复合地层盾构施工泡沫剂与同步注浆参数研究

王 强，王治宇，李 顺，王季科，章定文

(1. 中建八局轨道交通建设有限公司，南京 210046； 2. 东南大学交通学院，南京 211189)

随着城市地下空间的开发与利用，盾构施工技术因对周围环境影响小、成形质量高、安全可靠、施工进度快等优点，被广泛应用于城市轨道交通隧道工程以及市政隧道工程[1]。

盾构施工技术中盾尾间隙的大小是由盾构钢壳的厚度和盾尾操作空间决定的，一般在8～16 cm[2]。盾尾间隙过大容易使土体处于无支护状态并发生位移，从而产生地面沉降造成地面建构筑物沉降或隧道偏移，通过同步注浆可以有效填充盾尾间隙，从而降低盾构施工对周围环境的影响。

刘大鹏[3]研发了几种经济环保的泡沫剂，并通过室内试验与现场试验证明该泡沫剂具有很好的土体改良效果，减少了刀盘前泥饼黏结现象的出现；王卫华[4]对几种经济环保泡沫剂的发泡量和半衰期这两个因素进行研究，结果表明，根据发泡剂表面活性剂含量确定发泡剂复掺可以提高发泡剂的利用率；杨栋[5]以太达村隧道为工程背景，详细阐述了注浆压力和材料水灰比对隧道体积收缩率的影响；Liao等[6]根据土层压力确定注浆压力，认为注浆压力不应小于盾壳上部土压，同时也不应大于盾壳下部土压，该方法可以更简便地计算注浆压力，但由于现场施工地层情况复杂，地层压力难以确定；宋天田等[7]在前人研究的基础上得出土体极限劈裂状态下的注浆压力公式，该公式适用于埋深范围在10～20 m的土体；苟长飞[8]通过室内试验确定浆液在不同地层中的扩散系数，得出盾构同步注浆量的预测公式。注浆参数是保障盾构施工安全的关键因素，但注浆参数的选择与土层地质情况、隧道埋深、浆液渗透率等因素有关，为研究复合地层的注浆参数，本文以南京城际轨道交通盾构下穿句容河区间段为研究对象，对同步注浆浆液配比、注浆压力、注浆量和盾构发泡剂成分及功能进行研究。

1 工程概况

盾构下穿句容河段示意图如图1所示。

图1 盾构下穿句容河区间段示意图

盾构隧道断面位于中风化粉砂质泥岩中，上部为强风化粉砂质泥岩、含碎石粉质黏土、淤泥质填土等，属弱～微透水层，地表水对工程的影响较小。该工程采用土压平衡盾构，盾构刀盘切削直径为6.48 m，管片外径为6.20 m。隧道正常段埋深在18～22 m，在句容河底埋深逐渐减小至9.69 m。本次盾构隧道外径为6.24 m，设计管片外径为6 200 mm，内径为5 500 mm，管片宽度为1 200 mm，管片厚度为350 mm，管片由1个封顶块、2个邻接块和3个标准块组成。双线盾构中左线先行，领先右线40环左右。

2 盾构注浆安全控制研究

2.1 泡沫剂与浆液的选择和配比

盾构刀盘前方的土体如果不经过特殊处理，则会在刀盘前方形成泥条导致刀盘卡住，土仓内土体的流动性也会因此大大降低，从而影响盾构土仓压力的稳定，因此盾构施工过程中必须对刀盘土仓内的土体进行处理。

目前常采用的处理方式是通过泡沫剂对盾构土仓内的土体进行改良，使得土仓内的土体处于塑性流动状态，同时在刀盘转动过程中利用刀盘将改良后的土体在切削面边缘形成一层泥膜，提高土仓内渣土的稠度，防止地下水涌入隧道[9]。渣土改良的泡沫剂至关重要，泡沫剂的主要化学成分及性质如表1所示。

表1 泡沫剂的主要化学成分及性质

盾构施工常用的浆液有水泥浆液和C-S浆液(水泥水玻璃浆液)。C-S浆液的胶凝时间短，浆液的扩散阻力大，后期结石体强度较低，价格昂贵，比较适合用于特殊工程以及大直径盾构工程；水泥浆液的胶凝时间在4 h左右，浆液的扩散阻力相对较小，后期结石体强度较高。

为让浆液扩散到更远的位置以及后期地铁运行的稳定，本次盾构同步注浆材料选用改良的水泥浆液。因水泥浆液的配比对同步注浆效果有明显的影响，经施工现场多次试验后得到同步注浆浆液配比，在该配比下浆液具有良好的流动性，浆液终凝时间为3～4 h。同步注浆浆液配比如表2所示。

表2 同步注浆浆液配比

2.2 盾构注浆压力控制研究

盾构机掘进过程中刀盘切削土体的直径通常比管片外径大8～16 cm[2]，因此会在盾尾部分形成建筑间隙，为了减少盾构施工对周围土体的扰动，应采用及时注浆的方式对盾尾间隙进行填充。注浆压力直接影响着盾尾注浆质量的好坏，若注浆压力过大，会导致注浆劈裂周围土体，引起盾尾与上部河流产生水力联系，影响盾构的安全实施；若注浆压力过小，会引起管片周围土体变形过大，导致地表出现较大沉降。因此，合理的注浆压力是盾构施工过程中控制盾构隧道安全掘进的关键。

土压平衡盾构在正常掘进过程中，为了维持开挖面的稳定性，需要在开挖面施作一定的支护力。盾构机工作时需不断地调整掘进速度和排土量，以保证开挖面处于动态平衡的状态，使盾构土仓压力保持在一个稳定的范围，现场盾构施工中可通过在盾构机土仓内安置土压力盒实时监测土仓压力。

盾构左右线下穿句容河区间段的土仓压力与注浆压力曲线如图2所示。

(a) 左线

(b) 右线图2 盾构左右线下穿句容河区间段的土仓压力与注浆压力曲线

由图2可知，盾构隧道的土仓压力与注浆压力存在显著的相关性，这是由于下穿句容河区间段的盾构隧道埋深逐渐减小，盾构掘进过程中的土仓压力也相应减小。为避免盾构隧道掘进过程中因注浆压力过大导致同步注浆浆液劈裂土层，或引起隧道掘进面与上部河流产生水力联系，导致河水渗入刀盘切割面对盾构施工的安全性以及近接线施工的桥梁桩基产生较大的影响，因此下穿河道段盾构隧道的注浆压力应随土仓压力的变化而及时更改。盾构隧道的土仓压力可以通过安装在盾构土仓内的土压力盒准确、及时地得到，因此可根据土仓压力指定合理的注浆压力进而准确地指导盾构实施的安全进行。

土仓压力与注浆压力的关系曲线如图3所示。同一土仓压力对应多个注浆压力时应取注浆压力的平均值，对注浆压力与注浆量进行拟合可以得到下式：

图3 土仓压力与注浆压力的关系曲线

Pg=0.99+0.68P0
R2=0.88

(1)

式中，Pg为注浆压力，MPa；P0为土仓压力，MPa；R2为拟合曲线方差。

3 盾构同步注浆量计算

理论上，同步注浆量就是填充盾尾建筑空隙的体积，考虑盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透(与地质情况有关)、注浆材料固结收缩等因素的影响，盾构同步注浆量的计算式为[8]

Q=Vλ

(2)

λ=1+λ1+λ2+λ3+λ4

(3)

式中，Q为同步注浆量，m3；λ为同步注浆率；V为盾尾建筑空隙体积，m3。

由于目前盾构隧道同步注浆量理论值与实际需求值存在一定的误差，应缩小同步注浆量理论计算量与实际注浆量的差值，提高同步注浆量理论计算值的精度。式(2)中的盾尾建筑空隙体积V的值是可以准确计算的，但同步注浆率λ的值难以确定，再加上同步注浆率受土层条件、隧道埋深、浆液黏稠度等因素的影响，因而准确地计算同步注浆量是难以实现的。盾构左右线下穿句容河区间段的土仓压力与注浆量曲线如图4所示。由图4可知，土仓压力与注浆量存在显著的相关性，这是由于下穿河道段的土仓压力逐渐减小，注浆量也随之减小。

(a) 左线

(b) 右线图4 盾构左右线下穿句容河区间段的土仓压力与注浆量曲线

土仓压力与盾构注浆量的关系曲线如图5所示。为消除偶然因素的影响，同一土仓压力对应多个注浆量时应取其平均值，对左右线下穿句容河段的注浆量与土仓压力进行拟合分析，可以得到注浆量与土仓压力的线性方程数学式为

图5 土仓压力与盾构注浆量的关系曲线

Q=5.19+4.08P0
R2=0.94

(4)

现场注浆量与计算注浆量如图6所示，由图6可知，根据式(4)计算的理论同步注浆量与实测注浆量吻合良好，而根据式(2)计算的同步注浆量是一成不变的，这表明按照式(2)计算的注浆量与实际需求值存在较大差异。

(a) 左线

(b) 右线图6 现场注浆量与计算注浆量

4 结语

注浆浆液配比、注浆压力和注浆量是注浆施工的主要控制参数。通过对盾构下穿句容河区间段的注浆参数进行研究，总结现场施工过程中泡沫剂的主要成分以及注浆浆液配比情况，得到如下结论：

(1) 经施工现场多次试验后得到同步注浆浆液配比，该配比下浆液的终凝时间为3～4 h，且浆液扩散性能良好，可很好地填充盾尾间隙。

(2) 盾构注浆压力与盾构土仓压力存在显著的线性关系，基于土仓压力的变化及时调整注浆压力的大小，能有效保障盾构实施的安全性。

(3) 根据土仓压力与盾构同步注浆压力的线性关系，可通过土仓压力的大小准确计算每一环盾构所需的同步注浆量。