成都地铁盾构同步注浆及其材料的研究.doc

2006年度优秀科技论文（技术总结） 成都地铁盾构同步注浆及其材料的研究成都地铁盾构同步注浆及其材料的研究 【内容提要】 成都地铁1号线一期工程盾构施工2标为成都地铁试验段，该工程采用加泥式土压平衡盾构机施工，成都地区地层为砂卵石地层，粒经大、水位高，为了有效解决同步注浆的效果，我项目部和同济大学、西南交通大学进行了相关的试验研究，拟采用惰性浆液（以黄泥粉、粉煤灰为主剂）为同步注浆材料，期望其达到不易被水稀释、较好的流动性、较好的早期强度和较低的成本。 【关 键 词】 高富水 土压盾构 同步注浆 惰性浆液 1. 概况 成都地铁1号线一期工程盾构施工2标人天盾构区间，主要穿越砂卵石地层，地层高富水，含水量大，地下水位高。采用了加泥式土压平衡式盾构机进行施工。盾构机配备了盾尾同步注浆系统，可在盾构掘进的同时进行背后注浆。在盾构掘进施工中，当管片刚脱离盾尾时即可对管片外侧的空隙进行填充，从而起到控制地表沉降、提高隧道的抗渗能力、预防盾尾水源流入密封土舱而造成的喷涌和稳定成型隧道的作用。2. 盾构法施工背后注浆技术2.1.同步注浆原理 在盾构机推进过程中，保持一定压力（综合考虑注入量）不间断地从盾尾直接向背后注浆，当盾构机推进结束时，停止注浆。这种方法是在环形空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式。如图2-1所示。 图2-1 同步注浆系统示意图2.2. 注浆材料和配比的选择 2.2.1. 注浆材料应具备的基本性能 根据成都地区的地质条件、工程特点以及现有盾构机的型式，浆液应具备以下性能： 1）具有良好的长期稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求。 2）具有良好的充填性能，不流窜到尾隙以处的其他地域。 3）在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度。 4）浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象。 5）浆液固结后体积收缩小，泌水率小。 6）原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求。 7）浆液无公害，价格便宜。 2.2.2. 注浆材料 为了保证背后注浆的填充效果，施工中结合现场条件和盾构机自身注浆系统的配置，选取了两种液浆组成以便进行对比优选：1）以水泥、粉煤灰为主剂的常规单液浆A 成分：水泥、粉煤灰、细砂、膨润土和水； 2）以黄泥粉、粉煤灰为主剂的惰性浆液B成分：黄泥粉、粉煤灰、细砂、膨润土和水。 浆液组成A以水泥作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料，浆液组成B以粉煤灰作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料。其中浆液组成B中使用的粉煤灰可以改善浆液的和易性（流动性），黄泥粉能增加浆液的粘度，并有一定的固结作用，膨润土用以减缓浆液的材料分离，降低泌水率，还具有一定的防渗作用。砂在两种浆液中都作为填充料。2.2.3. 浆液配比及性能测试 在确定浆液配比时，先根据相关资料，确定了两种浆液的各种材料的基本用量，然后结合浆液站调试，每种配比生产一定方量，并对浆液性能进行相关的性能测试，从而对配比单进行筛选，保留能够生产出合格浆液的配比，以便今后用于施工。 根据测试结果还可得知，与水泥浆液相比，以黄泥粉、粉煤灰为主剂的浆液的凝结时间较长，在1012小时左右。考虑到盾构掘进过程中一些不可避免的停机（如管片拼装、连接电缆、风管安装、机器维护保养、盾构机临时停机、电路故障等），若浆液的初凝时间较短，则增加了停机期间发生堵管的可能性，增加额外的清洗工作，并影响盾构的继续掘进。因此，浆液合理的初凝时间应与盾构掘进施工一个工班的时间接近，这样可以在每班结束时再安排浆液输送管路的清理工作，既不影响盾构连续施工，又保证能及时清理管路，避免堵管现象的发生，选用惰性浆液更为可靠。 惰性浆液在主要成分加量不变的情况下，只需调节添加剂的加量就能有效地控制、调节浆液的性能。在施工过程中，可以比较方便地对浆液的性能进行调整，以适应不同地层、不同掘进进度对浆液性能的要求， 通过分析与试验对比，共进行了8组试验。试验材料配比分别如下：表2-1 试验的材料配比（重量比）水水泥粉煤灰细砂膨润土黄泥粉外加剂A31%8%10%31%5%15%0.015%B37%10%10%28%4%12%0.029%C28%10%12%35%4%10%0.031%D28%6%22%40%4%0%0.018%E21%7%25%43%4%0%0.021%F26%7%0%42%4%21%0.021%G27%8%16%32%3.5%13%0.015%H24%8%16%32%4%16%0.015%2.2.3.1 流动度/塌落度的试验通过试验得到，流动性较好的是B、D、E组材料。B组含水量在所有试验组中最大37%，D、E两组未添加黄泥粉。E、F两组浆液为两组对黄泥粉和粉煤灰的试验对比。E组中未添加黄泥粉，F组中未添加粉煤灰。试验结果表明，不添加粘土的浆液具有较好的流动性。添加了黄泥粉的浆液流动性大大降低。2.2.3.2.稠度对各组的试验表明，即使个别浆液试件流动度不佳，但其稠度仍可达到理想状态9-13cm之间。2.2.3.3 析水性从试验可以看出，除了A、F及H组，析水之外每种浆液在静置之后都出现了严重的析水现象。而凝结时间试验大部分是在试件表面有水的情况下进行的。说明浆液都有析水性，析水率大概在1%6%（体积比）之间。2.2.3.4.抗水性根据试验结果，抗水性较好的为F组，H组试验。当浆液的流动性减小、整体性强时，其抗水性呈增大趋势，但减少用水量，减少其流动性时，又对浆液的可泵型造成影响。因此，通过调节浆液中的膨润土和黄泥粉用量可改善整体性，同时又可增大稠度。2.2.3.5.凝结时间表2-2 各时间凝结时间比较凝结时间测定达到0.3MPa所需的时间(h)凝结时间测定达到0.5MPa所需的时间(h)凝结时间测定达到0.7MPa所需的时间(h)A152444B306268C142434D246996E112434F101928G226269H72129D、E两组的对比可以看出，两组试验除了含水量有5%左右的差别外，其他比例都相当，但通过凝结时间的测定，可以看出，两组有较大的差距。G、H两组的对比可以看出，H组中水含量3个百分点。黄泥含量比减少了3个百分点。其他成分的含量都未改变。凝结时间测定的试验表明：H组浆液材料的凝结时间较G组大大缩短。因此，通过试验可以得出，对于该种可塑浆液的凝结时间，起决定作用的是含水量和浆液中粘土的含量。含水量增大，则凝结时间增大，黄泥粉的含量增大，则凝结时间缩短。而且对该两种的含量特别敏感，水的含量敏感区大概为：20%30；黄泥粉的含量敏感区大概为：15%25%。2.2.3.6试验结论.通过试验研究、对比分析，主要得出如下结论。（1）膨润土的加入使注浆浆液的稳定性得到提高，可泵性增大，根据本次试验结果及其他工程应用膨润土的经验，确定在该地层情况下的同步注浆的膨润土添加量。（2）黄泥粉的加入，使注浆浆液的粘聚能力增大，大大的提高了浆液整体性和抗水性，特别水冲情况下的抗分散能力。并使浆液的强度上的比较快。但是，添加了黄泥粉的浆液，其流动性明显降低。（3）浆液的含水量和粘土含量是决定浆液凝结时间和流动性的主要因素。（4）浆液的含水量和粘土含量是决定浆液流动性的主要因素。（5）富水砂卵石地层的可采用材料配比1）配比一 密度为1.73ton/m3，具体配比如表2-3所示。表2-3 配比一 每立方浆液含量（kg）水水泥粉煤灰细砂膨润土黄泥粉外加剂415.2138.4276.8553.669.2276.80.2595该配比材料的特点：具有较好的抗水性；具有较好的流动性；在水中浇注可防止被水稀释；2）配比二 密度：1.65ton/m3 配比二的具体配比如表2-4所示。表2-4 配比二每立方中，含（kg）：水水泥细砂膨润土黄粘土外加剂462115.562799346.50.35 该浆液有如下特点：相对于建议材料一来说，少了一种材料。这样可以减少工程复杂性，节省场地、施工方便，并且，黄泥粉罐和膨润土罐还可以在渣土改良时同时利用，这样的话一套设备就可以双重利用。可以大大减少工程成本。抗水性能好：能在水中浇注不被水稀释，而且不容易被水冲散；在有水的条件下，强度上仍可以较快，在有水的条件下，初凝时间可以控制在10-20小时之间；稠度可控制在10-12cm之间，该浆液可具有较好的稠度和可泵型。2.3. 注浆工艺参数的确定 2.3.1. 注浆量的计算 背后注浆量Q，通常可按下式估算：Q=V 式中，V理论空隙量，注入率。 人天区间采用的加泥式土压平衡盾构机刀盘直径6.28m，而预制钢筋混凝土管片外径为6.0m，则理论上每掘进一环，盾构掘削土体形成的空间与管片外壁之间的空隙的理论体积为：V=（6.282-62）1.5/4=4.051m3。注入率的主要影响因素包括注入压力决定的压密系数1、土质系数2、施工损耗系数3和超挖系数4。 则=1+2+3+4 +1每环实际注浆量可根据地层和施工损耗等情况选取相应的注入率。 2.3.2. 注浆压力的确定 注浆压力是指注入孔附近的压力，而不是泵的喷射压力。注浆压力应综合覆盖土的厚度、地下水的压力及管片的强度进行设定。但应注意以下问题：（1）不大于盾尾密封压力的警戒值（2）不大于管片能承受的最大压力（3）根据管片脱出盾尾后位移情况进行及时调整（4）根据地表建筑物沉降情况进行及时调整2.3.3. 注浆量和注浆压力的控制 背后注浆的注入量受浆液向土体中的渗透、泄露损失（浆液流到注入区域之外）、小曲率半径施工、超挖、背后注浆所用浆液的种类等多种因素的影响。虽然这些因素的影响程度目前尚在探索，但控制注入量多少的基本原则是不变的，即要保证有足够的浆液能很好的填充管片与地层之间的空隙。 一般每环浆液注入量为67m3，施工中如果发现注入量持续增多时，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时，可以考虑是注入浆液的配比、注入时期、盾构推进速度过快或出现故障所致，必须认真检查采取相应的措施，一般可采取加大注浆压力或在盾构掘进后进行二次注浆。 注入压力要考虑不同地层的多种情况，注入压力一般是24Bar，由于考虑在砂质或砂卵石地层中浆液的扩散，所以注入压力要比在其它地层中的注入压力小一些。 在背后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，我们采取的是以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法。 3. 盾构背后注浆工艺3.1. 注浆设备 在洞外施工场地设搅拌站一座，搅拌能力353/。 运输系统：砂浆罐车(6m3)，带有自搅拌功能和砂浆输送泵，随编组列车一起运输。同步注浆系统：配备SWING KSP12液压注浆泵2台(盾构机上已配置)，注浆能力212m3/h，4个盾尾注入管口及其配套管路。3.2. 同步注浆工艺流程图见图3-13.3. 注浆质量控制 3.3.1. 浆液搅拌 制浆时的注意事项： 1）对于制浆材料要把好质量关，选用供货质量稳定的供货商。拌制浆液时，不能使用固结成块的黄泥粉和膨润土，砂料应是粒径24mm的细砂，含泥量不能超过标准，不得混有杂物和大粒径石子； 2）浆液搅拌要充分，拌和要连续，不能间断； 3）定期检查计量系统，保证按配比生产浆液； nonoyesyes注浆系统准备参数设计设定控制方式注 浆注浆工况分析继续注浆注浆完成注浆效果检查下一循环数据采集与管理采取补强注浆措施调整控制方式和参数清洗设备和管路noyes配制浆液检验试验运输浆液图3-1同步注浆工艺流程图4）根据拌制的第一罐浆液的性能指标，合理调整各骨料和水的加量，保证浆液的性能最终满足要求； 5）按规定对设备进行日常维护保养，使设备经常处于良好的工作状态。冬季施工，要对浆液搅拌站的关键部位做好保温工作。 6）缩短供货周期，尽量缩短原料在施工现场的存放时间，减少材料的板结现象。如用含水量较大的细砂，应相应地调节水的加量。 3.3.2. 浆液运输及注入 浆液运输及注入过程中的注意事项 1）若浆液运输距离较长，直接泵送至盾构机浆液罐内容易发生堵管现象，应采用浆液罐车运输，缩短泵送距离，减少堵管现象的发生； 2）在浆液站向罐车内泵送浆液的过程中，应保证罐车在连续搅拌，防止浆液离析；浆液运送到后配台车后，应及时泵入到储浆罐中，由储浆罐继续进行搅拌； 3）罐车泵送完浆液后，及时进行清洗； 4）检查从注入孔到泵的输浆管接头的好坏； 5）注意观察注入压力、注入量； 6）定期清理注浆管及注浆孔。 4. 注浆效果的检测 注浆效果检查主要采用分析法，即根据P-Q-t曲线，结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断，必要时采用无损探测法进行效果检查，当注浆效