孫立功,金 花,龐旭卿,郭亞宇

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000)

1 工程概況

廣州地鐵3號(hào)線客—大區(qū)間采用兩條分離式的單線盾構(gòu)隧道,單線長(zhǎng)度1 484 m,兩線間距15.2～11.2 m,隧道縱斷面埋深9～37 m?；炷凉芷r砌,管片外徑6 000 mm,內(nèi)徑5 400 mm,厚度300 mm,寬度1 500 mm,環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝。1臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工,盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)8 325 mm,刀盤直徑6 280 mm,盾尾直徑6 230 mm。

該隧道主要穿越〈7〉巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、〈8〉巖石中風(fēng)化帶、〈9〉巖石微風(fēng)化帶,巖性為泥質(zhì)粉砂巖、〈6〉巖石全風(fēng)化帶；局部穿越〈5-1〉可塑或稍密狀殘積土、〈5-2〉硬塑或中密狀殘積土。隧道上方主要為中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、殘積層。通過(guò)地層屬較軟地層,巖質(zhì)較均一,有一定自穩(wěn)能力,但節(jié)理裂隙較發(fā)育,局部易碎裂坍塌。

本區(qū)間下穿建筑物共150棟,房屋層數(shù)多為2～9層,以天然基礎(chǔ)為主；有少量的高層,樁較長(zhǎng)。

2 盾構(gòu)施工同步注漿技術(shù)

本標(biāo)段采用1臺(tái)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)情況、地面建筑、掘進(jìn)模式,采用以同步注漿為主,二次補(bǔ)漿和地面跟蹤注漿為輔的3種注漿形式。

2.1 同步注漿加固的機(jī)理2.1.1 注漿填充加固關(guān)鍵因素

充填性,限域性(防止流失),固結(jié)強(qiáng)度(早期強(qiáng)度)。對(duì)漿液的特性要求如下。

(1)充填性好,并不流竄到應(yīng)填充空隙以外的其他地域(不流失到開挖面及圍巖土體中去)。

(2)漿液流動(dòng)性好,離析少,以便能長(zhǎng)距離壓送。

(3)漿液注入時(shí)應(yīng)具備不易受地下水稀釋的特性。

(4)背后注漿填充后,希望早期強(qiáng)度能均勻,其數(shù)值與原狀土的強(qiáng)度相當(dāng)。

(5)漿液硬化后的體積收縮率和滲透系數(shù)要小。

(6)無(wú)公害、價(jià)格便宜。

上述部分條件是相互矛盾的,所以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)并不是一件容易的事?？汀髤^(qū)間同步注漿選用水泥砂漿,是單液漿,此漿液的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)性好,凝固后強(qiáng)度大；缺點(diǎn)是初期強(qiáng)度小,易流失,常會(huì)從受損或脫落的止?jié){板流入盾構(gòu)機(jī)的土倉(cāng),造成漿液浪費(fèi),也易使隧道管片背后最重要的頂端部位出現(xiàn)無(wú)漿液充填的現(xiàn)象。

2.1.2 單液漿液硬化特性及注漿機(jī)理

單液漿液在攪拌機(jī)等攪拌器中一次拌和成為流運(yùn)的液體,再經(jīng)過(guò)液體——固體的中間狀態(tài)(流動(dòng)態(tài)、凝結(jié)及可塑狀凝結(jié))后,固結(jié)(硬化)。但是,由于水泥的水化反應(yīng)非常緩慢,所以達(dá)到固結(jié)需要幾個(gè)小時(shí)。因此注入時(shí)要求漿液是流動(dòng)性好的液態(tài),以利于充填。

客—大盾構(gòu)隧道主要穿過(guò)有一定自穩(wěn)性的強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶,針對(duì)此地層,水泥砂漿的注漿機(jī)理可用4種模式來(lái)表示。海瑞克盾構(gòu)機(jī)在盾尾設(shè)計(jì)有止?jié){板,為防止?jié){液和地下水倒流到盾體外部,或進(jìn)入土倉(cāng),但往往在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一段后,止?jié){板就會(huì)墮掉(由于盾體與土體之間的摩擦)。

在盾構(gòu)始發(fā)的100多m內(nèi),止?jié){板一般比較完整,同步注漿的漿液不會(huì)流竄到土倉(cāng),注漿壓力容易建立,管片頂部容易注飽滿。止?jié){板完整時(shí)的注漿模式如圖1所示。

注：①最先注入的漿液；②第二批注入的漿液；③第三批注入的漿液；④未充填到的部位。圖1 止?jié){板完整時(shí)的注漿模式

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一段后,部分止?jié){板脫落,同步注漿壓力在管片頂部無(wú)法建立,漿液順脫落的止?jié){板流入土倉(cāng),若不采取措施,管片頂部注不飽滿,形成空殼,易引起地面沉降。部分止?jié){板脫落后注漿的模式如圖2所示。

圖2 部分止?jié){板脫落后的注漿模式

盾構(gòu)機(jī)從客—大盾構(gòu)始發(fā)端大塘工地始發(fā)時(shí),止?jié){板未受磨損,非常完整,所以大塘端洞門注漿很飽滿,洞門滲水小。盾構(gòu)機(jī)中間風(fēng)井二次始發(fā)時(shí),有1/4止?jié){板脫落,而且沒(méi)能及時(shí)修復(fù),所以風(fēng)井始發(fā)洞門無(wú)法注飽滿,漏水嚴(yán)重。下面是兩種洞門注漿模式。

止?jié){板完整時(shí)的洞門注漿模式如圖3(盾構(gòu)第一次始發(fā))所示。

圖3 止?jié){板完整時(shí)的洞門注漿模式

無(wú)止?jié){板時(shí)的洞門注漿模式如圖4(盾構(gòu)風(fēng)井始發(fā))所示。

圖4 無(wú)止?jié){板時(shí)的洞門注漿模式

由圖1～圖4可見(jiàn)，單液型漿液在注入時(shí)完全沒(méi)有自立性的流體,形成后注漿液順次推壓先注的漿液,使?jié){液逐漸充填到前方的形態(tài)。

2.2 同步注漿加固設(shè)備

海瑞克盾構(gòu)機(jī)自帶自動(dòng)注漿系統(tǒng),使用的兩個(gè)注漿泵為全液壓雙缸雙出口活塞注漿泵。該泵由電動(dòng)液壓泵站提供動(dòng)力。

攪拌站采用四川核工業(yè)部出產(chǎn)的JDY500C型攪拌機(jī),配有自動(dòng)上料和電子計(jì)量系統(tǒng)。每鍋進(jìn)料800 L,出料500 L,攪拌時(shí)間25～30 s,每小時(shí)拌漿量25 m3。運(yùn)漿車是隧道局生產(chǎn)的8 m3運(yùn)漿車,帶有自動(dòng)攪拌系統(tǒng)。拌和站到運(yùn)漿車的下漿管采用φ200 mm的鐵管,下漿管靠近儲(chǔ)漿罐一側(cè)安裝閥門。運(yùn)漿車到盾構(gòu)機(jī)砂漿存儲(chǔ)罐的上漿管采用φ100 mm的軟管。

2.3 同步注漿加固施工工藝

漿液在攪拌站配置好以后,則砂漿運(yùn)輸車(即攪拌葉片)運(yùn)至注漿站,通過(guò)軟管抽送至砂漿存儲(chǔ)罐內(nèi)(即攪拌罐),連接好注漿管路,并設(shè)定壓力、流量進(jìn)行注漿。在每個(gè)注漿孔出口設(shè)置分壓器,以便對(duì)各注漿壓力和注漿量進(jìn)行檢測(cè)與控制,從而獲得對(duì)管片背后對(duì)稱均勻壓注。注漿流程見(jiàn)圖5。

2.4 同步注漿加固材料

同步注漿材料為水泥砂漿,由水泥、砂,粉煤灰,膨潤(rùn)土,水和添加劑等組成。

2.5 同步注漿加固主要技術(shù)參數(shù)

客—大區(qū)間各里程地層變化明顯,漿液配比必須適應(yīng)地層特性。每m3各種漿液配比見(jiàn)表1～表4。

表2 〈6〉全風(fēng)化帶、〈5-1〉、〈5-2〉殘積土中漿液配比 kg/m3

表3 〈7〉強(qiáng)風(fēng)化帶漿液配比 kg/m3

表4 〈8〉中風(fēng)化帶、〈9〉微風(fēng)化帶漿液配比 kg/m3

2.6 同步注漿量確定

注漿量的確定是以盾尾建筑空隙量為基礎(chǔ)并結(jié)合地層、線路及掘進(jìn)方式等考慮。適當(dāng)?shù)娘枬M系數(shù),以保證達(dá)到充填實(shí)的目的,根據(jù)施工實(shí)際,飽滿系數(shù)包括由注漿壓力產(chǎn)生的壓密系數(shù),取決于地質(zhì)情況的土質(zhì)系數(shù),施工消耗系數(shù),由掘進(jìn)方式產(chǎn)生的超挖系數(shù)等。一般主要考慮壓密系數(shù)和超挖系數(shù)。以上飽滿系數(shù)在考慮時(shí)須累計(jì)。

同步注漿量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

Q=qλ

式中q——充填體積；

q=п(b2-d2)L/4

其中q——盾構(gòu)施工引起管片背面的空隙，m3；

b——盾構(gòu)切削外徑，m；

d——預(yù)制管片外徑，m；

L——回填注漿段長(zhǎng)即預(yù)制管片每環(huán)長(zhǎng)度。

λ——注漿率；

λ=a1+a2+a3+a4+1

其中a1——壓密系數(shù)，取0.3～0.5,

a2——土質(zhì)系數(shù)，取0.05～0.15；

a3——施工損耗系數(shù)，取0.1～0.20；

a4——超挖系數(shù)，取0.1～0.2。

在〈6〉全風(fēng)化帶、〈5-1〉、〈5-2〉殘積土中注漿率取120%～150%,在〈7〉強(qiáng)風(fēng)化帶、〈8〉中風(fēng)化帶、〈9〉微風(fēng)化帶注漿率取180%～215%。從目前的施工實(shí)際來(lái)看λ均位于135%～215%,這與工法、土質(zhì)、漿液及注入壓力等因素有關(guān)系。

2.7 同步注漿壓力確定及控制2.7.1 注漿壓力確定

注漿壓力主要取決于地層阻力,但與漿液特性、土倉(cāng)壓力、設(shè)備性能、管片強(qiáng)度也有關(guān)系。注漿壓力通常為0.1～0.3 MPa,一般計(jì)算是不準(zhǔn)確的,必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和地面沉降監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)來(lái)確定。本工程注漿壓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果是：〈6〉及以下的地層中,一般在0.15～0.3 MPa；〈7—9〉的巖層中,注漿壓力取決于圍巖條件和裂隙水壓力,一般在0.1～0.15 MPa。洞口注漿壓力0.06～0.15 MPa。

混凝土管片,當(dāng)注入壓力為4 MPa左右時(shí),K型管片的螺栓會(huì)被剪斷。

2.7.2 注漿壓力控制

注漿過(guò)程有注漿壓力、注漿量?jī)蓚€(gè)控制標(biāo)準(zhǔn),以注漿壓力控制注漿過(guò)程為主；如果地層自穩(wěn)性好,地下水壓小時(shí),以注漿量控制為主。

客—大盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)的前200 m內(nèi)是〈5〉、〈6〉號(hào)地層。理論注漿量為6.0 m3,海瑞克盾構(gòu)機(jī)注漿泵為活塞式注漿泵,每沖程理論的注漿量為12 L,由于活塞泵前面的儲(chǔ)漿囊里經(jīng)常有凝結(jié)的水泥塊,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),每沖程的注漿在10～11 L,施工時(shí)一般按10 L考慮,6 m3漿液沖程數(shù)就是600個(gè)。

海瑞克盾構(gòu)機(jī)注漿管沿盾尾圓周方向均勻布置,相臨兩個(gè)注漿管的圓心角為90°。注漿管布置見(jiàn)圖6。

注：1.陰影部分為1、4號(hào)管注漿范圍；2.空白部分為2、3號(hào)管注漿范圍；3.1、4號(hào)注漿量：2、3號(hào)注漿量?3∶1圖6 注漿管布置

注漿過(guò)程控制要求如下：

(1)①、④號(hào)管注漿量應(yīng)達(dá)到450沖程,注漿壓力控制在0.15～0.25 MPa；

(2)②、③號(hào)管注漿量應(yīng)達(dá)到150沖程,注漿壓力控制在0.15～0.3 MPa；

(3)當(dāng)4條注漿管的沖程與掘進(jìn)長(zhǎng)度不成比例,注漿量偏小時(shí),調(diào)大①、②、③、④號(hào)管注漿壓力,加快注漿速度；

(4)②、③號(hào)管注漿沖程能超過(guò)100個(gè),注漿壓力接近0.3 MPa時(shí),一般不要調(diào)大；

(5)當(dāng)4條注漿管的壓力都大于限值時(shí),停止注漿,以防堵管。

2.8 同步注漿速度

注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配,所以注漿泵的單環(huán)注漿量要滿足注漿速度的需求。

Qv=Q×V×t/L0

式中Qv——在長(zhǎng)度V×t范圍內(nèi)理論注漿量，1×10-3m3；

Q——理論注漿量，1×10-3m3；

V——掘進(jìn)速度，mm/min；

t——掘進(jìn)有效時(shí)間，min；

L0——管片寬度減去150 mm。

若掘進(jìn)速度穩(wěn)定,Qv與t是線性關(guān)系。

同步注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力,注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%以上,對(duì)注漿不足或注漿效果不好的地方進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿,以增加注漿層的密實(shí)性并能提高防水效果。

3 結(jié)論

(1)在硬巖地段盾構(gòu)注漿易采用同步注漿和二次注漿相結(jié)合的背后注漿方式,漿液配比要在保證砂漿稠度、離析率、固結(jié)率、強(qiáng)度等指標(biāo)的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)其凝膠時(shí)間,控制在5～12 h,同步注漿壓力約為0.1～0.12 MPa。地下水發(fā)育時(shí),漿液的凝膠時(shí)間調(diào)短。

(2)在自穩(wěn)能力較差的強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化巖地層和黏土層,盾構(gòu)注漿,單液漿和雙液漿都可選,凝膠時(shí)間適當(dāng)縮短為4～7 h,同步注漿壓力為0.15～0.2 MPa,必要時(shí)進(jìn)行二次襯砌強(qiáng)注漿以及采取地層加固輔助施工措施。

(3)在自穩(wěn)性差的軟弱黏土地層,盾構(gòu)向前推進(jìn),土體出露后很快就可能坍塌,待進(jìn)行注漿時(shí)盾尾空隙可能已經(jīng)很小,因此同步注漿時(shí),可適當(dāng)增大注漿壓力,以獲得更好的充填效果。

(4)在富含水地層中注漿要求能迅速阻水,快速充填。故要求漿液凝固時(shí)間短,黏性大,保水性強(qiáng),不離析,凝膠時(shí)間在4～6 h,若掘進(jìn)時(shí)建立了土壓或氣壓,則應(yīng)盡量確保盾尾密封完好,以防止倉(cāng)中的水由盾尾被壓入管片背后。當(dāng)管片背后已被水充填,則需要提高注漿壓力，以便將地下水隨著漿液的推進(jìn)被擠入土體中。

(5)在盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)段,總體上要求縮短漿液凝膠時(shí)間,以便在填充地層的同時(shí)能盡早獲得漿液固結(jié)體強(qiáng)度,保證開挖面安全并防止從洞口處漏漿。

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