北京地铁盾构同步注浆及其材料的研究

北京地铁盾构同步注浆及其材料的研究摘要]北京地铁五号线盾构试验段工程采用了城建集团自行研制的惰性浆液（已申请专利），其注浆效果非常理想，在施工中有效的控制了地表沉降。[关键词]盾构北京地铁五号线同步注浆惰性浆液1概况北京地铁五号线试验段工程，采用了土压平衡式盾构机进行施工。盾构机配备了盾尾同步单液注浆系统，可在盾构掘进的同时进行壁后注浆。在盾构掘进施工中，当管片刚脱离盾尾时即可对管片外侧的建筑空隙进行填充，从而起到控制地表沉降和稳定成型隧道的作用。在施工中我们使用的浆液是自行研制的惰性浆液，此浆液通过施工中达到了很好的效果，有效地控制了地表沉降。2盾构法施工壁后注浆技术2.1同步注浆原理北京地铁五号线盾构试验段工程的施工采取了同步注浆方式。其工作原理是：在盾构机推进过程中，保持一定压力（综合考虑注入量）不间断地从盾尾直接向壁后注浆，当盾构机推进结束时，停止注浆。这种方法是在环形空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式。如图2-1所示。图2-1同步注浆原理图2.2注浆材料和配比的选择2.2.1注浆材料应具备的基本性能根据北京地区的地质条件、工程特点以及现有盾构机的型式，浆液应具备以下性能：1）具有良好的长期稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求。2）具有良好的充填性能。3）在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度。4）浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象。5）浆液固结后体积收缩小，泌水率小。6）原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求。7）浆液无公害，价格便宜。2.2.2.注浆材料为了保证壁后注浆的填充效果，施工中结合现场条件和盾构机自身注浆系统的配置，选取了两种单液浆组成以便进行对比优选：1）以水泥、粉煤灰为主剂的常规单液浆a成分：水泥、粉煤灰、细砂、膨润土（钠土）和水；2）以生石灰、粉煤灰为主剂的惰性浆液b成分：生石灰、粉煤灰、细砂、膨润土（钠土）和水。浆液组成a以水泥作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料，浆液组成b以粉煤灰作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料。其中浆液组成b中使用的粉煤灰可以改善浆液的和易性（流动性），生石灰能增加浆液的粘度，并有一定的固结作用，膨润土用以减缓浆液的材料分离，降低泌水率，还具有一定的防渗作用。砂在两种浆液中都作为填充料。2.2.3.浆液配比及性能测试在确定浆液配比时，先根据相关资料，确定了两种浆液的各种材料的基本用量，然后结合浆液站调试，每种配比生产一定方量，并对浆液性能进行相关的性能测试，从而对配比单进行筛选，保留能够生产出合格浆液的配比，以便今后用于施工。按测试配比拌制出的浆液送到试验室进行了主要性能指标的测试。根据配比单和浆液配合比试验报告中的测试数据，绘制出浆液流动度、稠度和分层度随时间变化的对比曲线。由图2-2中可知，水泥浆液（配比1、2、3）的流动性略优于惰性浆液（配比4、5、6、7、8）。但两类浆液随时间的变化趋势略有不同，水泥浆液的流动性随时间推移下降幅度较大，而惰性浆液的流动性保持平稳。图2-2流动度—时间曲线图同样由图2-3、图2-4可以看出，浆液的稠度和分层度也具有类似的规律。图2-3分层度—时间曲线图图2-4稠度—时间曲线图根据测试结果还可得知，与水泥浆液相比，以生石灰、粉煤灰为主剂的浆液的凝结时间较长，在10～12小时左右。考虑到盾构掘进过程中一些不可避免的停机（如管片拼装、连接电缆、风管安装、机器维护保养、盾构机临时停机、电路故障等），若浆液的初凝时间较短，则增加了停机期间发生堵管的可能性，增加额外的清洗工作，并影响盾构的继续掘进。因此，浆液合理的初凝时间应与盾构掘进施工一个工班的时间接近，这样可以在每班结束时再安排浆液输送管路的清理工作，既不影响盾构连续施工，又保证能及时清理管路，避免堵管现象的发生，选用惰性浆液更为可靠。惰性浆液在主要成分加量不变的情况下，只需调节添加剂的加量就能有效地控制、调节浆液的性能。在施工过程中，可以比较方便地对浆液的性能进行调整，以适应不同地层、不同掘进进度对浆液性能的要求，见图2-5、图2-6、图2-7。图2-5石灰配比强度—时间曲线图图2-6水泥配比强度—时间曲线图图2-7稠度、流动度—外加剂加量曲线图通过上面的分析比较，试验段施工最终选定采用以生石灰、粉煤灰为主料的惰性单液浆作为盾构施工壁后注浆的材料。2.3注浆工艺参数的确定2.3.1注浆量的计算壁后注浆量Q，通常可按下式估算：Q=Vα式中，V为理论空隙量，α为注入率。北京地铁五号线试验段采用的土压平衡盾构机刀盘直径6.20m，而预制钢筋混凝土管片外径为6.0m，则理论上每掘进一环，盾构掘削土体形成的空间与管片外壁之间的空隙的理论体积为：V=0.25×π×（6.22-62）×1.2=2.298m3。注入率α的主要影响因素包括注入压力决定的压密系数α1、土质系数α2、施工损耗系数α3和超挖系数α4。则α=1+α1+α2+α3+α4每环实际注浆量可根据地层和施工损耗等情况选取相应的注入率。2.3.2注浆压力的确定北京地铁五号线土压平衡盾构机在盾尾处设有四个浆液注入点，盾尾同步注浆的压力因浆液注入点位置的不同而不同。盾尾四个注浆点的位置和相互关系如图2-8所示（图中尺寸仅为示意）。经计算得出盾构拱顶水土压力，管道中的压力损失在盾构机厂内组装时已测定，则A1、A4点处注浆压力理论计算值为拱顶水土压力+管道中的压力损失最大注入压力为（拱顶水土压力+管道中的压力损失）×1.25最小注入压力为（拱顶水土压力+管道中的压力损失）×0.75A2和A3点处注浆压力理论计算值为拱顶水土压力+管道中的压力损失+侧压力系数×γ’×H+γ水×H则最大注入压力为：（拱顶水土压力+管道中的压力损失+侧压力系数×γ’×H+γ水×H)×1.25最小注入压力为：（拱顶水土压力+管道中的压力损失+侧压力系数×γ’×H+γ水×H）×0.75实际操作过程中，可根据以上理论计算所得结果分别设定A1、A2、A3、A4点的注浆压力。2.3.3注浆量和注浆压力的控制壁后注浆的注入量受浆液向土体中的渗透、泄露损失（浆液流到注入区域之外）、小曲率半径施工、超挖、壁后注浆所用浆液的种类等多种因素的影响。虽然这些因素的影响程度目前尚在探索，但控制注入量多少的基本原则是不变的，就是要保证有足够的浆液能很好的填充管片与地层之间的空隙。一般每环浆液注入量为3～4m3，施工中如果发现注入量持续增多时，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时，可以考虑是注入浆液的配比、注入时期、盾构推进速度过快或出现故障所致，必须认真检查采取相应的措施，一般可采取加大注浆压力或在盾构掘进后进行补浆。注入压力要考虑不同地层的多种情况，注入压力一般是2～4bar，由于考虑在砂质或砂卵石地层中浆液的扩散，所以注入压力要比在粘土中的注入压力小一些。北京地铁五号线试验段的地层条件复杂多变，隧道开挖面土体可分为粘土层、砂性土层、砂卵石层三种。在粘土层盾构施工过程中，浆液实际注入量2.7～3.0m3左右，约为理论计算量的104～117%，与我们预计的基本相符。而在砂、砾石层区段进行的注浆，由于浆液的渗入深度较大，在4～10cm左右，浆液固结体厚度一般在20cm以上，浆液用量相应有所增加，在3.7～4.5m3左右，为理论计算量的161～195%，略超出预计值。在壁后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，我们采取的是以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法。3盾构壁后注浆在生产实践中的应用3.1注浆设备简介3.1.1浆液站简介为配合北京地铁五号线盾构试验段土压平衡盾构机掘进施工，我公司从国外引进了浆液搅拌及泵送系统（图3-1）。该系统由搅拌和泵送两大部分组成，其中搅拌系统、泵送系统由德国引进，储料罐等钢结构件由国内配套加工制作。搅拌系统的连续生产能力可达到10m3/h，泵送系统的最长水平泵送距离可达到1km，可以满足盾构施工对浆液生产和输送的要求。搅拌系统由砂料储料、计量及上料装置，3种各自独立的干粉料的储料、计量及上料装置，水和一种液体添加剂的储料、计量及上料装置，还有搅拌机和控制室等组成。该系统的最大优点是采用了连续式计量装置，可以实现连续生产；控制系统采用了可靠性较高的PLC控制系统，可以实现自动、手动两种功能，并具有自动采集、存储、打印数据的功能。此外，在两种采用散装罐车加料的储料罐上安装了除尘装置，具有较好的环保性能。泵送系统由动力包、搅拌罐和柱塞泵等组成，该系统采用的是液压驱动，具有体积小、可靠性高的优点。泵送系统可以单独控制，也可以在搅拌站控制室进行联动控制。3.1.2盾尾注浆系统简介盾尾同步注浆系统，包括储浆罐、注浆泵和控制面板三部分。储浆罐容积为5m3，可容纳盾构掘进1环注浆所需的浆液。浆罐带有搅拌轴和叶片，注浆过程中可以对浆液不停的搅拌，保证浆液的流动性，减少材料分离现象。配套设置的2台注浆泵，可以同时对4个加注口实施同步注浆。该套系统具有自动、手动两种功能，可以根据要求在盾构机控制室内对盾尾注浆的最大和最小压力进行设定，从而实现对注浆量的控制。由于在系统的相应部位安装了传感器和压力表，在控制面板上可显示盾尾的注浆压力、泵的工作压力及注浆泵的冲程数等参数，以方便对注浆泵的操作、控制。3.2地铁五号线盾构试验段壁后注浆工艺3.2.1前60m始发阶段掘进由于现场条件的限制，此阶段盾构后配套台车位于地表，浆液由浆液站拌制好后直接通过地表管路泵入到后配套台车的注浆罐中，再经泵送至盾尾浆液注入点注入地层。盾尾注浆压力设定为3～3.5bar，采用盾尾上方A1，A4两点注入。在此段盾构施工过程中，盾构掘进出土时进行同步注浆，以控制注浆压力为主兼顾注浆量（图3-2）。由于当时施工条件所限，盾构每掘进一次时只能出土一斗。土斗装满后需返回竖井口，将土斗吊出倒空再放回平板车上，开至螺旋输送机口下继续掘进下一斗土。在等待土斗的这段时间内，如果注浆压力在掘进结束时未达到要求，那么应持续注浆，直到注浆压力达到要求为止。在拼装管片时，停止注浆，以免拼装时千斤顶部分松开时注浆会造成管片移位、变形。每天在掘进当天最后一斗土时，将注浆罐中残余的砂浆放掉，由浆液站重新拌制一定方量的膨润土液打入注浆罐，在掘进最后一斗土的过程中用注浆泵泵送，这样从地表台车到盾尾的胶管内以及盾尾注浆管路内即充满了膨润土液，原管路内存留的砂浆被膨润土液挤入地层。停机后，清洗注浆罐、注浆泵，盾尾则在停机6～7小时后再用高压清洗设备清洗。通过采用这种方式注浆，避免了停机造成注浆管路和盾尾堵塞，也减少了清洗管路的工作量，保证施工能够连续进行。在此段施工过程中，一方面由于浆液泵送距离较短，另一方面采取的注浆工艺比较合理，在施工过程中基本未出现堵管现象。3.2.2掘进60m至150m正常段施工盾构掘进60m后，盾构后配套台车全部下入隧道，注浆泵与盾尾之间的注浆胶管缩短，但浆液站至注浆罐的浆液输送管路随盾构的推进不断延长，浆液输送阻力日渐增大，同时浆液在输送管路中停留的时间较长，浆液中砂沉积较多，堵管现象逐渐出现，经常出现在管路中的变径处。此时采取的注浆工艺和前60m相同，只是由于盾构推进进度较快，为保证施工进度，常常等不及拌制膨润土液，造成管路清洗工作量加大。100m至150m左右，浆液罐车暂时未加工完毕，仍采用管路将浆液从浆液站泵送至隧道内盾构后配套台车上的注浆罐中的方式。由于管路较长，浆液较稠，泵送阻力很大。同时由于要降低成本，将浆液配制材料中的钠土改为了钙土，在不加外加剂的条件下，拌制的浆液流动性不好，浆液易发生固液分离现象，砂沉淀较快，造成管路极易堵塞，稍不及时清理就会造成清洗极度困难，有时甚至停机10多个小时来清洗管路。此时一方面尝试添加适当的添加剂来改善钙土的性能，保证拌制出的浆液的流动性和减少浆液的材料分离，利于泵送；另一方面采取特殊的泵送方式来减少堵管。具体方法参见图3-3。每环开始推进前，先拌制足够一环使用的砂浆打入注浆罐。当开始掘进后，随着砂浆的消耗不断向注浆罐内