用于有效控制地面沉降盾構(gòu)新型注漿技術(shù)研究

商圣殿

中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司

1 前言

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的地表沉降主要是由于施工引起地層損失，為控制地層損失，盾構(gòu)機(jī)設(shè)置有同步注漿系統(tǒng)，通過(guò)在盾尾后方及時(shí)注入同步漿液填充管片外空隙以彌補(bǔ)地層損失；同時(shí)，對(duì)尚未填充密實(shí)的地方，通過(guò)二次注漿進(jìn)行填充，這一系列方法，對(duì)地面沉降控制起到了重要的作用，但該方法不可避免地存在一個(gè)問(wèn)題，即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，因開(kāi)挖刀盤(pán)開(kāi)挖斷面略大于盾體外徑，更大于管片外徑，而盾體外面的空隙在掘進(jìn)過(guò)程中無(wú)法及時(shí)填充，若地質(zhì)條件差，因盾體外的空隙無(wú)法及時(shí)填充會(huì)出現(xiàn)地面沉降，當(dāng)?shù)侗P(pán)上方出現(xiàn)地層塌空時(shí)，需及時(shí)對(duì)塌空的地方進(jìn)行填充并形成有效支撐，但盾尾的注漿對(duì)此已達(dá)不到效果，即當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至盾尾到達(dá)塌空處需要再推進(jìn)5～6 環(huán)左右，而此時(shí)塌空往往已向上傳遞了較大范圍甚至已到達(dá)地面，故：當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差或通過(guò)重要建構(gòu)筑物時(shí)，傳統(tǒng)注漿方法已難以實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降的有效控制。

2 工程概況

本標(biāo)段區(qū)間起點(diǎn)為機(jī)場(chǎng)北站，終點(diǎn)為吊出井，起點(diǎn)里程為YDK41 + 437.900，終 點(diǎn) 里 程 為YDK42 + 343.576（ZDK42 +335.972），區(qū)間長(zhǎng)度905.676m（左線898.072m），線路埋深在19m～27m 之間，最小線間距12.05m，區(qū)間線路自機(jī)場(chǎng)站端以24‰、28‰及4‰坡度向下直至吊出井。盾構(gòu)先后下穿既有運(yùn)營(yíng)的11號(hào)線右線、11號(hào)線入場(chǎng)線、11號(hào)線出場(chǎng)線及11號(hào)線左線。

3 工程難點(diǎn)

機(jī)重區(qū)間下穿地鐵11 號(hào)線機(jī)福區(qū)間隧道群，最小凈距僅2.4m，而穿越長(zhǎng)度達(dá)117m，且機(jī)重區(qū)間左右線需連續(xù)8次下穿地鐵11 號(hào)線，對(duì)11 號(hào)線擾動(dòng)將產(chǎn)生累加效應(yīng)，沉降控制難度進(jìn)一步增大。施工過(guò)程中需嚴(yán)格控制其對(duì)既有11號(hào)線的影響，否則將直接危及既有軌道交通線的運(yùn)營(yíng)安全、也會(huì)對(duì)新建盾構(gòu)隧道工程的施工安全、工期和工程造價(jià)帶來(lái)不良后果。同時(shí)，已有地鐵運(yùn)營(yíng)隧道均為重要的交通走廊，是大多數(shù)市民出行最重要的交通工具之一，在城市公共中正發(fā)揮著骨干作用。新建隧道的施工全過(guò)程不能影響深圳地鐵11號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)，這對(duì)新建盾構(gòu)隧道施工提出了更高的工程控制要求，亟須研究有效、適用、系統(tǒng)的控制既有線變形的整套成熟技術(shù)，以指導(dǎo)在已建線路附近進(jìn)行新建盾構(gòu)隧道施工。

4 同步注漿新型漿液配置技術(shù)

新型漿液原材料由石灰、粉煤灰、細(xì)砂、膨潤(rùn)土、水泥組成（新型漿液重量配比見(jiàn)表1所示），配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，以漿液的坍落度和漿液凝結(jié)時(shí)間控制為核心，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試拌調(diào)整后得出生產(chǎn)配合比，另外，漿液在制拌過(guò)程中采用通用拌合設(shè)備，且在攪拌過(guò)程中要確保漿液放漿管道順直。漿液拌制以及新型漿液坍落度試驗(yàn)分別如圖1和圖2所示。

表1 新型漿液重量配比（kg/m3）

圖1 漿液制拌

圖2 新型漿液坍落度試驗(yàn)

其中粉煤灰、膨潤(rùn)土采用散裝粉煤灰，將上述材料采用經(jīng)改造的拌合設(shè)備進(jìn)行攪拌，拌合時(shí)注意嚴(yán)控粉煤灰、沙子的質(zhì)量，以保證漿液的流動(dòng)性。

5 新型注漿系統(tǒng)及組合注漿技術(shù)

5.1 注漿系統(tǒng)的構(gòu)造

注漿系統(tǒng)包括漿液攪拌裝置、漿液輸送裝置、盾尾同步注砂漿系統(tǒng)和新型漿液同步注漿系統(tǒng)。漿液攪拌裝置包括儲(chǔ)料罐、骨料倉(cāng)和與儲(chǔ)料罐的進(jìn)料口連通的攪拌站，儲(chǔ)料罐和骨料倉(cāng)為一體式或分開(kāi)式，兩者為分開(kāi)狀態(tài)時(shí)，在儲(chǔ)料罐的出料口設(shè)有第一渣漿泵，并通過(guò)料液輸送管與骨料倉(cāng)的進(jìn)料口連通；在骨料倉(cāng)的底部分別設(shè)有帶控制閥的砂漿輸送口和厚漿輸送口，并在砂漿輸送口通過(guò)漿料管連接有第二渣漿，在厚漿輸送口處通過(guò)漿料管連接有第一擠壓泵；在骨料倉(cāng)的出料漏斗上設(shè)有振動(dòng)泵，在進(jìn)行新型漿液攪拌時(shí)，需要開(kāi)啟振動(dòng)泵加快新型漿液的出料速度，并避免新型漿液黏附在骨料倉(cāng)的倉(cāng)壁上。

漿液輸送裝置包括砂漿罐、厚漿罐、砂漿車(chē)和厚漿車(chē)，在砂漿罐和厚漿罐的出料口均設(shè)有第二擠壓泵，砂漿罐的進(jìn)料口通過(guò)砂漿輸送管與第二渣漿泵連通，出料口通過(guò)第二擠壓泵直接與盾尾同步注漿系統(tǒng)連通，厚漿罐的進(jìn)料口通過(guò)砂漿輸送管與第一擠壓泵連通。若輸送路線太長(zhǎng)，砂漿罐為一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的砂漿罐，在每個(gè)砂漿罐的出料口均設(shè)有第二擠壓泵，厚漿罐與第一擠壓泵之間的厚漿輸送管上設(shè)有地泵。注漿系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 注漿系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 漿液運(yùn)輸

（1）將配制的新型漿液通過(guò)攪拌裝置骨料倉(cāng)的厚漿輸送口的第一擠壓泵輸送至厚漿罐內(nèi)，再通過(guò)厚漿罐出料口的第二擠壓泵輸送到厚漿車(chē)內(nèi)，厚漿車(chē)通過(guò)隧道軌道運(yùn)送至第一節(jié)臺(tái)車(chē)，新型漿液通過(guò)厚漿車(chē)出料口的第三擠壓泵輸送到輸送至新型漿液罐內(nèi)準(zhǔn)備進(jìn)行盾體同步注漿。

（2）在攪拌裝置內(nèi)配制常規(guī)盾構(gòu)同步注漿的砂漿漿液，并將配制的砂漿通過(guò)攪拌裝置骨料倉(cāng)砂的砂漿輸送口第二渣漿泵送至砂漿罐，然后通過(guò)砂漿罐出料口的第二擠壓泵輸送到盾尾砂漿同步注漿的砂漿車(chē)儲(chǔ)料罐內(nèi)準(zhǔn)備進(jìn)行盾尾砂漿同步注漿。

5.3 組合注漿施工技術(shù)

在掘進(jìn)過(guò)程中，每掘進(jìn)一環(huán)，通過(guò)盾尾砂漿注漿系統(tǒng)的砂漿注漿泵進(jìn)行常規(guī)的盾尾砂漿同步注漿，同時(shí)通過(guò)新型漿液注漿泵將新型漿液罐內(nèi)的新型漿液從盾體的最臨近12點(diǎn)位的兩個(gè)徑向直孔進(jìn)行盾體注漿，填充盾體與土體之間的間隙，其每推進(jìn)一環(huán)管片新型漿液的注漿量為一環(huán)管片寬度的盾體與土體之間間隙的體積。

當(dāng)出現(xiàn)地面沉降增大時(shí)或超方現(xiàn)象時(shí)，即判斷刀盤(pán)或盾體上方出現(xiàn)空洞，通過(guò)盾體徑向直孔（最臨近12 點(diǎn)位的兩個(gè)徑向孔）進(jìn)一步補(bǔ)充注入新型漿液，通過(guò)擠壓作用可快速地實(shí)現(xiàn)塌方區(qū)的充填，防止沉降進(jìn)一步擴(kuò)大，并使已產(chǎn)生沉降減小，對(duì)沉降控制的效果非常理想；注漿量不小于超方量，注漿壓力控制值為土倉(cāng)上部的控制壓力，同時(shí)監(jiān)測(cè)沉降值，當(dāng)沉降值不再增大并出現(xiàn)略減小是，停止應(yīng)急填充注漿。

在盾構(gòu)通過(guò)重要建構(gòu)筑時(shí)，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)提供沉降數(shù)據(jù)，同時(shí)，并做好渣土出土?xí)r的行程管理（即每斗渣土對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)管理行程），在出現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)增大或超方情況時(shí)，進(jìn)行應(yīng)急填充注漿，并在應(yīng)急填充注漿過(guò)程中同時(shí)監(jiān)測(cè)沉降值，當(dāng)沉降值不再增大并出現(xiàn)減小時(shí)，停止應(yīng)急填充注漿；應(yīng)急填充注漿是通過(guò)新型漿液注漿泵將臺(tái)車(chē)儲(chǔ)漿罐內(nèi)的新型漿液也通過(guò)盾體刀盤(pán)最臨近12點(diǎn)位的兩個(gè)徑向直孔進(jìn)行盾體注漿，其注漿壓力控制值為土倉(cāng)上部的控制壓力；注漿量按超方量進(jìn)行控制，超方量為實(shí)際出渣方量減按盾構(gòu)機(jī)實(shí)際管理行程計(jì)算出的理論出渣方量。

5.4 注漿注意事項(xiàng)

每次盾體注漿地從盾體最臨近12點(diǎn)位的兩個(gè)徑向直孔注入新型漿液，每環(huán)注漿量為一環(huán)盾體與土體之間的間隙的體積，而且當(dāng)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)沉降增大或統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)渣土超方（實(shí)際出土量大于實(shí)際管理行程對(duì)應(yīng)的渣土方量）時(shí)，可以在通過(guò)盾體徑向直孔（最臨近12點(diǎn)位的兩個(gè)徑向孔）進(jìn)一步補(bǔ)充注入新型漿液，通過(guò)擠壓作用可快速地實(shí)現(xiàn)塌方區(qū)的充填，防止沉降進(jìn)一步擴(kuò)大，并使已產(chǎn)生沉降減小，對(duì)沉降控制的效果非常理想。注漿量不小于超方量，且壓力按土倉(cāng)上部壓力控制。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，可以同時(shí)采用進(jìn)行盾尾同步注入水泥砂漿，還可以采用新型漿液進(jìn)行盾體徑向補(bǔ)充注漿，新型漿液具備一定的自立性能，坍落度190～210，是針對(duì)能實(shí)現(xiàn)有效填充注漿設(shè)計(jì)，漿液初凝時(shí)間超過(guò)24h，且固結(jié)強(qiáng)度極低，包裹在盾體外不會(huì)造成脫困問(wèn)題，避免了因盾體外的空隙無(wú)法及時(shí)填充會(huì)出現(xiàn)地面沉降。

6 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用可知，利用該新型組合注漿技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)重復(fù)充填，管片的壁后注漿均勻密實(shí)，注漿飽滿，成功克服了盾構(gòu)施工難題，全過(guò)程未發(fā)生一次險(xiǎn)情，地面沉降控制未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，隧道滲漏點(diǎn)極少，也大大降低了后期堵漏修補(bǔ)的工作量，目前，該技術(shù)已成功推廣應(yīng)用到類似地層施工中，且應(yīng)用效果良好。