盾構(gòu)穿越富水漂卵石地層飽和注漿技術(shù)研究

楊立偉

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司 北京 100018)

1 前言

成都地鐵區(qū)間地層卵石層居多，卵石堆積，地層較為松散，刀盤轉(zhuǎn)動對地層的擾動性極大，在盾構(gòu)機(jī)兩側(cè)3～5 m就會產(chǎn)生沉降，且整個區(qū)間隧道上方管線多且密集，其中有燃?xì)夤芎碗娏艿?，地層沉降控制更需?yán)格。

目前控制沉降一般是在盾尾注漿或者二次注漿，但是效果不明顯，管片脫出盾尾后還會造成管片上浮。為了控制此沉降，研發(fā)盾尾注漿、管片開孔注漿、中盾預(yù)留孔注漿三種注漿方式同時進(jìn)行的飽和注漿法。漿液按功能分三種，中盾預(yù)留孔為超前緊密注漿法，在盾構(gòu)機(jī)中盾兩側(cè)的預(yù)留孔接注漿管，在推進(jìn)的同時進(jìn)行超前注漿，對周邊地層進(jìn)行填充。

2 工程概況及重難點分析

2.1 盾構(gòu)隧道概況

成都地鐵6號線2標(biāo)共3站4區(qū)間，其中蜀～檬區(qū)間全長1 079.082 m，采用直徑為6.28 m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，是岷江上游側(cè)唯一盾構(gòu)標(biāo)段。隧道埋深10.2～17.4 m，區(qū)間隧道全線盾構(gòu)下穿、側(cè)穿DN500、DN700、DN800污水管，污水管距拱頂埋深最小為2.4 m。

2.2 水文地質(zhì)

盾構(gòu)區(qū)間主要穿越地層為中密卵石層<2-9-3>，上覆土為稍密卵石層<2-9-2>。中密卵石層地層疏松、顆粒級配差，地層中細(xì)微顆粒較少，膠結(jié)度極差，卵石含量80%以上，根據(jù)現(xiàn)場篩分，粒徑20～50 cm的漂卵石含量在24%左右，漂石最大粒徑大于80 cm，含量大于10%，車站開挖中曾挖出大于1 m的漂石。地下水受河道影響，水量較大，透水能力強(qiáng)，滲透系數(shù)25 m/d。

2.3 施工難點

(1)受漂卵石地層和富水滲透率大的影響，盾構(gòu)施工過程中土壓不穩(wěn)、超挖、噴涌等影響，掘進(jìn)中地表塌陷風(fēng)險大，易造成地面塌陷[1-2]。

(2)區(qū)間下穿DN800污水管，經(jīng)盾構(gòu)施工的擾動易發(fā)生地面塌陷，污水管斷裂等風(fēng)險[3]。

3 盾構(gòu)飽和注漿技術(shù)

3.1 總體施工方案

(1)中盾預(yù)留孔焊接注漿頭，連接同步注漿管路，在推進(jìn)過程中同步注漿填充并形成超前緊密注漿，減少推進(jìn)中的沉降，注漿壓力不得大于土倉壓力[4-5]。

(2)盾尾后管片開孔連接同步注漿管路，推進(jìn)中同步注漿，防止脫出盾尾后沉降。

(3)盾尾同步注漿。

(4)三種注漿方式同時進(jìn)行，均采用砂漿，利用同步注漿泵進(jìn)行注漿，如圖1所示。

圖1 飽和注漿示意

3.2 地層充填飽和注漿

3.2.1 中盾預(yù)留孔注漿

利用盾構(gòu)機(jī)中盾預(yù)留孔接50 mm的單向球閥焊接在上面。不要讓球閥穿過盾體，然后用一根同步注漿管接在球閥上，在球閥上裝壓力傳感器，在此位置注漿，注漿壓力不能超過土倉壓力，防止砂漿進(jìn)入土倉，施工要連續(xù)，避免砂漿凝固包裹盾體。

3.2.2 盾尾后管片開孔注漿

一般選擇在3～9點以上的位置，根據(jù)管線的位置選擇注漿孔位，開孔后安裝注漿頭，接球閥以及壓力傳感器，接到同步注漿泵，在保證管片質(zhì)量和管線的情況下飽和注漿。

3.2.3 盾尾注漿

盾尾注漿采用盾構(gòu)機(jī)上部兩根管注漿，填充管片與土體的縫隙，防止管片脫出位置沉降以及管片上浮。注漿壓力≥1.5 bar。

三種注漿方式同時進(jìn)行，均在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中進(jìn)行注漿[6]，漿液采用同步注漿液(砂漿)推進(jìn)一環(huán)(1.5 m)時平時注漿量在6～8 m3，在穿越密集管線時，加大注漿量，一般在12～15 m3，漿液采用電瓶車砂漿罐運輸，推進(jìn)一環(huán)需要運輸兩次。

3.3 注漿參數(shù)

在飽和注漿施工中，對三種漿液的功能要求不同，同步注漿針對填充掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的實時地層損失。中盾注漿目的為超前緊密注入惰性漿液，以加固土體。管片開孔注漿目的為使?jié){液速凝，快速補(bǔ)充地層空洞并防止管片上浮。對同步注漿的成分進(jìn)行配比試驗，其他兩種漿液根據(jù)作用不同增減成分占比。

3.3.1 同步注漿漿液配比實驗

由于盾構(gòu)穿越地層特殊，卵石粒徑大且含量高，為嚴(yán)格控制沉降，需要縮短漿液凝結(jié)時間。本漿液配比試驗的主要指標(biāo)為凝結(jié)時間。

通過采用5種成分4組的正交試驗來對比研究同步漿液各成分影響，詳細(xì)比例見表1。

表1 正交試驗設(shè)計因素和水平分析 kg/m3

實驗結(jié)果表明:影響凝結(jié)時間的主要原因是水泥，其次是砂和水。

對凝結(jié)時間的要求，管片開孔注漿最高，同步注漿和中盾注漿次之，經(jīng)試驗結(jié)果和工程經(jīng)驗綜合考量，漿液最終配比見表2～表4。

表2 同步注漿漿液材料配比

表3 中盾注漿漿液材料配比

表4 管片開孔注漿漿液材料配比

3.3.2 注漿量計算

注漿量根據(jù)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)中超方量以及沉降參數(shù)進(jìn)行計算。

Q=[π(R2-r2)×d+A]×n

式中，Q為注漿總量(m3)；A為超方量(m3)；n為地層孔隙比，取值1.5；R為刀盤半徑，取值3.14 m；r為管片半徑，取值3 m，d為管片長度，取值1.5 m。

3.3.3 注漿壓力的選定

注漿壓力要根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，注漿壓力的大小對管片質(zhì)量、盾尾刷以及沉降都有很大的關(guān)系，必須要控制好注漿壓力，否則會造成地面隆起或擊穿[7]。注漿壓力的選定可根據(jù)管片強(qiáng)度、盾尾刷承受的壓力、超方量、沉降值，以及隧道埋深進(jìn)行計算。

中盾上方開孔注漿壓力應(yīng)該大于此位置的水壓力加土體壓力之和，但是不應(yīng)該大于土倉壓力，做到緊密填充填補(bǔ)的同時又不會使?jié){液流入土倉，注漿壓力過大會造成漿液流入土倉，但是注漿壓力過小時，會降低漿液的填充速度，影響緊密填充的效果[8]。

盾尾注漿壓力和盾尾后管片開孔注漿壓力根據(jù)計算得出表5中壓力F的取值。

表5 壓力系數(shù)取值

3.4 裝置與設(shè)備

注漿設(shè)備采用盾構(gòu)機(jī)自帶同步注漿泵[9]。注漿管采用50 mm粗耐壓≥10 bar的注漿軟管，注漿頭注漿球閥均采用50 mm直徑，注漿球閥采用單向注漿球閥，防止?jié){液倒流[10]。無需額外的設(shè)備，均采用臺車自帶設(shè)備，見表6。

表6 飽和注漿法注漿設(shè)備

3.5 注漿步驟及質(zhì)量控制

3.5.1 注漿步驟

在盾構(gòu)機(jī)開始推進(jìn)時先開啟盾尾注漿和盾尾后管片開孔處注漿，在推進(jìn)20 cm后，開啟中盾上方預(yù)留孔注漿，注漿速度根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度相匹配；在推進(jìn)過程中漿液不夠[11]，必須暫停掘進(jìn)，利用電瓶車砂漿罐拉砂漿進(jìn)來后方可繼續(xù)掘進(jìn)。中盾上方預(yù)留孔處注漿壓力不得大于土倉壓力，盾尾注漿和盾尾后管片開孔處注漿壓力要根據(jù)壓力取值表進(jìn)行操作[12]。當(dāng)壓力超過設(shè)置的值后可停止注漿3 min，3 min后繼續(xù)注漿。在長時間停機(jī)時中盾上方不要注漿，防止?jié){液凝固包裹盾體的可能。

注漿結(jié)束后，短時間停機(jī)利用砂漿罐預(yù)留漿液每隔5 min進(jìn)行注漿，防止管路堵塞，長時間停機(jī)要注入膨潤土洗管。盾尾后管片開孔處注漿，在注漿結(jié)束后20 min及時將注漿頭取出，將注漿孔采用速凝劑堵住，防止?jié){液凝固，損壞注漿頭。

3.5.2 質(zhì)量控制要點

(1)注漿所用材料必須滿足設(shè)計的規(guī)定要求，明令禁止使用過期的漿液，過期漿液應(yīng)立即處理。

(2)漿液配比是在設(shè)計的基礎(chǔ)上，根究現(xiàn)場實際情況進(jìn)行調(diào)整，不能隨意更改漿液配比，漿液拌制時允許的最大誤差為±3%。

(3)漿液拌制過程中要充分?jǐn)嚢?，攪拌至漿液完全混合為止，不允許漿液有結(jié)塊或者沉淀，此類漿液應(yīng)該禁止使用。

(4)在采用飽和法注漿時，注漿過程中，要時刻注意壓力，中盾上方開孔處壓力不得高于土倉壓力，高于土倉壓力后漿液直接會進(jìn)入土倉；盾尾和管片開孔處壓力要注意觀察，壓力不穩(wěn)定的時候要立即停止注漿，找明原因后方可繼續(xù)進(jìn)行；也可以采取間斷性的注漿方式，防止?jié){液亂串，達(dá)到注漿目的。

(5)四個泵同時注漿，應(yīng)做好標(biāo)記，防止記混；注漿應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計、規(guī)范要求進(jìn)行。

4 結(jié)論及建議

針對成都地鐵漂卵石含量高地層，提出盾構(gòu)洞內(nèi)充填飽和注漿技術(shù)，從中盾、盾尾及管片三個部位配合不同漿液注漿，加固了地層，沉降最大不到3 mm，控制了沉降，保護(hù)了密集管線，成功解決了盾構(gòu)機(jī)盾體周邊地層容易發(fā)生沉降的技術(shù)難題。

(1)利用同步注漿泵分管路到盾尾、中盾、管片預(yù)留孔，漿液采用砂漿，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中同時進(jìn)行，不需要在隧道里面拌制漿液，減少了其他設(shè)備的投入。

(2)利用盾體兩側(cè)預(yù)留孔超前緊密注漿不用水玻璃等污染材料，降低了成本，保護(hù)了環(huán)境。

(3)飽和注漿施工時要注意施工連續(xù)，避免盾體被包裹。