稳定围岩地层盾尾管片壁后注浆窜浆预防研究

汪浩 钟小春

摘 要：在稳定性地层中盾构掘进，盾尾管片壁后注浆将不可避免沿着盾壳与地层之间的缝隙窜浆到刀盘和开挖面。而普通的同步单液浆和水玻璃双液浆则不满足盾尾注浆的充填性和泵送性的要求。为此，本文采用宾汉姆流体建立了盾尾浆液流失理论计算公式，并分析了流失量与浆液性质、缝隙厚度、注浆压力的关系。在此基础上，提出了一种新型的同步双液浆，其随着时间变化，初凝时间、稠度可调。当B料的掺入比为浆液的1.5%左右时，可满足稳定性地层中同步注浆的性质要求，基本上不發生窜浆。

关键词：稳定地层;盾构;同步双注浆;窜浆

中图分类号：U175.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）31-0104-07

Study on Prevention of Grouting Slurry after Stabilizing Wall

of Shield Tail Pipe in Surrounding Rock Stratum

WANG Hao ZHONG Xiaochun

（School of Civil Engineering and Transportation， Hohai University，Nanjing Jiangsu 210000）

Abstract： In shield tunneling in stable stratum， grouting behind the shield tail segment wall will inevitably pass along the gap between shield crust and stratum to the cutter head and excavation surface. The common synchronous single slurry and water glass double slurry can not meet the filling and pumping requirements of shield tail grouting. In this paper， Bingham fluid was used to establish a theoretical formula for calculating slurry loss in shield tail， and the relationship between slurry loss and slurry properties， crack thickness and grouting pressure was analyzed. On this basis， a new type of synchronous double slurry with adjustable initial setting time and consistency was proposed. When the mixing ratio of B material was about 1.5% of the slurry， it could satisfy the requirement of synchronous grouting in the stable formation， and basically did not occur channeling.

Keywords： stable stratum;shield;synchronized double grouting;grouting channeling

1 研究背景

据统计，目前我国已经有43个城市开展地铁建设。城市地铁建设不可避免会严重影响城市交通。而盾构隧道法由于能最大限度降低对城市机能的影响，成为城市隧道建设的主流方法。设计盾构机械时，为了避免盾构推力过大对后方管片结构造成不利影响，设计的刀盘外径通常比盾壳外径稍大，因此地层与盾壳之间存在一定缝隙。在软土地质中盾构掘进时，地层很容易填满该缝隙;但如果是在稳定性地层中掘进，则该缝隙不易被填充且存在时间较长。在全断面围岩、密实砂卵石地层中盾构掘进时，盾尾管片的同步注浆液有可能沿着该缝隙向开挖面方向发生窜浆，盾尾空隙无法充填满。打开顶部的管片注浆孔，大量泥水涌入隧道，管片同步注浆起不到固定管片的作用。长时间浸泡于液态状不凝固的浆液包裹之中，刚拖出盾尾的管片环受到较大浮力，不可避免会出现管片上浮、错台或破损。拖出盾尾的管片上浮引起管片环错台如图1所示。

国内外专家对同步注浆进行了一系列研究。宋天田等[1]分析了盾构隧道盾尾同步注浆的作用机理，又进一步采用理论分析及计算的方法，对同步注浆的注浆压力和注浆量进行了研究;张雨帆[2]以同步注浆对隧道上浮及管片错台的影响为主体框架，先后对盾尾空隙浆液充填压力分布规律、浆液渗透扩散规律、注浆产生的上浮力对隧道局部错台及整体上浮的影响以及施工期管片错台规律进行了系统性研究;赵军[3]对盾构隧道同步注浆压力分布模式及其引起的地层变位展开研究，得出浆液沿隧道纵向压力分布的规律，并利用Midas/GTS大型有限元软件对盾构隧道开挖施工全过程进行三维仿真模拟，系统分析盾构掘进过程中注浆压力分布模式、同步注浆时间、等代土层厚度以及掌子面推力对地层变位的影响规律。

目前，国内同步注浆所用浆液以单液浆为主，对同步双液浆的研究较少，大部分研究集中在双液浆的性质总结和改良上。董作虎[4]等结合工程实践，从浆液材料、配比、注浆压力、注浆量及注浆要点等方面，对大管棚加注水泥-水玻璃双液浆技术进行了总结;安妮[5]探究了水泥用量和水玻璃用量对双液浆胶凝性能的影响，并发现增大水泥用量有利于浆液强度的提高，并在传统水-水玻璃双液浆的基础上，复合水泥基-水玻璃双液浆用粉煤灰和矿渣代替部分水泥掺入，利用碱激发粉煤灰和矿渣活性的特点，最终形成由低CaO/SiO2的C-S-H胶凝体和耐久性很好的无定形类沸石类物质共同构成的密实体结构，有效提高了双液浆耐久性，同时降低了成本。王红喜[6]提出以钢渣复合粉煤灰、矿渣或偏高岭土等硅铝质材料形成低水灰比的A浆液，取代水泥浆液，与水玻璃混合形成新型的高性能双液浆注浆材料，通过试验验证了该材料良好的工作性能、高固结性、高耐久性，并将该材料成功应用于武汉长江隧道施工中;刘旺[7]对水泥-水玻璃双液浆配比进行了正交设计实验，并研究了外加剂氯化铝和磷酸氢二钠对浆液凝胶时间、结石率、抗压强度的影响，最后验证了最优配比能很好地限制隧道地表沉降。

综上所述，对具有稳定性的地层进行盾构掘进，采用常用的同步注浆液单液浆进行管片壁后注浆，由于其初凝时间较长、稠度较低，不可避免会发生窜浆现象，难以充填满盾尾空隙。而采用常用的水玻璃双液浆虽然有较好的填充效果，但注浆实施过程中存在经常性堵管问题，因此并没有得到推广。本文开展了盾尾窜浆理论计算模型研究，并使用同步双液浆进行盾尾管片壁后注浆，以解决上述施工中存在的施工性和充填性矛盾，确保不发生窜浆以及充填满盾尾空隙、及时稳定管片，提高盾构掘进的效率。

2 工程概况

广州一隧道项目某盾构段由33#井始发，沿芳村大道南大致向南前行，到达34号井。区间最小半径[R]=250m，区间最大线路纵坡40‰，区间埋深为19.04～29.97m。盾构区间隧道基本位于粉砂质泥岩中风化层、泥质粉砂岩中风化层，局部位于粉砂质泥岩强风化层、泥质粉砂岩强风化层、泥质粉砂岩微风化层中。基岩稳定水位埋深为0.85～7.2m，标高为4.62～10.16m。隧道周围地层自稳性较好，在盾构机穿越后管片和地层之间会形成较大的空隙，这样同步注浆时若浆液的初凝时间较长、稠度较低时可能发生窜浆现象，浆液流入压力舱污染掌子面，严重影响施工安全和效率。

3 盾尾窜浆理论模型计算

3.1 浆液沿盾壳与土层间隙渗透模型

为了方便计算，进行以下假设：①浆液为宾汉姆流体，浆液在平板缝隙内的流速较小且恒定，只沿[L]轴单向流动，流体运动符合水力平衡条件;②浆液在注浆扩散过程中流型不变，不考虑浆液流变参数（如黏度）的时变性;③假定为理想平行平面流模型，裂缝宽度和高度均匀，即[δL=b]，[δZ=δ]。宾汉姆流体浆液是具有固相颗粒的非均匀流体（泥浆、水泥浆），其屈服值与液体中各颗粒间的静电引力有关，具有悬浮液的典型特征，流变曲线是不通过原点的直线。当外部施加的剪切力很小时，浆液只会产生类似于固体的弹性，并不会发生流动;当剪切力达到流体内部静切力后，浆体发生类似于牛顿流体的流动，其流变方程表示为：

[τ=τs+ηγ]                                  （1）

式中：[τ]为剪切应力，Pa;[τs]为静切力，Pa;[η]为塑性黏度，Pa·s;[γ]为剪切速率，其计算公式为：

[γ=du/dy]                                    （2）

分析平板窄缝中流体沿[L]轴正向的层流运动。在板内取以板轴线为对称轴，长[dL]为流体平板单元。流体微元段上两端压力为[p+dp]和[p]，段上压差为[dp]。流体单元上下表面所受剪切应力为[τ]，其方向向左，与流速方向相反，如图2所示。

在不计重力的情况下，由流体单元水力平衡条件得：

[τ=ydp/dL]                             （3）

从式（3）可知，流体单元表面的切应力[τ]与单元高度[y]和压力梯度[dp/dL]成正比，式（2）对牛顿体和非牛顿体均适用。

由式（1）（3）可得：

[γ=dudy=1ηydpdL-τs]                    （4）

对于宾汉姆流体，当[τ=ydp/dL≤τs]时，流体单元不受剪切力作用，即在平板缝隙中存在一个临界距离[yp]。当[0≤y≤yp]时，流体相对于邻层流体静止，呈活塞式整体运动，速度[u=up];而在[yp≤y≤δ/2]時，流体相对于临层处于运动状态。根据式（4）可得出：

[yp=τsdpdL]                               （5）

当平板缝隙中的流体流动为层流时，对式（5）分离变量，并考虑边界条件[y=±δ/2]时，[u]=0，则：

[u=1ηdp8dL4y2-δ2+τsδ2-y]                （6）

当[yp≤y≤δ/2]或[-δ/2≤y≤-yp]时，流速直接用式（6）表示;当[-yp≤y≤yp]，流体呈活塞式整体运动，则：

[up=1ηdp8dL4yp2-δ2+τsδ2-yp]              （7）

根据上述分析，又由图2可知，平板缝隙中的流体速度为截头抛物面形状。其流量为通过剪切区与活塞区流量之和，于是通过宽度[b]、光滑平板缝隙厚度[δ]的单位时间流量为：

[q=2bypδ2udy+2bupyp]                   （8）

将式（6）、（7）代入式（8）可得：

[q=2bηdp8dL8y3p-δ33+τsδ2-4y2p8]            （9）

[q=2bητsδ28-δ324dpdL-τs36dpdL2]                （10）

从式（10）可以看出流量[q]与塑性黏度[η]、静切力[τs]、压力梯度[dp/dL]、盾壳及地层空隙厚度[δ]有关，下面分析这四方面对流量[q]的影响。

3.2 静切力[τs]对浆液流失量的影响

取塑性黏度[η]=2Pa·s，压力梯度[dp/dL]=100kPa。浆液流失量与静切力[τs]的关系如图3所示。

由图3可知，随着浆液静切力的增大，浆液流失量呈线性降低。静切力是使宾汉姆流体产生流动的临界力，数值越大说明浆液越难以发生流动，故流失量减小。

3.3 塑性黏度[η]对浆液流失量的影响

取静切力[τs]=50Pa，压力梯度[dp/dL]=100kPa。浆液流失量与塑性黏度[η]的关系如图4所示。

由图4可知，随着塑性黏度[η]的增高，30min后的流失量呈倒数型快速降低。可见，塑性黏度直接影响浆液的流动性，若塑性黏度较高，则浆液产生剪切应变所需要的应力越大，故流动性越差，30min后的流失量就越小。

3.4 盾壳与岩层间空隙厚度对浆液流失量的影响

取塑性黏度[η]=2Pa·s，压力梯度[dp/dL]=100kPa。浆液流失量与盾壳地层空隙厚度的关系如图5所示。

由图5可知，随着盾壳与岩层空隙厚度的增大，30min后浆液的流失量呈类似指数型的趋势增大。盾壳与岩层空隙厚度增大，浆液流动时失去更多的约束，趋向于自由流动的状态，故流失量增多。观察流失量大小后发现，相对于浆液本身的性质等其他影响因素而言，盾壳与岩层间空隙厚度是最大影响因素。

3.5 注浆压力梯度对浆液流失量的影响

浆液流失量与注浆压力梯度的关系如图6所示。由图6可知，随着注浆压力升高，30min后浆液的流失量逐渐增大，且均在25kPa后流失量变化快速增加。当注浆压力较小时，浆液不会发生流动，即存在一个能使浆液流动的起始压力，这与浆液的宾汉姆流体性质是一致的。当开挖面能够建立起相应的支护压力，则盾尾的注浆压力与开挖面支护压力的相对差显著降低，则对减少浆液的流失具有积极意义。

4 盾尾窜浆预防措施

在自稳性比较好的地层中，若浆液流动性过高，稠度过低，则在同步注浆过程中，浆液很容易流向开挖面压力舱。与单液浆相比，同步双液浆具有凝结时间短、初凝时间可控等优点，可以有效防止窜浆的现象。

4.1 同步双液浆的制备

本次双液浆为AB液的形式，在传统砂浆的材料基础上增加促强干粉A组分和液体激发剂组分B组分，试验配比如表1所示，其中B料占比指的是B料占其他所有材料总重量的质量比。制备流程如图7所示。

4.2 同步双液浆的基本性质测量

本次测量了同步双液浆的初凝时间、强度、比重、泌水率等基本性质，测量结果见表2。从表2可知，B料的掺入显著降低了浆液的初凝时间，并且随着B料掺入量的不同，浆液的初凝时间是可调的，而且其早期强度也可以适当提高。很明显，本项目研发的新型浆液既可避免普通双液浆的堵管，又能很好地充填满盾尾空隙并稳定管片。

4.3 同步双液浆塑性黏度的测定

配出双液浆后、将浆液倒入NXS-11B旋转黏度计（见图8）的内筒中，目测浆液的黏度，并选取合适的转子，将转子慢慢插入内筒，使转子表面均匀覆盖浆液，启动仪器后选定一个转速，转子旋转过程中因浆液的黏性而发生扭转，等到浆液对转子的摩擦力和仪器内部的抗力相平衡时读数稳定，读取表盘度数。之后，换另一个转速重复操作记录数据。

4.3.1 剪切应力[τ]随时间的变化。分别测量了30、60、90、120、150min和180min的旋转黏度，不同档位对应不同的剪切速率，具体见表3。三种工况下的剪切应力[τ]随时间变化如图9至图11所示。

由图9、10、11可知，工况1因为没有添加B料，浆液的剪切力随时间变化不明显，剪切应力的数值为0～100Pa。而工况2和工况3因为添加了B料，浆液的剪切应力在180min内随时间增加几乎是线性变大，剪切应力较工况1增大明显，说明B料的添加在可控时间内有效提高了浆液的塑性黏度，可防止浆液流失。对比工况2和工况3的数据，发现掺入更多的B料，浆液的黏度几乎不再增加，甚至还有所下降。这说明，B料的掺入量有一个较优掺入比。

4.3.2 不同配比浆液的静切力和塑性黏度。不同工况下的不同配比浆液的静切力和塑性黏度如图12至图14所示。

为了更清楚地观察随时间变化后浆液静切力[τs]（Pa）和塑性黏度[η]（Pa·s）的变化规律，分别测量了上述三种不同配比浆液配完后30、60、90、120、150min和180min的旋转黏度，具体如表4所示。

绘出静切力和塑性黏度随时间变化的曲线，如图15和图16所示。

由图15、16可知，随着时间的增长和B料掺量的增多，浆液的塑性黏度都会增加，而静切力的变化规律并不明显。

4.4 同步双液浆防止窜浆效果检验

由表3可知浆液配完0、30、60、90、120、150min和180min后的静切力和塑性黏度，分别假设上述不同性质的浆液在30min内静切力和塑性黏度不变，由式（10）可计算浆液流失量。设同步注浆压力为200kPa，盾尾间隙厚度为10mm，计算结果如表5所示。

由表5可知，添加B料后，能显著减少浆液的流失量，工况1随着时间增长180min后浆液流失量减少67.9%，工况2减少67.3%，工况3减少78.4%。但是，B料添加量过多反而会增大浆液流失量，故在工程中应控制好掺入B料的比例。

5 结论

①本文对盾尾管片壁后浆液沿盾壳与地层空隙流失模型进行了理论研究，推导出浆液流失量的计算公式。研究发现，流失量随浆液静切力、塑性黏度增大而减小，随盾壳土层空隙厚度、注浆压力梯度增大而增大，其中盾壳土层空隙厚度对流失量的影响最大。

②与同步单液浆相比，同步双液浆初凝时间更短，塑性黏度更大，且初凝时间和稠度均可以根据实际掘进情况进行相应调整。这种特性刚好解决了稳定性地层中盾构掘进管片壁后注浆的要求，既能很有效地减少浆液流失量，防止窜浆，又可以稳定管片。

参考文献：

[1]宋天田，周顺华，徐润泽.盾构隧道盾尾同步注浆机理与注浆参数的确定[J].地下空间与工程学报，2008（1）：134-137.

[2]张雨帆.盾构隧道施工期同步注浆引起隧道上浮及管片错台研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[3]赵军.盾构隧道同步注浆压力分布模式及地层变位研究[D].深圳：深圳大学，2016.

[4]董作虎，石九州，于大举，等.多雨及软弱围岩地区隧道施工中的水泥-水玻璃双液注浆施工工艺[J].建筑施工，2019（3）：156-159.

[5]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）：128-130.

[6]王红喜.高性能水玻璃懸浊型双液灌浆材料研究与应用[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[7]刘旺.水泥-水玻璃浆液性能及其对盾构隧道地表沉降的影响研究[D].北京：北京交通大学，2017.