出，导致浆液含水量减小，降低了浆液的流动性和泵送性。为了防止浆液在泵送过程中堵塞泵送系统，应该尽量控制浆液在存储和输送过程中发生泌水。

（5）离析

离析是指由于浆液中颗粒分布不均匀，颗粒较大的砂粒沉淀在浆液底部，颗粒较小的灰浆和水则上浮到浆液表面，导致浆液均匀性变差，失去原有的性能。为了保持浆液原有的流动性和塑性，浆液在存储和输送过程中应该保持其均匀性，减小离析。

（6）内部摩擦特性

浆液应该有好的级配，以提供有效的内部机械咬合力。这样可以形成有效的内部摩擦力，该摩擦力与浆液的流变性一起作用，阻止隧道的管片上浮。

（7）流变性

浆液必须具有凝胶性质的流变性，使得浆液在流动状态下具有良好的可泵性，而在静止状态下具有保持其形状的性能。这使浆液具有内部抗剪力，与内部摩擦力一起作用，阻止隧道管片上浮。

（8）初凝

初凝是指浆液从搅拌开始直到开始失去流动性。浆液的初凝时间应该足够长，以应对施工中断等各种非正常情况。

另外，较长的初凝时间有利于浆液的生产、输送、存储和泵送，这对合理注浆是非常必要的。

（9）体积收缩率

体积收缩率也是控制浆液性能的重要参数

1.3浆液组成材料

单液浆组成：水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水、外加剂。如果盾构处于特殊的施工阶段，需要浆液具有一定的抗压强度。浆液各组成材料和基本性能如下：

（1）砂：砂在浆液中主要起骨架作用。考虑到可泵性，建议选用河砂。砂必须有良好的级配，细度模数：2.4±2mm，以保证浆液有良好的抗渗性和塑性。

（2）粉煤灰：粉煤灰在浆液中主要起填充作用，增加浆量，使浆液有良好的流动性，提供后期强度。

（3）水泥：水泥在浆液中主要是起胶结作用，增加浆量，使浆液有一定的强度。

（4）水：水在浆液里主要是在搅拌过程中使各种材料得到充分的水化。

（5）膨润土：膨润土在浆液中主要是起防止浆液不沉淀和减少堵管。

（6）外加剂：外加剂在浆液中主要起改变浆体的界面性能，提高浆体的流动性、分散性和匀质性；提高在压力情况下的保水能力；激发粉煤灰活性，提高早期和后期浆液的强度；抵消或减少浆体收缩，限制膨胀条件下提高浆液强度；改善浆体内部结构，耐久性更好。

2　同步注浆试验室配合比试验方案

2.1试验目的

根据浆液性能要求，进行试验室配合比试验，以找出符合要求的配合比。

2.2试验材料和设备

单液浆：

试验材料主要有：水泥、粉煤灰、膨润土、砂、外加剂、水。主要试验设备有：砂浆搅拌机、坍落度筒、砂浆稠度仪、砂浆凝结时间测定仪等。

同步注浆浆液的试配，按照下述三个步骤进行：

（1）初始配合比试验

单液浆组成成分的收集和初步挑选：膨润土（2种）、粉煤灰（2种）、砂（2或3种）、外加剂（FSS-8A高流态粉煤灰外加剂）、水泥（1或2种）、水。

根据各种材料的要求和性能，选择符合条件的各组成材料2～3种，进行浆液性能配合比试验。

在这一阶段中，主要根据浆液基本性能中给出的性能参数，进行浆液密度、稠度、坍落度、泌水和收缩率的测试。得出标准浆液中水泥、粉煤灰、膨润土、砂、外加剂的初始配合比。参数记录表如表1。

（2）配合比优化试验

单液浆作为同步注浆浆液中的胶凝材料，水泥、粉煤灰的种类和掺量是影响浆液的性能以及成本的主要因素。因此，在初步确定好水泥和粉煤灰的配合比后，应对其种类和掺量进行进一步的优化，以获得性能优良且成本较低的浆液。对这两种材料选择的标准是：配成浆液后的工作性。

改变水泥、粉煤灰、膨润土、外加剂的用量，同时保持砂的用量不变，测试浆液的工作性。

在保持浆液中水胶比不变的情况下，选择满足工程施工和经济要求的所有材料。

改变水泥水泥、粉煤灰、膨润土、外加剂的用量，在初步配合比（1#）的基础上递增和递减。

对每一组配合比进行试验，测定其性能指标和抗压强度试验，从而确定既经济又能有效控制地表沉降的可行性配合比。

优化试验参数记录表如表2所示。

单液浆（砂浆浆液）的性能较好，其凝结时间和强度可以根据实际施工需要进行掌控，同步注浆可操作性强，容易管理，可以作为南宁市轨道交通一号线一期工程土建施工TJSG-10标区间富水强渗透性圆砾地层盾构施工的同步注浆浆液。

推荐配合比如表3。

表3　

实践证明选用Ⅲ级粉煤灰，并运用上表配合比，可有效控制在盾构掘进过程中管片上浮以及地表沉降，对建筑物的保护可起到关键性的作用。

3　同步注浆现场泵送试验方案

配合比室内试验结束后，按照室内试验推荐配合比在现场进行泵送试验，以验证浆液与盾构施工设备的适应性。

3.1试验目的

（1）针对方案制订的浆液配比，通过测试掌握施工现场选用的砂浆泵泵送距离及注浆压力的性能指标。

（2）根据区间隧道同步注浆施工的实际输浆距离，了解砂浆经过长距离输送后的流动性变化情况。

（3）根据上述数据，确认研究的粘稠注浆浆液是否适应砂浆泵的施工要求。在确认该型设备适用的前提下，完善浆液配方为盾构掘进提供可靠参数。

3.2试验材料和设备

试验材料：水泥、粉煤灰、砂、膨润土、水、外加剂。材料和设备如表4所示。

表4　

3.3人员配备

电器和设备及管路安装、拌浆、搬运3～4人，试验记录、测试2～3人。

3.4试验内容

根据选择的配合比配置同步注浆浆液。按表5浆液配合比配制浆液。

表5　

（1）同步注浆拌制

采用强制式HZS35型砂浆搅拌机拌制浆液，1m3/拌，拌料时间为2～3min/拌，拌浆1m3。

表1　同步注浆单液浆配合比试验记录

表2　同步注浆单液浆配合比试验记录

按照顺序分别加入水泥、粉煤灰、膨润土、砂和2/3的水量，搅拌均匀后观察浆液效果，然后将剩下1/3的水全部加进去，直至搅拌3～4min，稠度值：90～110mm，坍落度：220～240mm。

（2）泵送试验

连接各注浆管，于泵吸入口及管路末端（30m处）各安装隔膜式压力表一只，同时在管路末端配闸阀。

注浆前先将水在管路中循环泵送，循环水放掉后将拌匀合格的浆液通过注浆泵吸口吸入，至管路末端泵出的浆液。

①测试浆液泵送前后的稠度值和坍落度值。

②测定浆液通过管路的时间和压力。

③测试注浆压力达0.3～0.5MPa时浆液每分钟的流量。

④正常泵送过程中，逐渐关闭闸阀至压力急剧上升时再开启闸阀，观察浆液泌水情况。然后继续泵送，记录压力表的读数。

⑤注浆压力达0.5MPa左右时浆液泵送至地面，测量浆液摊铺面积不再增加时的扩散半径R值。

循环浆液重复上述试验3次，测试各种数据。

3.5泵送试验场地布置图

图1　

4　结语

采用新型的同步注浆浆液，能有效克服以往单液浆施工管理难度大、控制地表沉降和管片上浮能力较差的问题，新型浆液通过调整浆液配比，较好的改善浆液的性能指标，不仅对控制地表沉降和控制管片上浮起到了明显的作用，而且大大减小施工管理难度，确保下穿建筑物的安全。

唐宗银（1961-），男，中级工程师，大专，主要从事工程试验检测工作。

U445.43

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2095-2066（2016）12-0193-03

2016-4-10