盾构隧道注浆抬升浆液配制技术

夏汉庸 刘 畅 陈鼐基

(1.宁波市轨道交通集团有限公司，315010,宁波; 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804,上海∥第一作者，工程师)



盾构隧道注浆抬升浆液配制技术

夏汉庸1刘 畅2陈鼐基2

(1.宁波市轨道交通集团有限公司，315010,宁波; 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804,上海∥第一作者，工程师)

注浆抬升是1种治理软土地区盾构隧道不均匀沉降的技术。其中，浆液性质是治理效果的关键因素之一。而浆液的初凝时间关系到注浆方案的确定,浆液后期强度关系到隧道治理的长久效果。结合宁波轨道交通某区间沉降治理,通过对不同配比的双液浆及单液浆展开研究,进行了大量室内试验,测定了2种浆液的初凝时间及抗压强度,为相关的盾构注浆施工提供参考。

盾构隧道; 注浆抬升; 浆液配制

First-Author′s address Ningbo Rail Transit Group Corporation,315010,Ningbo,China

软土地区盾构隧道不均匀沉降问题普遍存在[1-4],施工期隧道不均匀沉降影响铺轨,对后期运营速度产生影响,严重时会降低隧道结构的承载能力,对行车安全造成威胁。目前,国内多采用微扰动注浆法治理盾构隧道不均匀沉降[5-6],即通过在沉降隧道纵向均匀布置多个注浆孔,对每一注浆孔实施少量多次注浆,从而达到调整隧道线性、加固隧道周边土体、控制隧道沉降的目的。

在抬升工程中,根据实际情况,既会用到水泥-水玻璃双液浆(下文简称“双液浆”),也会用到外加速凝剂水泥单液浆(下文简称“单液浆”)。实际工程需要考虑建设工期和空间利用,科学安排跳孔及同孔注浆的时间间隔,合理紧凑安排注浆。这对浆液的初凝时间提出了一定的要求。

根据现有的研究发现,2种浆液的初凝时间与其浆液配比有着较大的关联[7]。现有的针对浆液初凝时间的研究还较少,部分研究成果[8-9]中有列出双液浆的初凝时间与浆液配比的关系,但其配比范围较小、初凝时间较短,并不完全适用于盾构隧道注浆抬升的实际情况,且其配比中水玻璃的含量较高,造成最终浆液结石体强度偏低、耐久性能较差[10]。

因此,本文针对双液浆与单液浆进行了大量的室内浆液配比试验,分析2种浆液初凝时间变化规律,以满足工程需要,也为今后的类似工程提供依据。

1 工程背景

本次试验研究是基于宁波市轨道交通某区间隧道抬升的工期需求而进行的。宁波市轨道交通某区间隧道采用盾构法施工,推进阶段发现某处地面突然下沉,随后对盾构和成型管片进行监测，发现沉降10 cm。沉降发生后,现场采取了二次注浆、调整参数、减低掘进速度、加强监测、盾构保压等措施。施工完成后,重新测量发现隧道最大沉降处沉降量为214 mm,从而导致成型隧道轴线曲率半径偏小。经计算,此情况下设计调坡比较困难,因此须对沉降较大区段进行抬升处理。注浆范围为第160—180环。隧道主抬升阶段发生在2013年11月6日—9日。此后抬升量小幅波动。2014年1月—4月期间,隧道受联络通道施工和上行隧道工后沉降的影响,又出现了10 mm左右的沉降。图1为隧道第168环的抬升量变化图。

图1 2013年宁波地铁某区间第168环隧道抬升量变化图

实际工程情况中，下卧⑤1土层离隧道底部只有1.5 m,旁通道左右各20环预留注浆孔,管片环与环之间有凹凸榫。据此提出“下部注浆、内部支撑、实时监控、即时调整”的思路,确定采用注浆抬升工艺对隧道线形进行整治,由于抬升量较大,在隧道内部还额外架设了支撑体系,控制隧道变形。

注浆工艺[5],以水玻璃和水泥浆体积比为3:1的双液浆作为注浆材料,水泥浆水灰比0.6～0.7,采用中性水玻璃,波美度(Be′)为35。单次注浆量为80 L,注浆时间4 min左右。其中，水泥浆注浆速度为14～16 L/min;水玻璃注浆速度为5～6 L/min。

通过注浆，隧道抬升量达到甚至超过预期值,但支撑轴力偏大,并有增大趋势。为减小轴力以降低后期拆撑风险,保证支撑拆除后隧道收敛值在设计安全范围内,制定了单液浆侧向注浆方案。

注浆由第160环至第180环，跳2环注浆,注浆压力为0.2～0.3 MPa,单次注浆量为50 L,单次注浆时间为4 min。单次注浆深度为20 cm,由管片外20 cm注至100 cm深度。如压力超过0.3 MPa,则停止注浆。

由于工期原因,需尽快完成注浆,因此要不间断注浆。为了防止第2次注浆时喷浆,需要配置初凝时间在3 h左右的单液浆,现场经过反复试验,采用了表1的配比浆液。由于浆液的凝结效果仍与目标有所差距,因此，进行了实验室的专题配制研究。借此次实践机会,积累数据和经验,同时进行了双液浆的配比试验以及后期的强度试验,即使强度试验无法对此次抬升工程起到指导作用,也对今后的类似工程有借鉴作用。

表1 单液浆配比表

2 浆液配比试验

2.1 试验材料

(1) 水泥。水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥,其由硅酸盐水泥熟料、5%～20%的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料组成。

(2) 水玻璃。水玻璃模数选用3.3,波美度为40。

(3) 速凝剂。选用TD型速凝剂。此速凝剂掺用后对后期强度影响小，呈碱性，无毒无刺激性气味。

2.2 试验仪器及步骤

本此试验采用标准法维卡仪测定浆液的初凝时间,其原理是通过初凝试针插入深度的变化来判断初凝的完成情况。根据规范,当试针的插入深度减小量达到4±1 mm时,可认为浆液达到初凝状态。这个过程所花费的时间即为初凝时间。

双液浆试验中,首先选定1个配比组,根据水灰比称量一定量的水泥和水,将水泥倒入水中并搅拌,制得水泥浆。再根据水玻璃和水泥浆的体积比及维卡仪试碗的大小量得一定体积的水泥浆和水玻璃,倒入水泥净浆搅拌机的试碗中搅拌均匀。最后将搅拌好的浆液倒入试碗中。

单液浆试验与双液浆试验不同的是,在称量水泥的同时,根据速凝剂掺量称得一定量的速凝剂,并将水泥和速凝剂混合均匀,再倒入水中搅拌成浆液。

2.3 试验结果及分析

2.3.1 初凝时间结果分析

对于双液浆,水泥浆与水玻璃的体积比(Vc∶Vs)对浆液初凝时间的影响见图2。

图2 Vc:Vs对浆液初凝时间的影响

由图2可知,在各种工况组合下,浆液初凝时间在1～ 246 min范围内变化。同一水玻璃加量时,浆液的水灰比越大,所需的初凝时间越长。同一水灰比时,浆液初凝时间随着Vc∶Vs值的增大而增大。当Vc∶Vs<12时,浆液初凝时间在50 min以下,初凝时间的变化幅度较为平缓。当12

对于单液浆试验,水泥质量与速凝剂质量的比值(mc∶mtd)对浆液初凝时间的影响见图3。

图3 mc∶mtd对浆液初凝时间的影响

由图3可知,在各种工况组合下,浆液初凝时间在1～561 min范围内变化。同一速凝剂加量时,浆液的水灰比越大,所需的初凝时间越长。同一水灰比时,浆液初凝时间随着mc∶mtd值的不同呈现出不同的变化规律,当mc∶mtd在2.5～4之间时,浆液的初凝时间先增大后减小,初凝时间在mc∶mtd=3.5时达到最大。当45时,初凝时间的增量逐渐放缓。

2.3.2 抗压强度结果分析

根据现有研究,两类浆液由于初凝时间较短,水泥的水化作用不充分,从而导致浆液的结石体强度偏低。故本次试验还检测了浆液结石体的抗压强度,统计结果见表4、表5。

不同水灰比下Vc∶Vs对结石体抗压强度的影响如图4所示。

由图4可知,试块养护3 d后,其抗压强度随着Vc∶Vs的增大而增大;养护7 d后的变化趋势与3 d的相同,但增长趋势相比养护3 d后有所减缓;14 d后试块的抗压强度随着体积比的增加,呈现出先增加后减小的发展趋势;28 d后试块的抗压强度相比14 d增长不明显,强度增长在2 MPa以内。Vc∶Vs=8时,浆液的抗压性能较好。其中，水灰比为0.5时的28 d抗压强度达到27 MPa。

不同水灰比下mc∶mtd对结石体抗压强度的影响如图5所示。

表4 双液浆结石体抗压强度检测结果

表5 单液浆结石体抗压强度检测结果

由图5可知,试块养护3 d、7 d、14 d后,其抗压强度基本随着mc∶mtd的增加而减小。并且强度减小的趋势逐渐变小,其中水灰比为0.5,mc∶mtd=2.7时的28 d抗压强度达到最大36.1 MPa。

对于埋深小于20 m的结石体,其上部覆土压力在0.32～0.40 MPa之间,故试验所得浆液结石体在该荷载下均能满足要求。

2.3.3 浆液配比的选择

如前文所述,在注浆抬升工程中选择浆液的初凝时间主要应考虑单孔注浆的时间间隔,因此,理论上只要浆液的初凝时间小于单孔注浆时间间隔即能满足工程需要。然而实际工程中,隧道内浆液的配置条件远不如试验室,浆液配比会在一定范围内浮动,故在选择浆液配比时应充分考虑这种浮动引起的初凝时间变化。

图4 不同水灰比下Vc∶Vs对结石体抗压强度的影响

由图3可知,在mc∶mtd=4时,浆液初凝时间达到极小值,其所掺入的速凝剂量少、浆液初凝时间短,理论上该种浆液最经济、合理。但不难看出，当mc∶mtd略大于或小于4时,浆液的初凝时间急剧变化。因此若考虑配比的浮动范围,该类浆液的初凝时间较难控制,若此时注浆时间间隔与浆液的初凝时间较为接近,则较易发生喷浆现象。

图6和图7为两种浆液初凝时间变化率与其配比的关系图。其中，初凝时间变化率为单位配比值变化量(即mc∶mtd或Vc∶Vs的变化量)所引起的初凝时间的变化。可以发现，双液浆初凝时间的变化较为平稳,尤其是在Vc∶Vs<10时,其浆液初凝时间变化率较小,浆液初凝时间与配比的关系不大。单液浆在mc∶mtd<4且水灰比<0.7时,浆液初凝时间变化较为平稳,但当水灰比≥0.7时,浆液初凝时间变化率较大。

图5 mc∶mtd对结石体抗压强度的影响

图6 双液浆初凝时间变化率

因此,对于Vc∶Vs<10的双液浆或水灰比<0.7、mc∶mtd<4的单液浆,施工时可对单孔注浆的时间间隔做精细化的控制,而对于mc∶mtd=4、水灰比≥0.7的单液浆,其初凝时间较难控制,使用时应适当延长注浆的时间间隔。

图7 单液浆初凝时间变化率

此外,考虑到双液浆的性能会随着时间逐渐衰减[10],在实际工程中,除非在工期特别紧张、注浆时间间隔特别短(小于30 min)的情况下,可采用水泥-水玻璃双液浆。一般情况下,建议采用调整配比后的外加速凝剂水泥单液浆进行注浆抬升作业。

3 结语

根据以上试验研究可知,浆液的凝固特性受多方面因素影响,水灰比、水玻璃加量、速凝剂掺量等都会影响其初凝时间。

水泥-水玻璃双液浆试验中,水灰比越大,初凝时间越长。水玻璃加量越大,浆液的初凝时间越短。当Vc∶Vs<12时,浆液初凝时间在50 min以下,初凝时间的变化幅度较为平缓。当12

外加速凝剂单液浆试验中,水灰比越大,初凝时间越长;当2.55时,初凝时间的增量逐渐放缓。

考虑施工时浆液配比的浮动范围,并结合浆液初凝时间的变化率,对于Vc∶Vs<10的双液浆或水灰比<0.7、mc∶mtd<4的单液浆,施工时可对单孔注浆的时间间隔做精细化的控制；而对于mc∶mtd=4、水灰比≥0.7的单液浆,其初凝时间较难控制,使用时应适当延长注浆的时间间隔。

考虑浆液的长期性能,一般情况下,建议采用外加速凝剂的水泥单液浆作为注浆抬升的浆液材料。

[1] 韦凯,宫全美,周顺华.基于蚁群算法的地铁盾构隧道长期沉降预测[J].铁道学报,2008,(4):79.

[2] 汪小兵.盾构穿越引起运营隧道沉降的注浆控制研究[J].地下空间与工程学报,2011(5):1035.

[3] 曹奕.软土中盾构隧道的长期非线性固结变形研究[D].杭州：浙江大学,2014.

[4] 庄丽,张银屏.软土地层盾构隧道渗漏水量与沉降关系的模拟分析[J].中国建筑防水,2006(6):13.

[5] 王如路,陈颖,任洁,等.微扰动注浆技术在运营隧道病害治理及控制中的应用[J].地下工程与隧道,2013(增1):52.

[6] 刘训华.盾构隧道纵向不均匀沉降的压密注浆控制技术[J].地下工程与隧道,2014(1):16.

[7] 邝健政.岩土注浆理论与工程实例[M].北京：科学出版社,2001.

[8] 王胜,陈礼仪,史茂君.水泥-水玻璃浆液凝固特性试验研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2012(4):35.

[9] 安妮,赵宇,石文广,等.水泥-水玻璃双液浆的特性试验研究及应用[J].铁道建筑,2011(12):128.

[10] 潘志华,程建坤.水泥速凝剂研究现状及发展方向[J].建井技术,2005(2):22.

[11] 高永.微扰动双液注浆纠编技术在南京地铁盾构隧道病害治理中的应用[J].城市轨道交通研究，2015(6)：109.

中国中车在印度和南亚建立的首个工厂投产

8月20日，在位于印度新德里和孟买之间的哈里亚纳邦巴沃工业园区，由中车永济电机有限公司和印度先锋贸易公司合资组建的中车先锋(印度)电气有限公司正式投产。这是我国高铁制造企业中国中车在印度和南亚建立的首个铁路工厂。中国中车副总裁余卫平表示，中国中车还要进一步建立转向架、车体、牵引系统这些核心部件和整机的工厂。据介绍，中车先锋(印度)电气有限公司主要生产和维修铁路电机，为印度铁路提供技术支持。同时为石油钻井、风力发电、矿山装备提供整套电传动系统。该公司于2014年设立，总投资6 340万美元，其中中车永济电机有限公司持股51%，印度先锋贸易公司持股49%。历经两年多的厂房建设，如今已具备投产条件。据了解，印度铁路是全球最大的铁路体系之一，铁路网约64 000 km。中国中车自2007年进入印度市场，迄今为止已经为印度提供了地铁、调车机车、铁路电机、曲轴、轮对等铁路车辆和部件。目前，中国中车已经在印度获得将近300辆地铁车辆的订单，这些地铁列车运行在德里、孟买、加尔各答等城市的地铁线路上。

(摘自2016年8月22日《科技日报》，记者矫阳报道)

On the Grout Configuration for Shield Tunnel Grouting Uplift

XIA Hanyong,LIU Chang, CHEN Naiji

Grouting uplift is a technical method to treat uneven settlement of shield tunnel in soft soil areas. In engineering, grout properties is a key factor to influence the treatment effect, because the initial setting time of grout concerns the scheme of grouting, and long-term strength of grout concerns the treatment effect. According to the uneven settlement treatment of a shield tunnel section in Ningbo rail transit, laboratory tests are conducted, aiming at the initial setting time and the compressive strength of two kinds of grout with different ratios, which will provide a reference for relevant grouting construction in shield tunnelling.

shield tunnel; grouting uplift; grout configuration

U 455.49

10.16037/j.1007-869x.2016.09.025

2015-06-07)