李鷺LI Lu

（中鐵六局集團(tuán)有限公司交通工程分公司，北京 100071）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，地下工程在城市發(fā)展過程中愈發(fā)的重要，地下防水一直是地下工程的重點(diǎn)難題，在盾構(gòu)法開挖隧道的施工過程中，管片壁后填充是隧道防水重要的措施，本文以深圳地鐵14號(hào)線共建管廊為工程實(shí)例，通過分析、總結(jié)，闡述了盾構(gòu)在富含地下水的全斷面硬巖地層掘進(jìn)時(shí)同步注漿技術(shù)措施，供類似盾構(gòu)工程施工參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

深圳地鐵14號(hào)線（如圖1）共建管廊Ⅰ標(biāo)土建二工區(qū)7#～6#綜合井盾構(gòu)區(qū)間位于深圳市龍崗區(qū)，設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)法施工，線路為單線圓形隧道，預(yù)制管片外徑6.7m，內(nèi)徑6.0m，環(huán)寬1.5m，壁厚0.35m。區(qū)間線路全長(zhǎng)約1143.6m，最小曲線半徑R=750m，最大坡度48.98‰（上坡），隧道拱頂最小埋深約27.11m，最大埋深約46.59m。本工程采用1臺(tái)φ6980土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。盾構(gòu)自7#綜合井始發(fā)，掘進(jìn)至6#綜合井空推過站。

圖1 深圳地鐵14號(hào)線共建管廊7#-6#綜合井盾構(gòu)區(qū)間平面線路圖

1.2 工程地質(zhì)條件

區(qū)間隧道由上自下地質(zhì)條件依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化角巖、強(qiáng)風(fēng)化角巖、中風(fēng)化角巖及微風(fēng)化角巖，其中、微風(fēng)化全斷面硬巖段長(zhǎng)約855m，占線路總長(zhǎng)的74.7%，且微風(fēng)化巖層最大強(qiáng)度達(dá)169MPa，RQD值最高約為89%。

根據(jù)地勘資料及調(diào)查結(jié)果顯示沿線范圍內(nèi)無明顯的地表水體。沿線地下水主要有2種類型：第一類是第四系松散巖類孔隙水，主要賦存于沖洪積砂巖層和殘積土層中；第二類為基巖裂隙（構(gòu)造裂隙）水，主要賦存于塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化帶及斷裂構(gòu)造裂隙中，略具承壓性。

2 傳統(tǒng)同步注漿質(zhì)量問題原因分析

盾構(gòu)法施工的傳統(tǒng)同步注漿是采用盾構(gòu)設(shè)備自有的同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注漿管路，在盾構(gòu)向前推進(jìn)盾尾空隙形成的同時(shí)注入水泥砂漿，有效填充管片壁后空隙，使周圍巖體獲得及時(shí)的支撐。結(jié)合實(shí)際工程案例，該種工藝適用于自穩(wěn)性差、易收斂的軟土地層，而在富含地下水的全斷面地層易出現(xiàn)漿液竄倉(cāng)、稀釋等問題，導(dǎo)致管片壁后填充效果較差，主要原因分析如下：

在全斷面硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，埋深較淺線段保壓掘進(jìn)可以防止同步注漿漿液和地下水向土倉(cāng)洞涌入，但是極易造成螺旋輸送機(jī)噴涌現(xiàn)象（如圖2），增加施工難度，而當(dāng)隧道最大埋深大于30m，地下水圧偏大，保壓所需壓力大于3bar，且保壓效果不能夠達(dá)到預(yù)期效果，土壓及巖土自重對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)也會(huì)造成很大影響。因此，土壓平衡盾構(gòu)在自穩(wěn)性較好的全斷面硬巖中一般采用常壓模式掘進(jìn)（即土倉(cāng)壓力為0bar，空倉(cāng)掘進(jìn)），而在富含地下水段，同步注漿漿液會(huì)隨著地下水流向土倉(cāng)形成竄倉(cāng)現(xiàn)象，流動(dòng)過程中也會(huì)被地下水稀釋而失去填充作用。

圖2 地下水造成螺旋機(jī)噴涌及漿液流失現(xiàn)場(chǎng)圖示

3 新型同步注漿技術(shù)研究

3.1 工藝原理

結(jié)合全斷面硬巖地層自穩(wěn)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，延后同步漿液填充，綜合考慮水泥-水玻璃雙液漿止水、水泥漿填充的效果，改變同步注漿工藝，原理如下：

將盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行改造，同時(shí)在1號(hào)臺(tái)車位置增加水玻璃注漿系統(tǒng)，利用水泥-水玻璃雙液漿快速凝結(jié)、止水特點(diǎn)，在盾尾后方每間隔7-10環(huán)位置制作一道封水環(huán)，對(duì)管片壁后空隙形成分區(qū)，然后利用水泥漿分區(qū)填充。

3.2 工藝特點(diǎn)

傳統(tǒng)同步注漿只能對(duì)盾尾附近進(jìn)行填充，富含地下水的全斷面硬巖地層漿液竄倉(cāng)、稀釋現(xiàn)象明顯，填充效果較差；而同步注雙液漿只能起到止水作用，無法做到填充密實(shí)，且極容易堵管。

相較于上述兩種工藝，本工藝有以下優(yōu)點(diǎn)：①填充點(diǎn)位更加靈活，可以對(duì)分區(qū)內(nèi)空洞填充完畢后再進(jìn)行填充下一個(gè)分區(qū)；②堵管后較為容易疏通，更改管路、孔位即可繼續(xù)填充，不會(huì)對(duì)正常掘進(jìn)產(chǎn)生影響；③相對(duì)于二次注漿、填充速度更快；缺點(diǎn)：由于該注漿工藝具有一定延后性，故適用于地層相對(duì)穩(wěn)定區(qū)段。

3.3 工藝步驟

3.3.1 盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)改造

盾構(gòu)同步注漿設(shè)備部分具備注雙液漿功能，且雙液注漿極易造成盾尾管路堵塞，造成盾尾注漿系統(tǒng)癱瘓，影響后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)，故雙液注漿很少使用盾殼注漿管路，現(xiàn)將同步注漿泵頭出口管路通過變徑接頭管路調(diào)整為32mm管路，與水玻璃注入管路通過四通連接，現(xiàn)有同步注漿管路管徑較粗，需進(jìn)行設(shè)備改造轉(zhuǎn)接頭，以達(dá)到雙液混合要求。接頭采用焊接加固，保證管路管徑發(fā)生變化后，接頭部位不會(huì)因?yàn)閴毫υ驅(qū)е隆氨堋?，注漿管路末端設(shè)四通接球閥，一路接水玻璃、另一路用于實(shí)驗(yàn)混合液凝固所需時(shí)間（如圖3）。

圖3 盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)改造實(shí)物圖

3.3.2 封水環(huán)漿液制作及注入

3.3.2.1 注漿點(diǎn)位選擇

雙液漿封水環(huán)注漿開孔位置選為盾尾后7-10環(huán)的12點(diǎn)位或1、11點(diǎn)位對(duì)稱開孔（視注漿情況對(duì)2、10點(diǎn)位進(jìn)行開孔），采用沖擊鉆或釬子通開注漿頭、觀察有無明水、是否存在空洞，安裝注漿頭、球閥。注漿位置前后5環(huán)開孔設(shè)觀察孔，方便確認(rèn)漿填充情況。

3.3.2.2 漿液制作

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)水泥漿、水玻璃混合液以4:1混合，水玻璃濃度控制在65%，雙液混合反應(yīng)時(shí)間在35s，滿足現(xiàn)場(chǎng)注漿要求，當(dāng)開孔有明水情況，可按A、B混合液（2:1或3:1）進(jìn)行注漿。

3.3.2.3 漿液注入量控制

采用單液漿對(duì)管片壁后進(jìn)行填充，根據(jù)公式計(jì)算和相關(guān)技術(shù)要求，注漿量應(yīng)保證環(huán)形間隙理論容積的1.3～2.5倍左右。

同步注漿量=π（R^2-r^2）*L*λ

R=盾構(gòu)機(jī)開挖半徑

r=管片外徑

L=掘進(jìn)米數(shù)

λ=系數(shù)

經(jīng)計(jì)算，注漿量為5.9～11.3m/環(huán)。掘進(jìn)過程中根據(jù)出土量和監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整注漿量。一般情況下，注漿量達(dá)到理論值的95%以上時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到了填充要求。

3.3.2.4 注漿壓力控制

為防止注漿壓力過大造成管片浮動(dòng)而引起錯(cuò)臺(tái)破損現(xiàn)象，設(shè)定壓力控制值，注漿壓力不應(yīng)高過管片防水要求最大壓力，壓力最大控制值設(shè)為0.4MPa。

3.3.2.5 注漿流程

①注漿需用雙活塞注入泵將儲(chǔ)存在砂漿箱中的漿液通過管路泵送至管片注漿口、手動(dòng)控制水玻璃注入并專人盯控，防止水玻璃注入過快引起管路堵塞。

②注漿可根據(jù)需要采用自動(dòng)控制或手動(dòng)控制方式，自動(dòng)控制方式即預(yù)先設(shè)定注漿壓力，由控制程序自動(dòng)調(diào)整注漿速度，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自行停止注漿，當(dāng)注漿注至觀察口出漿后，關(guān)閉觀察口，停止注漿。

③注漿通過每個(gè)注漿孔出口設(shè)置的壓力傳感器對(duì)各注漿孔的注漿壓力和注漿量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，為防止注漿使管片受力不均產(chǎn)生偏壓導(dǎo)致管片錯(cuò)位造成錯(cuò)臺(tái)及破損，注漿時(shí)對(duì)稱均勻的注入十分重要。

3.3.3 水泥漿填充

3.3.3.1 漿液配比

采用水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土與水拌合形成的漿液對(duì)兩道封水環(huán)之間的空隙進(jìn)行填充，漿液配比如表1所示。

表1 漿液配比表

水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土不可有結(jié)塊現(xiàn)象，投料順序按水、水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土依次進(jìn)行；攪拌時(shí)間控制在2分鐘左右，攪拌要均勻，杜絕拌好的漿液中有結(jié)塊；膨潤(rùn)土以溶液的形式加入，且其溶液應(yīng)提前拌好（溶液中的水應(yīng)從漿液配比用水中扣除）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)該配合比單液漿液初凝時(shí)間在5.5h。

3.3.3.2 漿液填充控制標(biāo)準(zhǔn)

水泥漿填充控制標(biāo)準(zhǔn)與封水環(huán)漿液注入控制標(biāo)準(zhǔn)一致，以注入量和注漿壓力雙重標(biāo)準(zhǔn)管控，注入量達(dá)到理論值的95%以上或注漿壓力達(dá)到0.4MPa。注漿過程中，在注漿點(diǎn)位前后2-3環(huán)位置開孔泄壓、泄水，同時(shí)便于觀察漿液填充情況。

3.3.4 過程中重點(diǎn)注意事項(xiàng)

①由于注漿采用管片開孔注漿，當(dāng)漿液填充密實(shí)后很容易使管片偏向受力，注漿過程中嚴(yán)格控制注漿壓力及開孔位置，注漿壓力過大會(huì)導(dǎo)致管片浮動(dòng)，彈性密封條擊穿等問題，產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)漏水現(xiàn)象、嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)破損問題；

②嚴(yán)格按照配比制備漿液，當(dāng)漿液出現(xiàn)離析、沉淀、結(jié)塊現(xiàn)象禁止使用；

③密切關(guān)注注漿情況，當(dāng)出現(xiàn)漿液竄倉(cāng)、盾尾漏漿等現(xiàn)象及時(shí)停止注漿、待漿液凝固后，遠(yuǎn)離盾尾位置重新開孔注漿；

④漿液填充必須密實(shí)，在頂部開觀察孔，是否存在空洞、滲漏水情況、若不密實(shí)則繼續(xù)注漿封堵直至完全填充密實(shí)；

⑤對(duì)隧道軸線及管片姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)管片成型質(zhì)量，是否存在因注漿參數(shù)不當(dāng)引起管片浮動(dòng)，及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)；

⑥盾尾注漿管路需定期注入膨潤(rùn)土進(jìn)行疏通維護(hù)，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生變化時(shí)、需要變更該注漿工藝，恢復(fù)盾尾注漿，土倉(cāng)內(nèi)保壓后，將管片后空隙填充密實(shí)后方可恢復(fù)掘進(jìn)，防止對(duì)地面造成影響。

4 工程實(shí)施效果

本工程盾構(gòu)始發(fā)至今，一直在全斷面硬巖地層中掘進(jìn)施工，0-145環(huán)掘進(jìn)時(shí)一是采用傳統(tǒng)同步注漿工藝，二是采用保壓掘進(jìn)，兩種方式在掘進(jìn)至巖隙水較大地層時(shí)均出現(xiàn)噴涌情況，而且長(zhǎng)時(shí)間同步注漿、二次補(bǔ)漿并不能有效解決已形成地下水匯集問題，且隨盾構(gòu)掘進(jìn)，該問題愈加嚴(yán)重，成型隧道出現(xiàn)以下問題：

①管片壁后填充效果較差，所注單液漿初凝時(shí)間在3-8小時(shí)，同步漿液在流動(dòng)地下水作用下，向盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)涌入，在盾尾清理、管片拼裝過程中，該環(huán)所注同步漿液漿液基本流失殆盡，最終導(dǎo)致成型隧道浮動(dòng)嚴(yán)重，出現(xiàn)連續(xù)滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，且管片上浮量最大達(dá)到106mm，接近刀盤開挖直徑與管片外徑的理論空隙值，且受管片上浮影響，致使管片連續(xù)錯(cuò)臺(tái)、破損，成型隧道外觀質(zhì)量差。

②保壓掘進(jìn)時(shí)，受土倉(cāng)壓力反力及盾構(gòu)機(jī)自重影響，盾構(gòu)掘進(jìn)推力增加、速度降低，刀具更換頻繁；另外，在富含地下水段，螺旋輸送機(jī)經(jīng)常性噴涌，人工清理時(shí)間較差，嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)工效。

③二次注漿效果不佳，一是無法準(zhǔn)確找到壁后填充薄弱區(qū)域，二是地下水一直處于流動(dòng)狀態(tài)，二次注漿所用雙液漿單孔注入量不足以很快形成止水帶，便已經(jīng)稀釋流失，需要投入很大量材料才能封堵形成止水帶、成本管控難度較大。

④渣土改良不到位，卡螺機(jī)現(xiàn)象頻發(fā)，巖層切削下石碴在地下水沖刷下流動(dòng)性很差、而渣土改良劑在過大水量下無法發(fā)揮作用，特別是在剛起動(dòng)螺旋機(jī)時(shí)，沉在倉(cāng)底的石碴進(jìn)入螺機(jī)內(nèi)而又無法順利排出，導(dǎo)致螺旋機(jī)抱死；長(zhǎng)時(shí)間的磨損也會(huì)導(dǎo)致螺旋機(jī)壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行更換。

⑤開倉(cāng)換刀難度增大，艙內(nèi)積水使換刀人員操作難度增大、甚至出現(xiàn)艙內(nèi)水壓過高，無法正常開倉(cāng)的情況。

在第145環(huán)開始采用新型同步注漿工藝后，成型隧道質(zhì)量以及成本管控方面均得到較大的改善，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①有效地提高在富含地下水的全斷面硬巖地層中壁后填充質(zhì)量，大幅度降低因地下水原因?qū)е碌墓芷?dòng)，根據(jù)目前管片姿態(tài)測(cè)量結(jié)果顯示，155環(huán)以后管片上浮最大量約為32mm，較前期由明顯改善。解決了管片連續(xù)錯(cuò)臺(tái)、破損問題，成型隧道質(zhì)量顯著提高。②有效的避免了保壓掘進(jìn)形式，避免因保壓掘進(jìn)且地下水匯聚土倉(cāng)導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)噴涌現(xiàn)象，大幅度減少人工清理時(shí)間，顯著提高盾構(gòu)施工效率。③減少二次注漿成本投入，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，每月二次注漿袋裝水泥用量較前期相比，由120t降為36t，降低為原先的30%，且后期堵漏隱性投入以及錯(cuò)臺(tái)破損等修補(bǔ)費(fèi)用大幅度減少。④盾構(gòu)掘進(jìn)異常情況減少、刀具使用壽命相對(duì)延長(zhǎng)，減少刀具使用成本。

5 結(jié)論

針對(duì)盾構(gòu)在富含地下水的全斷面硬巖掘進(jìn)施工時(shí)，利用盾構(gòu)注漿系統(tǒng)快速填充水泥漿-水玻璃雙液漿利用其止水效果制作封水環(huán)，將管片壁后間隙形成分區(qū)，然后采用水泥漿對(duì)分區(qū)內(nèi)空隙填充，提高該地層中管片壁后填充質(zhì)量，本工程采用新型同步注漿技術(shù)，有效解決了壁后填充不密實(shí)的問題、降低了管片上浮量、減少了刀具更換量以及二次注漿的成本，為后續(xù)類似地層施工提供參考。