北京地鐵盾構(gòu)同步注漿及其材料的研究

1、 摘要北京地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段工程采用了城建集團(tuán)自行研制的惰性漿液（已申請專利），其注漿效果非常理想，在施工中有效的控制了地表沉降。 關(guān)鍵詞盾構(gòu)北京地鐵五號線同步注漿惰性漿液 1概況 北京地鐵五號線試驗(yàn)段工程，采用了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)機(jī)配備了盾尾同步單液注漿系統(tǒng)，可在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行壁后注漿。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，當(dāng)管片剛脫離盾尾時(shí)即可對管片外側(cè)的建筑空隙進(jìn)行填充，從而起到控制地表沉降和穩(wěn)定成型隧道的作用。在施工中我們使用的漿液是自行研制的惰性漿液，此漿液通過施工中達(dá)到了很好的效果，有效地控制了地表沉降。 2盾構(gòu)法施工壁后注漿技術(shù) 2.1同步注漿原理 北京地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段工程的施

2、工采取了同步注漿方式。其工作原理是：在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，保持一定壓力（綜合考慮注入量）不間斷地從盾尾直接向壁后注漿，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)結(jié)束時(shí)，停止注漿。這種方法是在環(huán)形空隙形成的同時(shí)用漿液將其填充的注漿方式。如圖2-1所示。 圖2-1同步注漿原理圖 2.2注漿材料和配比的選擇 2.2.1注漿材料應(yīng)具備的基本性能 根據(jù)北京地區(qū)的地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)以及現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)的型式，漿液應(yīng)具備以下性能： 1）具有良好的長期穩(wěn)定性及流動性，并能保證適當(dāng)?shù)某跄龝r(shí)間，以適應(yīng)盾構(gòu)施工以及遠(yuǎn)距離輸送的要求。 2）具有良好的充填性能。 3）在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強(qiáng)度。 4）漿液在地下水環(huán)境中，不易產(chǎn)

3、生稀釋現(xiàn)象。 5）漿液固結(jié)后體積收縮小，泌水率小。 6）原料來源豐富、經(jīng)濟(jì)，施工管理方便，并能滿足施工自動化技術(shù)要求。 7）漿液無公害，價(jià)格便宜。 2.2.2. 注漿材料 為了保證壁后注漿的填充效果，施工中結(jié)合現(xiàn)場條件和盾構(gòu)機(jī)自身注漿系統(tǒng)的配置，選取了兩種單液漿組成以便進(jìn)行對比優(yōu)選： 1）以水泥、粉煤灰為主劑的常規(guī)單液漿a 成分：水泥、粉煤灰、細(xì)砂、膨潤土（鈉土）和水； 2）以生石灰、粉煤灰為主劑的惰性漿液b 成分：生石灰、粉煤灰、細(xì)砂、膨潤土（鈉土）和水。 漿液組成a以水泥作為提供漿液固結(jié)強(qiáng)度和調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間的材料，漿液組成b以粉煤灰作為提供漿液固結(jié)強(qiáng)度和調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間的材料。其中漿液組

4、成b中使用的粉煤灰可以改善漿液的和易性（流動性），生石灰能增加漿液的粘度，并有一定的固結(jié)作用，膨潤土用以減緩漿液的材料分離，降低泌水率，還具有一定的防滲作用。砂在兩種漿液中都作為填充料。 2.2.3. 漿液配比及性能測試 在確定漿液配比時(shí)，先根據(jù)相關(guān)資料，確定了兩種漿液的各種材料的基本用量，然后結(jié)合漿液站調(diào)試，每種配比生產(chǎn)一定方量，并對漿液性能進(jìn)行相關(guān)的性能測試，從而對配比單進(jìn)行篩選，保留能夠生產(chǎn)出合格漿液的配比，以便今后用于施工。按測試配比拌制出的漿液送到試驗(yàn)室進(jìn)行了主要性能指標(biāo)的測試。根據(jù)配比單和漿液配合比試驗(yàn)報(bào)告中的測試數(shù)據(jù)，繪制出漿液流動度、稠度和分層度隨時(shí)間變化的對比曲線。 由圖2-

5、2中可知，水泥漿液（配比1、2、3）的流動性略優(yōu)于惰性漿液（配比4、5、6、7、8）。但兩類漿液隨時(shí)間的變化趨勢略有不同，水泥漿液的流動性隨時(shí)間推移下降幅度較大，而惰性漿液的流動性保持平穩(wěn)。 圖2-2流動度時(shí)間曲線圖 同樣由圖2-3、圖2-4可以看出，漿液的稠度和分層度也具有類似的規(guī)律。 圖2-3分層度時(shí)間曲線圖 圖2-4稠度時(shí)間曲線圖 根據(jù)測試結(jié)果還可得知，與水泥漿液相比，以生石灰、粉煤灰為主劑的漿液的凝結(jié)時(shí)間較長，在1012小時(shí)左右?？紤]到盾構(gòu)掘進(jìn)過程中一些不可避免的停機(jī)（如管片拼裝、連接電纜、風(fēng)管安裝、機(jī)器維護(hù)保養(yǎng)、盾構(gòu)機(jī)臨時(shí)停機(jī)、電路故障等），若漿液的初凝時(shí)間較短，則增加了停機(jī)期間發(fā)生

6、堵管的可能性，增加額外的清洗工作，并影響盾構(gòu)的繼續(xù)掘進(jìn)。因此，漿液合理的初凝時(shí)間應(yīng)與盾構(gòu)掘進(jìn)施工一個(gè)工班的時(shí)間接近，這樣可以在每班結(jié)束時(shí)再安排漿液輸送管路的清理工作，既不影響盾構(gòu)連續(xù)施工，又保證能及時(shí)清理管路，避免堵管現(xiàn)象的發(fā)生，選用惰性漿液更為可靠。 惰性漿液在主要成分加量不變的情況下，只需調(diào)節(jié)添加劑的加量就能有效地控制、調(diào)節(jié)漿液的性能。在施工過程中，可以比較方便地對漿液的性能進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同地層、不同掘進(jìn)進(jìn)度對漿液性能的要求，見圖2-5、圖2-6、圖2-7。 圖2-5石灰配比強(qiáng)度時(shí)間曲線圖 圖2-6水泥配比強(qiáng)度時(shí)間曲線圖 圖2-7稠度、流動度外加劑加量曲線圖 通過上面的分析比較，試驗(yàn)段

7、施工最終選定采用以生石灰、粉煤灰為主料的惰性單液漿作為盾構(gòu)施工壁后注漿的材料。 2.3注漿工藝參數(shù)的確定 2.3.1注漿量的計(jì)算 壁后注漿量Q，通常可按下式估算：Q=V 式中，V為理論空隙量，為注入率。 北京地鐵五號線試驗(yàn)段采用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑6.20m，而預(yù)制鋼筋混凝土管片外徑為6.0m，則理論上每掘進(jìn)一環(huán)，盾構(gòu)掘削土體形成的空間與管片外壁之間的空隙的理論體積為：V=0.25（6.22-62）1.2=2.298m3。 注入率的主要影響因素包括注入壓力決定的壓密系數(shù)1、土質(zhì)系數(shù)2、施工損耗系數(shù)3和超挖系數(shù)4。 則=1+1+2+3+4 每環(huán)實(shí)際注漿量可根據(jù)地層和施工損耗等情況選取相應(yīng)的注

8、入率。 2.3.2注漿壓力的確定 北京地鐵五號線土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在盾尾處設(shè)有四個(gè)漿液注入點(diǎn)，盾尾同步注漿的壓力因漿液注入點(diǎn)位置的不同而不同。盾尾四個(gè)注漿點(diǎn)的位置和相互關(guān)系如圖2-8所示（圖中尺寸僅為示意）。 經(jīng)計(jì)算得出盾構(gòu)拱頂水土壓力，管道中的壓力損失在盾構(gòu)機(jī)廠內(nèi)組裝時(shí)已測定，則A1、A4點(diǎn)處注漿壓力理論計(jì)算值為 拱頂水土壓力+管道中的壓力損失 最大注入壓力為 （拱頂水土壓力+管道中的壓力損失）1.25 最小注入壓力為 （拱頂水土壓力+管道中的壓力損失）0.75 A2和A3點(diǎn)處注漿壓力理論計(jì)算值為 拱頂水土壓力+管道中的壓力損失+側(cè)壓力系數(shù)H+水H 則最大注入壓力為： （拱頂水土壓力+管道中的壓

9、力損失+側(cè)壓力系數(shù)H+水H)1.25 最小注入壓力為： （拱頂水土壓力+管道中的壓力損失+側(cè)壓力系數(shù)H+水H）0.75 實(shí)際操作過程中，可根據(jù)以上理論計(jì)算所得結(jié)果分別設(shè)定A1、A2、A3、A4點(diǎn)的注漿壓力。 2.3.3注漿量和注漿壓力的控制 壁后注漿的注入量受漿液向土體中的滲透、泄露損失（漿液流到注入?yún)^(qū)域之外）、小曲率半徑施工、超挖、壁后注漿所用漿液的種類等多種因素的影響。雖然這些因素的影響程度目前尚在探索，但控制注入量多少的基本原則是不變的，就是要保證有足夠的漿液能很好的填充管片與地層之間的空隙。 一般每環(huán)漿液注入量為34m3，施工中如果發(fā)現(xiàn)注入量持續(xù)增多時(shí)，必須檢查超挖、漏失等因素。而注入

10、量低于預(yù)定注入量時(shí)，可以考慮是注入漿液的配比、注入時(shí)期、盾構(gòu)推進(jìn)速度過快或出現(xiàn)故障所致，必須認(rèn)真檢查采取相應(yīng)的措施，一般可采取加大注漿壓力或在盾構(gòu)掘進(jìn)后進(jìn)行補(bǔ)漿。 注入壓力要考慮不同地層的多種情況，注入壓力一般是24bar，由于考慮在砂質(zhì)或砂卵石地層中漿液的擴(kuò)散，所以注入壓力要比在粘土中的注入壓力小一些。 北京地鐵五號線試驗(yàn)段的地層條件復(fù)雜多變，隧道開挖面土體可分為粘土層、砂性土層、砂卵石層三種。在粘土層盾構(gòu)施工過程中，漿液實(shí)際注入量2.73.0m3左右，約為理論計(jì)算量的104117%，與我們預(yù)計(jì)的基本相符。而在砂、礫石層區(qū)段進(jìn)行的注漿，由于漿液的滲入深度較大，在410cm左右，漿液固結(jié)體厚度

11、一般在20cm以上，漿液用量相應(yīng)有所增加，在3.74.5m3左右，為理論計(jì)算量的161195%，略超出預(yù)計(jì)值。 在壁后注漿施工中，為控制注漿效果和質(zhì)量，應(yīng)對注入壓力和注入量這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，我們采取的是以設(shè)定注入壓力為主，兼顧注入量的方法。 3盾構(gòu)壁后注漿在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用 3.1注漿設(shè)備簡介 3.1.1漿液站簡介 為配合北京地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，我公司從國外引進(jìn)了漿液攪拌及泵送系統(tǒng)（圖3-1）。該系統(tǒng)由攪拌和泵送兩大部分組成，其中攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)由德國引進(jìn)，儲料罐等鋼結(jié)構(gòu)件由國內(nèi)配套加工制作。攪拌系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)能力可達(dá)到10m3/h，泵送系統(tǒng)的最長水平泵送距離可

12、達(dá)到1km，可以滿足盾構(gòu)施工對漿液生產(chǎn)和輸送的要求。 攪拌系統(tǒng)由砂料儲料、計(jì)量及上料裝置，3種各自獨(dú)立的干粉料的儲料、計(jì)量及上料裝置，水和一種液體添加劑的儲料、計(jì)量及上料裝置，還有攪拌機(jī)和控制室等組成。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是采用了連續(xù)式計(jì)量裝置，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；控制系統(tǒng)采用了可靠性較高的PLC控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動、手動兩種功能，并具有自動采集、存儲、打印數(shù)據(jù)的功能。此外，在兩種采用散裝罐車加料的儲料罐上安裝了除塵裝置，具有較好的環(huán)保性能。 泵送系統(tǒng)由動力包、攪拌罐和柱塞泵等組成，該系統(tǒng)采用的是液壓驅(qū)動，具有體積小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。泵送系統(tǒng)可以單獨(dú)控制，也可以在攪拌站控制室進(jìn)行聯(lián)動控制。 3.1

13、.2盾尾注漿系統(tǒng)簡介 盾尾同步注漿系統(tǒng)，包括儲漿罐、注漿泵和控制面板三部分。儲漿罐容積為5m3，可容納盾構(gòu)掘進(jìn)1環(huán)注漿所需的漿液。漿罐帶有攪拌軸和葉片，注漿過程中可以對漿液不停的攪拌，保證漿液的流動性，減少材料分離現(xiàn)象。配套設(shè)置的2臺注漿泵，可以同時(shí)對4個(gè)加注口實(shí)施同步注漿。該套系統(tǒng)具有自動、手動兩種功能，可以根據(jù)要求在盾構(gòu)機(jī)控制室內(nèi)對盾尾注漿的最大和最小壓力進(jìn)行設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對注漿量的控制。由于在系統(tǒng)的相應(yīng)部位安裝了傳感器和壓力表，在控制面板上可顯示盾尾的注漿壓力、泵的工作壓力及注漿泵的沖程數(shù)等參數(shù)，以方便對注漿泵的操作、控制。 3.2地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段壁后注漿工藝 3.2.1前60m始發(fā)

14、階段掘進(jìn) 由于現(xiàn)場條件的限制，此階段盾構(gòu)后配套臺車位于地表，漿液由漿液站拌制好后直接通過地表管路泵入到后配套臺車的注漿罐中，再經(jīng)泵送至盾尾漿液注入點(diǎn)注入地層。盾尾注漿壓力設(shè)定為33.5bar，采用盾尾上方A1，A4兩點(diǎn)注入。 在此段盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)出土?xí)r進(jìn)行同步注漿，以控制注漿壓力為主兼顧注漿量（圖3-2 ）。由于當(dāng)時(shí)施工條件所限，盾構(gòu)每掘進(jìn)一次時(shí)只能出土一斗。土斗裝滿后需返回豎井口，將土斗吊出倒空再放回平板車上，開至螺旋輸送機(jī)口下繼續(xù)掘進(jìn)下一斗土。在等待土斗的這段時(shí)間內(nèi)，如果注漿壓力在掘進(jìn)結(jié)束時(shí)未達(dá)到要求，那么應(yīng)持續(xù)注漿，直到注漿壓力達(dá)到要求為止。在拼裝管片時(shí)，停止注漿，以免拼裝時(shí)千

15、斤頂部分松開時(shí)注漿會造成管片移位、變形。每天在掘進(jìn)當(dāng)天最后一斗土?xí)r，將注漿罐中殘余的砂漿放掉，由漿液站重新拌制一定方量的膨潤土液打入注漿罐，在掘進(jìn)最后一斗土的過程中用注漿泵泵送，這樣從地表臺車到盾尾的膠管內(nèi)以及盾尾注漿管路內(nèi)即充滿了膨潤土液，原管路內(nèi)存留的砂漿被膨潤土液擠入地層。停機(jī)后，清洗注漿罐、注漿泵，盾尾則在停機(jī)67小時(shí)后再用高壓清洗設(shè)備清洗。通過采用這種方式注漿，避免了停機(jī)造成注漿管路和盾尾堵塞，也減少了清洗管路的工作量，保證施工能夠連續(xù)進(jìn)行。在此段施工過程中，一方面由于漿液泵送距離較短，另一方面采取的注漿工藝比較合理，在施工過程中基本未出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。 3.2.2掘進(jìn)60m至150m正

16、常段施工 盾構(gòu)掘進(jìn)60m后，盾構(gòu)后配套臺車全部下入隧道，注漿泵與盾尾之間的注漿膠管縮短，但漿液站至注漿罐的漿液輸送管路隨盾構(gòu)的推進(jìn)不斷延長，漿液輸送阻力日漸增大，同時(shí)漿液在輸送管路中停留的時(shí)間較長，漿液中砂沉積較多，堵管現(xiàn)象逐漸出現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)在管路中的變徑處。此時(shí)采取的注漿工藝和前60m相同，只是由于盾構(gòu)推進(jìn)進(jìn)度較快，為保證施工進(jìn)度，常常等不及拌制膨潤土液，造成管路清洗工作量加大。100m至150m左右，漿液罐車暫時(shí)未加工完畢，仍采用管路將漿液從漿液站泵送至隧道內(nèi)盾構(gòu)后配套臺車上的注漿罐中的方式。由于管路較長，漿液較稠，泵送阻力很大。同時(shí)由于要降低成本，將漿液配制材料中的鈉土改為了鈣土，在不加

17、外加劑的條件下，拌制的漿液流動性不好，漿液易發(fā)生固液分離現(xiàn)象，砂沉淀較快，造成管路極易堵塞，稍不及時(shí)清理就會造成清洗極度困難，有時(shí)甚至停機(jī)10多個(gè)小時(shí)來清洗管路。此時(shí)一方面嘗試添加適當(dāng)?shù)奶砑觿﹣砀纳柒}土的性能，保證拌制出的漿液的流動性和減少漿液的材料分離，利于泵送；另一方面采取特殊的泵送方式來減少堵管。具體方法參見圖3-3。 每環(huán)開始推進(jìn)前，先拌制足夠一環(huán)使用的砂漿打入注漿罐。當(dāng)開始掘進(jìn)后，隨著砂漿的消耗不斷向注漿罐內(nèi)補(bǔ)充砂漿，即讓漿液站基本不間斷泵送漿液，保持漿液在管路中處于流動狀態(tài)。這樣在一環(huán)掘進(jìn)結(jié)束時(shí)，注漿罐內(nèi)仍還有夠一環(huán)使用的砂漿。從拼裝本環(huán)管片到下一環(huán)掘進(jìn)結(jié)束這一段時(shí)間，漿液站不需再

18、泵送漿液，可以用清洗球和清水進(jìn)行清洗管路的工作，及時(shí)疏通漿液泵送管路，減少堵管的可能。這種方法取得了較好的使用效果，即使泵送較稠的漿液，堵管的次數(shù)也大大減少，保證了施工的連續(xù)性。 圖3-3 盾構(gòu)掘進(jìn)60m150m同步注漿示意圖 3.2.3掘進(jìn)150m以后的施工 盾構(gòu)掘進(jìn)150m以后，漿液罐車加工完畢運(yùn)至現(xiàn)場投入使用，基本解決了堵管問題，施工進(jìn)度得到保障。此時(shí)盾構(gòu)機(jī)逐漸進(jìn)入砂層，我們對漿液配比進(jìn)行了一定的調(diào)整，以保證注入的砂漿既能充分充填管片與地層之間的空隙，又不至于流失太大。這一段時(shí)間內(nèi)有時(shí)會在注漿泵與注漿膠管之間的變徑處出現(xiàn)輕微堵塞。由于此段為24小時(shí)不間斷施工，停機(jī)時(shí)間很少，基本不再采用最

19、后注入膨潤土的方式，只是進(jìn)行正常的清洗，盾尾在周末停機(jī)后再用高壓清洗機(jī)清洗，參見圖3-4。 圖3-4盾構(gòu)掘進(jìn)150m后同步注漿示意圖 3.3注漿質(zhì)量控制 3.3.1漿液攪拌 制漿時(shí)的注意事項(xiàng)： 1）對于制漿材料要把好質(zhì)量關(guān)，選用供貨質(zhì)量穩(wěn)定的供貨商。拌制漿液時(shí)，不能投入固結(jié)的生石灰和膨潤土，砂料應(yīng)是粒徑24mm的細(xì)砂，含泥量不能超過標(biāo)準(zhǔn)，不得混有雜物和大粒徑石子； 2）漿液攪拌要充分，拌和要連續(xù)，不能間斷； 3）定期檢查計(jì)量系統(tǒng)，保證按配比生產(chǎn)漿液； 4）根據(jù)拌制的第一罐漿液的性能指標(biāo)，合理調(diào)整各骨料和水的加量，保證漿液的性能最終滿足要求； 5）按規(guī)定對設(shè)備進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)，使設(shè)備經(jīng)常處于良好

20、的工作狀態(tài)。冬季施工，要對漿液攪拌站的關(guān)鍵部位做好保溫工作。 6）縮短供貨周期，盡量縮短原料在施工現(xiàn)場的存放時(shí)間，減少材料的板結(jié)現(xiàn)象。如用含水量較大的細(xì)砂，應(yīng)相應(yīng)地調(diào)節(jié)水的加量。 3.3.2漿液運(yùn)輸及注入 漿液運(yùn)輸及注入過程中的注意事項(xiàng) 1）若漿液運(yùn)輸距離較長，直接泵送至盾構(gòu)機(jī)漿液罐內(nèi)容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，應(yīng)采用漿液罐車運(yùn)輸，縮短泵送距離，減少堵管現(xiàn)象的發(fā)生； 2）在漿液站向罐車內(nèi)泵送漿液的過程中，應(yīng)保證罐車在連續(xù)攪拌，防止?jié){液離析；漿液運(yùn)送到后配臺車后，應(yīng)及時(shí)泵入到儲漿罐中，由儲漿罐繼續(xù)進(jìn)行攪拌； 3）罐車泵送完漿液后，及時(shí)進(jìn)行清洗； 4）檢查從注入孔到泵的輸漿管接頭的好壞； 5）注意觀察注入壓

21、力、注入量； 6）定期清理注漿管及注漿孔。 4注漿效果的檢測 壁后注漿的效果好壞，關(guān)鍵在于漿液在管片與地層間的間隙是否完全充滿及漿液填充后地層沉降是否得到有效控制。施工中可以有選擇地在部分管片上打檢測孔，對注漿效果進(jìn)行探查、檢測，見圖5-1。 北京地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段工程施工中在盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過北新橋車站時(shí)中采用了“先盾構(gòu)掘進(jìn)過站、后基坑開挖并拆除既有成型隧道”的盾構(gòu)過站方式，其施工方式在國內(nèi)上屬首次。它的應(yīng)用為后續(xù)盾構(gòu)施工提供了新的思路，同時(shí)也為檢驗(yàn)我們壁后注漿技術(shù)措施及材料的的應(yīng)用效果提供了難得的機(jī)會。 在既有隧道的管片拆除施工中，從開挖出的170.8m長的隧道外部進(jìn)可以看到壁后注漿凝固后形成了一圈質(zhì)地非常均勻的殼體，殼體的平均厚度達(dá)到150mm以上。 在拆除范圍內(nèi)，拱頂部分通過的地層有粘土層和砂土層，下部為砂土層及卵礫石層。通過觀察可以看出，沿隧道縱向粘土層外部漿液充填較厚，砂土層外部漿液充填稍薄，但差別很小。在同一環(huán)面上縱向漿液填充厚度幾乎無差異。從拆除管片時(shí)隧道斷面可以看出，隧道上部漿液充填最厚，平均可達(dá)250mm，最厚處可達(dá)300mm；