盾構(gòu)法同步注漿材料的研究進(jìn)展

唐晶晶，黃 靖，周永祥，王平瑞

（1.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013；2.天津城建大學(xué)，天津 300384；3.天津泰達(dá)城市軌道建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300457）

盾構(gòu)法同步注漿材料的研究進(jìn)展

唐晶晶1，2，黃 靖1，周永祥1，王平瑞3

（1.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013；2.天津城建大學(xué)，天津 300384；3.天津泰達(dá)城市軌道建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300457）

在盾構(gòu)施工中，注漿技術(shù)是穩(wěn)固地層、防護(hù)襯砌的重要手段，而注漿技術(shù)中所使用的注漿材料則起著至關(guān)重要的作用。文章對(duì)盾構(gòu)技術(shù)、盾構(gòu)注漿技術(shù)及注漿材料的發(fā)展歷程做了簡要概述，對(duì)注漿材料的種類及研究現(xiàn)狀做了系統(tǒng)歸納分析，最后對(duì)我國注漿材料的現(xiàn)存問題提出建議。

盾構(gòu)；同步注漿；注漿材料

0 引言

在地鐵隧道工程中，不僅要提高施工技術(shù)以應(yīng)對(duì)穿越大量高層建筑物、各種地下管線，軟弱富水地層、軟弱粘土層、砂層、風(fēng)化巖層，腐蝕水環(huán)境等技術(shù)難題，還要時(shí)刻提防地鐵隧道地面下沉、隧道滲水問題的發(fā)生。而與盾構(gòu)技術(shù)配合使用的注漿技術(shù)在解決地面下沉、隧道滲水方面有著十分突出的效果，在盾構(gòu)襯砌背后填充的注漿結(jié)石體不僅可以穩(wěn)固地層，還可以作為一道防護(hù)墻阻擋地下水、侵蝕介質(zhì)進(jìn)入隧道內(nèi)。為了提高盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量以適應(yīng)更復(fù)雜的地層環(huán)境，就必須對(duì)注漿材料做更為深入的研究。

盾構(gòu)同步注漿材料經(jīng)歷了原始的惰性注漿材料、水泥基活性注漿材料、化學(xué)注漿材料、現(xiàn)代改性注漿材料等幾個(gè)階段，不斷更新?lián)Q代，可針對(duì)不同地質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)效益而選擇不同的注漿材料。本文就隨盾構(gòu)技術(shù)的逐漸成熟而逐步發(fā)展的注漿材料及注漿材料的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做了簡要分析，并對(duì)我國注漿材料研究的現(xiàn)存問題提出建議，供盾構(gòu)工程施工選擇注漿材料作參考。

1 盾構(gòu)注漿技術(shù)

盾構(gòu)注漿技術(shù)主要分為一次注漿和二次注漿。一次注漿是盾構(gòu)管片拼裝好后在管片與地層之間注入漿液穩(wěn)定并加固管片和地層。二次注漿是當(dāng)一次注漿的漿液收縮、未注滿缺陷等原因通過注漿孔進(jìn)行的補(bǔ)漿。

一次注漿按照注漿方式主要分為 2 種：一種是通過向管片上預(yù)留的注漿孔注漿；另一種是隨著盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)的同時(shí)，經(jīng)過盾構(gòu)機(jī)盾尾外側(cè)的注漿管直接自動(dòng)向間隙注漿，即同步注漿。

（1）注漿孔注漿。盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn) 1 環(huán)或數(shù)環(huán)后，通過管片注漿孔注入漿液穩(wěn)定管片和底層的方式。因開始注漿時(shí)間與盾尾脫離襯砌管片時(shí)間不同步，對(duì)于富水地層、軟土不穩(wěn)定地層、多種類復(fù)雜地層，在此時(shí)間間隔容易造成管片上浮或管片位置偏移、地層沉陷，因此，此種注漿方式僅在較穩(wěn)定堅(jiān)固的地層適用，施工方便易行。

（2）同步注漿。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)后向前推進(jìn)出現(xiàn)環(huán)向間隙的同時(shí)進(jìn)行注漿的方式（圖1、圖2）。同步注漿基本是在盾構(gòu)機(jī)作為襯砌管片的“支撐”尚未脫出時(shí)進(jìn)行注漿穩(wěn)固襯砌和地層的注漿方式，能夠較好地實(shí)現(xiàn)注漿目的，及時(shí)調(diào)控盾構(gòu)姿態(tài)，控制管片偏移、地層發(fā)生變形，不僅適用于穩(wěn)固地層、軟土地層，也適用于砂土、黏性土、富水地層等自穩(wěn)能力較差的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，已成為目前盾構(gòu)施工的主要注漿方式。

圖1 盾尾同步注漿

圖2 盾尾同步注漿細(xì)部截面圖

2 盾構(gòu)同步注漿材料的發(fā)展

2.1 原始盾構(gòu)注漿材料階段

剛開始發(fā)展起來的盾構(gòu)技術(shù)施工地層都比較穩(wěn)定，對(duì)注漿材料的要求不高。19 世紀(jì)中后期，最開始的盾構(gòu)注漿材料以惰性單漿液為主，即將粘土、火山灰、生石灰等沒有膠凝性的材料與水混合而成［1］。惰性漿液僅起到填充管片與管片、管片與地層間隙的作用，流動(dòng)性較好，不宜堵塞管道，利于施工，但固結(jié)主要靠水分蒸發(fā)，防水性差、收縮大、凝結(jié)時(shí)間長，在不穩(wěn)定地層不容易控制地層沉降。

2.2 水泥基同步注漿材料階段

水泥基注漿材料是在惰性漿液中加入了具有膠凝性的水泥，注入管片與地層間，大大提高了凝結(jié)時(shí)間，控制了體積收縮，且能夠在水中硬化，使盾構(gòu)技術(shù)在軟弱不穩(wěn)定地層和富水地層的施工成為可能，不僅提高了盾構(gòu)注漿技術(shù)，也推動(dòng)了盾構(gòu)技術(shù)向更復(fù)雜地層邁進(jìn)新的一步。

2.3 化學(xué)同步注漿材料階段

水泥具有膠凝性質(zhì)能提高管片、地層穩(wěn)定性，提高盾構(gòu)施工質(zhì)量，但顆粒狀的水泥基材料無法注入微細(xì)裂縫，研究人員將目光轉(zhuǎn)向化學(xué)漿液。由于水玻璃與水泥基材料混合的注漿漿液凝結(jié)時(shí)間較短，不容易被水稀釋，且在壓力注漿下不容易被劈裂，水玻璃-水泥基雙漿液同步注漿材料在富水環(huán)境得到廣泛應(yīng)用。但便宜、速凝的水玻璃強(qiáng)度低甚至?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度倒縮，對(duì)耐久性影響較大，隨之出現(xiàn)新型高分子注漿材料來彌補(bǔ)水玻璃的不足，而部分高分子注漿材料引發(fā)的中毒事故又限制了其發(fā)展。

2.4 現(xiàn)代改性同步注漿材料階段

化學(xué)漿液的開發(fā)使用受到限制，人們又將目光重新轉(zhuǎn)移到水泥基注漿材料，通過改善原材料的物理、化學(xué)性質(zhì)，添加外摻料來改性注漿材料，滿足施工及使用需求。

（1）水泥-粉煤灰基注漿材料。粉煤灰的微珠效應(yīng)可減少用水量，在保證流動(dòng)度的前提下提高注漿材料的強(qiáng)度。我國在 20 世紀(jì) 80 年代開始將粉煤灰應(yīng)用于注漿材料，不提高成本前提下提高了注漿結(jié)石體質(zhì)量。

（2）水玻璃-水泥-粉煤灰基注漿材料。王樹清等研制了水玻璃-水泥-粉煤灰基雙液注漿材料，采用水泥-粉煤灰基注漿液與水玻璃注漿液經(jīng)過 2 個(gè)管道在注入前混合的注漿方式。粉煤灰與水玻璃均衡了注漿結(jié)石體對(duì)強(qiáng)度的要求，且解決了大水灰比漿液對(duì)流動(dòng)性、長時(shí)間穩(wěn)定性的要求。

（3）膨潤土-水泥基注漿材料。膨潤土?xí)档蜐{液流動(dòng)度但能提高漿液穩(wěn)定性，羅云峰等采用膨潤土提高漿液穩(wěn)定性，采用減水劑保證漿液流動(dòng)度并研制了膨潤土-水泥基注漿材料，改善了同步注漿的施工性能［2］。

（4）生石灰-粉煤灰基注漿材料。生石灰能增加漿液粘度，提高漿液早期固結(jié)性。北京地鐵 5 號(hào)線［3］、上海某隧道砂和性地層均采用生石灰、粉煤灰為主要膠凝材料的惰性漿液進(jìn)行注漿，取得較好注漿效果并申請了惰性漿液專利。

（5）水下不分散注漿材料。低強(qiáng)度、高水灰比的注漿材料在具有水壓力的富水環(huán)境極易被沖散，中鐵五局在修建獅子洋隧道時(shí)在水泥基注漿材料中復(fù)配鋼渣及纖維，研制了水下不分散注漿材料，成功控制了管片上浮。

3 注漿材料的研究現(xiàn)狀

隨著盾構(gòu)技術(shù)及注漿技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)不同地質(zhì)條件研制出的注漿材料種類也越來越多，目前的注漿材料按照注漿方式大體可分為單液漿注漿材料和雙液漿注漿材料。

3.1 單液惰性注漿材料

單液惰性注漿材料指的是在漿液中沒有水泥等具有膠凝性的材料，凝結(jié)時(shí)間長，早期強(qiáng)度低，收縮率高，但流動(dòng)性好，施工性能好，適用于較穩(wěn)定的干燥地層。目前的單液惰性漿液主要有以下 2 類。

（1）主要組成：生石灰、粉煤灰、砂、膨潤土、水。漿液中加入生石灰使?jié){液具有一定的固結(jié)作用，調(diào)節(jié)漿液的凝結(jié)時(shí)間。北京 5 號(hào)線試驗(yàn)段采用此種類型注漿液，注漿效果良好。

（2）主要組成：熟石灰、粉煤灰、膨潤土、砂、水、外加劑、抗水分散劑。惰性漿液中加入抗水分散劑使?jié){液適用于富水地層，控制管片上浮。上海西藏路越江隧道采用此種漿液控制管片上浮和地表沉降達(dá)到較好效果。

3.2 單液活性注漿材料

活性漿液中加入了具有膠凝性的水泥而區(qū)別于惰性漿液。

（1）常規(guī)活性單漿液。成份包括水泥、粉煤灰、砂、膨潤土（鈉基）、水。廣州地鐵 2 號(hào)線、武漢地鐵 3 號(hào)線王宗—漢江段等常規(guī)地層盾構(gòu)施工均采用此種常規(guī)活性單漿液注漿材料進(jìn)行同步注漿。

（2）常規(guī)活性單漿液中加入外加劑。廣州地鐵3號(hào)線客村站—大塘站采用此種漿液，針對(duì)風(fēng)化土質(zhì)等的變化調(diào)整不同配比、注漿壓力來達(dá)到穩(wěn)固地層、控制管片穩(wěn)定的目的。廣州獅子洋隧道采用通過選擇不同減水劑、緩凝劑選出最優(yōu)配比來控制管片上浮。

（3）常規(guī)活性單漿液中加入減水劑、石灰。在常用活性單漿液中加入石灰來調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間（從 24 h 降低到 4 h 以下），在廣州市軌道交通 4 號(hào)線某施工段控制漿液流失、管片上浮中取得良好應(yīng)用效果。

（4）用石灰粉取代常規(guī)活性單漿液中的砂，并加入減水劑。在軟土地層盾構(gòu)施工中，在常用活性單漿液中加入石灰、取消砂的漿液組成來控制地層穩(wěn)定，滿足施工性能，取得良好注漿效果。

（5）盾構(gòu)泥砂取代常規(guī)活性單漿液中的砂與膨潤土并加入減水劑。有效利用了盾構(gòu)施工中的廢棄物，且節(jié)約原材料的使用，使盾構(gòu)注漿實(shí)現(xiàn)了綠色施工。武漢地鐵 2 號(hào)、4 號(hào)線部分標(biāo)段有相關(guān)應(yīng)用，并取得良好注漿效果。

（6）常用活性單漿液中加入絮凝劑（纖維素醚、聚丙烯纖維等）。在水膠比較高的注漿液中摻入抗水分散劑，使?jié){液能在富水環(huán)境中控制地層穩(wěn)定、管片上浮。在武漢過江隧道（長江大橋、二橋間）和臺(tái)山核電取水隧洞的應(yīng)用中均取得良好效果。

3.3 雙液活性注漿材料

雙液活性漿液指單液活性漿液作為A液與由水玻璃組成的 B 液混合而成的注漿漿液。因水玻璃與活性漿液混合后漿液將在幾分鐘內(nèi)迅速凝結(jié)，注漿施工時(shí)要將2 種漿液在注漿管注入前混合，達(dá)到迅速凝結(jié)，穩(wěn)定管片及地層穩(wěn)定，避免了漿液被水稀釋而降低注漿質(zhì)量，但瞬凝型的注漿液容易造成堵管、注漿密實(shí)性不佳等現(xiàn)象。雙液活性漿液的瞬凝特點(diǎn)使其常被應(yīng)用于隧道盾構(gòu)施工的富水環(huán)境、軟土層的同步注漿及常規(guī)盾構(gòu)施工的二次注漿。

3.4 同步注漿材料的基本特點(diǎn)

表1 給出了 3 種注漿材料的性能及適用環(huán)境比較。

4 結(jié)論及建議

表13 種漿液性能及適用環(huán)境比較

綜上所述，同步注漿材料歷經(jīng)多年的發(fā)展，已從原來的單一惰性漿液發(fā)展到各種類型的注漿漿液，以滿足不同施工環(huán)境的需求，但不同種類的注漿材料仍存在不足，如惰性漿液凝結(jié)時(shí)間較長而不能較好控制地層沉降，化學(xué)漿液容易引起固結(jié)體強(qiáng)度倒縮且容易對(duì)環(huán)境造成污染，缺乏注漿材料質(zhì)量管控措施等等。注漿材料的耐久性問題、環(huán)保問題及不同環(huán)境的適應(yīng)性仍需要做更深入的研究，尋求綠色環(huán)保、防滲防腐、凝結(jié)時(shí)間易控、經(jīng)濟(jì)效益好、施工方便等綜合性高的新型同步注漿材料是今后注漿材料的開發(fā)方向。

（1）隨著地鐵隧道工程的迅速發(fā)展，盾構(gòu)施工挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)苛的地質(zhì)環(huán)境，而依然要保證 100 年以上的隧道壽命，注漿材料及注漿效果就顯得尤為重要。盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了注漿材料的發(fā)展，從注漿材料的發(fā)展歷程可見，注漿材料從原來的惰性粘土漿液注漿逐步發(fā)展到綠色惰性注漿材料、可調(diào)凝惰性注漿材料、水泥基活性注漿材料、盾構(gòu)泥砂活性注漿材料、水玻璃-水泥基活性注漿材料、抗水分散性注漿材料等，研發(fā)的不同性能的注漿材料已能夠滿足不同的盾構(gòu)環(huán)境。

（2）與抹灰砂漿、砌筑砂漿、混凝土等建筑材料相比，注漿材料對(duì)后期強(qiáng)度要求不高，而且材料來源廣泛、多樣，成本較低，施工技術(shù)的管控較低，但在盾構(gòu)施工中又起著舉足輕重的作用。雖然多種多樣的注漿材料已被研發(fā)來跟進(jìn)盾構(gòu)施工，但地鐵隧道工程地層下沉超限、地鐵滲漏水問題仍然時(shí)常發(fā)生，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來進(jìn)行質(zhì)量控制，應(yīng)引起人們重視。

（3）惰性注漿材料的施工性好但結(jié)石體強(qiáng)度較低，活性注漿材料后期強(qiáng)度較高但施工性較差，容易堵管，影響施工進(jìn)度，均衡二者性能方面有待研究。

（4）針對(duì)控制地層穩(wěn)定、富水環(huán)境管片的穩(wěn)定，注漿材料在不斷發(fā)展，但在沿海地區(qū)，更為嚴(yán)苛的侵蝕性環(huán)境對(duì)大水膠比、低強(qiáng)度的注漿材料來說，又是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，因?yàn)樽{材料的耐久性很少作為控制指標(biāo)，有待開發(fā)研究，注漿材料的耐久性研究也將作為盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力。

［1］ 羅云峰， 區(qū)希， 張厚美， 等.地鐵隧道盾構(gòu)法同步注漿用水泥漿液的試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2004（8）.

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責(zé)任編輯 朱開明

Study Progress of Synchronous Grouting Material for Shield Tunneling Method

Tang Jingjing， Huang Jing， Zhou Yongxiang， et al.

In the shield construction， grouting technology is an important means to stabilize strata and protect lining.Furthermore， grouting material used by the grouting technology is playing a vital role.The paper gives a brief overview of the development course of the shield technology，grouting technology and grouting material.It systematically analyzes and summarizes the grouting materials categories and research status.In the fi nal part， the paper puts forward some existing problems of grouting materials in China.

shield， synchronous grouting， grouting material

U455.43

唐晶晶（1989—），女，碩士研究生

2015-10-10