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1012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=V 式中，V为理论空隙量，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××（6.22-62）×1.2=2.298m3。 注入率的主要影响因素包括注入压力决定的压密系数1、土质系数2、施工损耗系数3和超挖系数4。 则=1+1+2+3+4 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）×0.75 A2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××H+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××H+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××H+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34m3，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24bar，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2.73.0m3左右，约为理论计算量的104117%，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410cm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3.74.5m3左右，为理论计算量的161195%，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