（道路与铁道工程专业论文）富水地层盾构施工同步注浆材料性能及配合比设计研究.pdf

摘要 同步注浆是在盾构掘进施工时，当盾构推进，盾尾脱离管片后，管片背面出现超挖 的空隙，为避免造成地层变形，对邻近构造物造成破环性影响，而在盾尾脱离后，在管 片背面填充固结性浆液的一种施工方式。同步注浆不仅对抑制地层沉降有效，而且对防 止管片接头渗水更有效；同步注浆可使管片和土体形成稳定的整体，故可防止管片的漏 气，及管片向圆周外侧的移动、变形、变压。为达到同步注浆的预期目的，首先应选择 与地质及盾构类型相适应的注浆材料。 对于渗透系数大的富水地层，同步注浆要求浆材具有能快速充填，保水性强，不离 析，倾析率小，注入后不易被地下水稀释掉等性能，而且须保证后期达到应该有的强度。 因此在富水地层盾构施工中，同步注浆材料须有适宜的凝结时间，较小的析水率，较强的 抗水分散性等。 本文针对于富水地层同步注浆材料的特殊要求，参考我国相应盾构隧道施工同步注 浆施工资料，采用水泥、粉煤灰、膨润土、天然河砂为原料配置单液类水泥砂浆同步注 浆材料。采用不同配合比，通过大量试验，分析了同步注浆各原材料对同步注浆浆体性 能的影响，以及各原材料的掺量与浆体性能之间的相互关系。通过对同步注浆浆液的稠 度、凝结时间、强度、抗水冲分散性等各项性能进行检测，确定出适合富水地层同步注 浆施工的材料配合比，为富水地层同步注浆材料的配合比设计及应用提出参考意见。 关键词：同步注浆；盾构，富水地层，材料配合比设计，材料掺量，浆体性能 a b s t r a c t s y n c h r o n o u sg r o u t i n gi sac o n s t r u c t i o nm e t h o dw h i c hi sa v o i dg r o u n dd e f o r m a t i o na n d f o r m a t i o no ft h en e i g h b o r i n gs t r u c t u r e so ft h ei m p a c to fc a u s i n gd e s t r u c t i o nc a u s e db y s h i e l dc o n s t r u c t i o nt h a ti sw h e nt h es h i e l df r o mt h ea d v a n c i n gs h i e l dt a i l s e g m e n t ，t h e e m e r g e n c eo fu l t r a - s e g m e n td u gt h eb a c ko ft h eg a p ，a n dw h e nt h et a i lo f ft h et h es e g m e n t t h e ni nt h es e g m e n tb a c kf i l l e dw i t has e r o u sc o n s o l i d a t i o n g r o u t i n gs y n c h r o n i z a t i o ni sn o t o n l ye f f e c t i v ei ni n h i b i t i n gf o r m a t i o no fs e t t l e m e n t ，b u ta l s ot op r e v e n tt h es e g m e n tj o i n t w a t e r s e e p a g em o r ee f f e c t i v e l y ；g r o u t i n gs y n c h r o n i z a t i o nc a nk e e ps e g m e n ta n ds o i lf o r m i n g as t a b l eo v e r a l l ，w i t hw h i c ht o p r e v e n tg a se s c a p ef r o mt h ef i a ts e g m e n ta n dt h ec i r c u l a r s e g m e n tt ol a t e r a lm o v e m e n t ，d e f o r m a t i o n ，p r e s s u r es w i n g i no r d e rt oa c h i e v et h ed e s i r e d o b j e c t i v e so ft h eg r o u t i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，f i r s ts e l e c tt h et y p eo fg e o l o g ya n da d a p t e dt o s h i e l dt h eg r o u t i n gm a t e r i a l f o ral a r g ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta n dw a t e r - r i c hs t r a t a ，s y n c h r o n o u sg r o u t i n gn e e dt h e r e q u i r e m e n t so ft h eg r o u t i n gm a t e r i a lc a nb eq u i c k l yf i l l e d ，w a t e r - h o l d i n gc a p a c i t y , a n dd 0n o t d i s i n t e g r a t e ，t h er a t eo fs m a l ld e c a n t e r sa f t e ri n j e c t i o nc a l ln o te a s i l yb ed i l u t e do u tb y g r o u n d w a t e ra n d s u c hk i n do f p e r f o r m a n c e ，a n dt oe n s u r et h a tt i m el a t e rc a nm e e tt h es t r e n g t h s of o rw a t e r - r i c hs t r a t as h i e l d t u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n ，t h eg r o u t i n g m a t e r i a l so f s y n c h r o n i z a t i o ng r o u t i n g m u s th a v e b ec h a r a c t e r i s t i cw i t h a p p r o p r i a t es e t t i n gt i m e ， c h r o m a t o g r a p h yw a t e rr a t ea n ds t r o n ga n t i w a t e rd i s p e r s i o na n ds oo n i nt h i sp a p e r , d i r e c t e da g a i n s tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fs y n c h r o n o u sg r o u t i n gm a t e r i a l i nw a t e r - r i c hs t r a t a ，r e f e r e n c et oc h i n a sc o n s t r u c t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gs h i e l dt u n n e l c o n s t r u c t i o ng r o u t i n gd a t as y n c h r o n i z a t i o n ，t a k e c e m e n t ，f l ya s h ，b e n t o n i t e ，n a t u r a lr i v e r s a n da sr a wm a t e r i a lt h ep r o d u c t i o no fc e m e n tm o r t a rg r o u t i n gm a t e r i a la ss y n c h r o n i z a t i o n g r o u t i n gm a t e r i a l b yal a r g en u m b e ro fd i f f e r e n tt e s t so nt h ea m o u n to fr a wm a t e r i a l s ，t h e s y n c h r o n i z a t i o no fg r o u t i n gs l u r r yc o n s i s t e n c y , s e t t i n gt i m e ，s t r e n g t h ，a n t i - w a t e rd i s p e r s i o no f t h e p e r f o r m a n c e o fs u c h d e t e c t i o n ；t o d e t e r m i n et h e a p p r o p r i a t e w a t e r - r i c hs t r a t a s y n c h r o n i z a t i o ng r o u t i n gm i xc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s i nt h i sp a p e r , t h r o u g hal a r g en u m b e ro f t e s td a t at om a k eas c i e n t i f i ca n a l y s i st h a tt h er a wm a t e r i a l so fs y n c h r o n o u sg r o u t i n gs l u r r y p r o p e r t i e s ，a sw e l la st h ev o l u m eo fr a wm a t e r i a l sa n dp a s t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p e r f o r m a n c e t h e np r o p o s e dr e f e r e n c ef o rt h ew a t e r - r i c hs t r a t ag r o u t i n gm a t e r i a l sa n dm i x d e s i g n k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sg r o u t i n g ，t u n n e ls h i e l d ，w a t e r - r i c hs t r a t a ，m a t e r i a lm i xd e s i g n ， m a t e r i a lc o n t e n t ，s l u r r yp e r f o r m a n c e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名珠c f 、幕 o7 年6 月 f 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：霉 导师签名：3 谴昆 g 穸年( 月日 7 年乡月岁日 长安大学硕士论文 1 1 研究目的意义 第一章绪论 随着经济技术的发展，很多城市的规模扩展很快，城市空地面积的减少，在城市建 设中需要大量开挖地下空间，如地下隧道，下水管道，供电通信地下通道等，随着地下 空间的进一步开发利用，出现了越来越多的超深基坑、长距离、大断面盾构或顶管隧道， 这对工程建设提出了新的挑战。在现有的多种辅助施工技术中，注浆技术在地下结构防 渗、基坑加固、防止地面沉降、已建构筑物地基处理、顶管减摩顶进等方面起着重要的 作用。而且，施工工艺的革新、新设备、新材料的出现，也为注浆技术的发展提供了条 件。 同步注浆技术是在盾构掘进施工时，当盾构推进到盾尾脱离管片后，管片背面出现 超挖的空隙，为避免造成地层变形，对邻近构造物造成破环性影响，而在盾尾脱离后， 在管片背面填充固结性浆液的一种施工方式。同步注浆不仅对抑制地层沉降有效，而且 对防止管片接头渗水和稳定管片也非常有效。同步注浆可使管片和土体形成稳定的整 体，故可防止压气工法从管片的漏气现象，小曲率半径施工时，背后注浆可防止管片向 圆周外侧的移动、变形、变压。这些都说明背后注浆在盾构工法中的重要性。 同步注浆是常见的一种背后注浆方式，是通过同步注浆系统，及盾尾的注浆管，在 盾构向前推进至盾尾空隙形成的同时进行。浆液在盾尾的空隙形成的瞬间，及时起到充 填作用，从而使周围岩体获得及时的支撑，可有效地防止岩体的坍陷，控制地表的沉降。 在地层稳定性差，采用e p b ( 土压平衡法) 模式掘进时，同步注浆的重要意义更为明显【。 为达到同步注浆的预期目的，首先应选择与地质及盾构类型相适应的注浆材料。浆 液性质也应根据施工现场与地质的具体情况确定，比如浆液强度要适应地质情况，浆液 的析水率、固结率等要符合设计要求，流动性要适应注浆设备及管路情况，稠度要适应 施工季节、施工现场的温度等情况，凝结时间既要满足输送和浆液在衬砌背后流动充填 的时间要求又不可过长。浆液还要能防离析，这一点在地下水丰富的地层尤为重要。 而且，现在随着盾构施工技术的逐渐成熟，盾构工程条件变的越来越恶劣，大断面、 高渗透性地层施工等等，并且越来越多的盾构施工出现地表沉降超限、坍塌等质量事故， 其中很大程度是对盾构施工的同步注浆技术不了解，注浆材料选择不正确而造成的。 对于渗透系数大的富水地层，盾构施工时采用传统的同步注浆材料注入后会被地下 第一章绪论 水稀释掉，达不到预期的同步注浆的效果。因此，需要对这对种富水地层的同步注浆的 材料、各种材料的性能进行研究，从而得到一种比较合理的施工配合比，并在实际的盾 构施工项目中进行应用，通过现场实践来调整配合比，从而得到一种性能比价稳定能够 满足现场富水地层施工的配比。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内外盾构施工技术发展现状 盾构法是在软土地基中修建隧道的一种先进的施工方法，用此法修建隧道在欧洲、 美国己有1 6 0 年的历史。盾构机最早是由法国工程师m i b r u n e l 于1 8 2 5 年从观察蛀虫 在木头中钻洞，并从体内排出粘液加固洞穴的现象，从仿生学角度研制发明的。并于1 8 4 3 年由改进的盾构在英国伦敦泰晤士河下修建了世界上第一条矩形盾构( 宽1 1 4 m ，高 6 8 m ) 隧道，全长4 5 8 m 。其后，p w b a h o w 于1 8 6 5 年用直径2 2 m 圆形盾构又在泰晤士 河下修建一条圆形截面隧道。1 8 7 4 年，j h g r e a t h e a d 第一次采用气压盾构，并第一次开 始在衬砌背后进行压浆，修建了伦敦城南线地铁。1 8 8 0 1 8 9 0 年间，用盾构法在美国和 加拿大的圣克莱( s t c l a i r ) 河下建成一条直径6 4 m ，长1 8 7 0 m 的s a r n i a 水底隧道。仅在 纽约，从1 9 0 0 年后，使用气压盾构法先后成功地修建了2 5 条重要的水底隧道。 盾构隧道用于修建地下铁道，污水管道时，得到了广泛的应用。前苏联自1 9 3 2 年 开始用直径6 0 m 及直径9 5 m 的盾构前后在莫斯科、列宁格勒等地修建地下铁道的区间 隧道及车站。在德国m u n c h e n 和法国的p a r i s 的地下铁道修建中，均使用了盾构掘进法。 日本于1 9 2 2 年开始用盾构法修建国铁羽线折渡隧道。从六十年代起，盾构法在日本得 到了飞速发展，土压平衡盾构就是七十年代发明的。 我国第一个五年计划期间，在东北阜新煤矿，用直径2 6 m 的盾构进行了疏水巷道 的施工。1 9 5 7 年起在北京市区的下水道工程中采用过直径2 0 m 及直径2 6 m 的盾构。 上海从1 9 6 0 年起开始了用盾构法修建黄浦江水底隧道及地下铁道的试验研究，从1 9 6 3 年开始在第四纪软弱饱和地层中先后用直径4 2 m 、5 6 m 、1 0 0 m ，、3 6 m 、3 0 m 、4 0 m 、 6 2m 等十一台盾构机进行了试验隧道，地铁区间隧道扩大试验工程、地下人防通道、 引水及排水隧道工程等的施工。近年来又用国际上先进的土压平衡盾构修建了地铁一、 二号线，标志着中国的盾构隧道施工水平跨入了世界先进水平。 盾构法施工经过一百余年的发展日趋成熟，能适用于各种水文地质条件下的施工 ( 松软的、坚硬的、含水与不含地下水层) ，目前对盾构施工的研究研究分成二类，第一 2 长安大学硕士论文 类是着眼于盾构机的改性研究，如：采用同步注浆法代替管片压浆法，采用土压或泥水 压力来平衡开挖面的稳定性、盾构切割面形状的研究等等。第二类是研究盾构隧道推进 过程中对周围地层的扰动，包括：盾构对前方土体挤压效应，地应力及地层孔隙水压力 变化、地表变形及对周围建筑物、管线群的影响，盾构周围土体破坏方式，盾尾特性及 压浆、超挖、推进速度、舱压等施工参数与地表变化的关系等等 著名教授r b p e c k 在1 9 6 9 年墨西哥召开的国际土力学和基础工程会议上，提出了 隧道设计三大准则： 隧道设计应保证安全，保证开挖面的稳定；不