富水地层盾构施工同步注浆技术剖析

1　工程概况

以色列特拉维夫红线轻轨东标段工程位于特拉维夫市中心，盾构隧道双线总长度为6200m，隧道最小曲线半径为220m，最大坡度为6%。管片内径为6500mm，外径为7200mm，管片厚度为350mm，管片混凝土强度等级为B60。区间地质主要为富水黏土、富水砂层。工程周边环境复杂，高楼林立，地下管线众多。业主招标文件要求：地表沉降≤10mm；同步注浆浆液到下一环掘进时达到50kPa，28d后强度＞2MPa。

2　盾构同步注浆

盾构同步注浆就是在隧道内将具有适当的早期强度的材料。通过注浆泵及盾尾的注浆管，按规定的注浆压力和注浆量在盾构推进的同时填入盾尾空隙内，从而有效控制地面沉降，确保管片的早期稳定，并形成衬砌防水的第一道防线。在地层稳定性差，土压平衡盾构施工模式下，同步注浆的重要意义更为明显。盾构同步注浆的目的如下：

（1）使管片与周围岩体的环形空隙尽早建立注浆体的支撑体系，防止洞室岩壁坍陷与地下水流失造成损失，控制地面沉降。

（2）尽快获得注浆体的固结强度，确保管片衬砌的早期稳定性。防止长距离管片衬砌背后处于无支承力的浆液环境内，使管片发生位移变形。

（3）作为隧道衬砌结构加强层，具有耐久性和一定强度。充填密实的注浆体将地下水与管片相隔离，避免或大大减少地下水直接与管片接触，从而作为管片的保护层避免或减缓了地下水对管片的侵蚀，提高管片衬砌的耐久性。

3　浆液性能要求

盾构法同步注浆工艺要求浆液具有较高的工作性能：充填性好，不会漏失到掘削面及闻岩土体中去；流动性好、离析少；不易被地下水稀释；材料分离少，便于长距离运输；早期强度与原状土相当；硬化后体积收缩率和渗透系数小；无公害，价格便宜。如果浆液稳定性差，则容易造成注浆管堵管，影响注浆效果和施工进度。因此，盾构法要求注浆材料具有良好的工作性能。

对于渗透系数较大的富水地层，同步注浆要求浆材具有能快速填充、保水性强、不离析、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，同步注浆浆液材料要求能迅速阻水、快速填充，故要求浆液胶凝时间短、保水性强、不离析。

盾构同步注浆浆液分为单液浆及双液浆：单液浆由砂浆组成；双液浆由水泥浆和水玻璃组成。一般来说，单液浆成本低于双液浆。目前，双液浆的注浆材料因具有凝结迅速、材料无公害、注浆性能优良等特点，已经成为盾构工法中盾尾同步注浆材料的主流，但施工难度大、施工技术要求高，在施工中易出现浆液混合不均、堵管等事故。本项目设计方为德国某设计公司，设计要求使用单液浆，因为德国某项目盾构隧道使用双液浆造成后期隧道变形的案例，经过分析发现造成该隧道变形原因是双液浆中水玻璃被地下水中的硫酸盐侵蚀，严重影响隧道后期质量。

基于本项目工程位于地中海附近，经过分析地下水的成分中硫酸盐含量非常高，设计及业主要求采用单液浆作为同步注浆浆液。

4　试验材料及方法

4.1　浆液技术指标

（1）固结体强度。2h≥0.05MPa（50kPa），28d≥2MPa。

（2）胶凝时间。一般为3～10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂（速凝剂、石灰）及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，通过现场试验调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。

（3）浆液结石率。＞95%，即固结收缩率＜5%。

（4）浆液稠度或水平塌落度。8～12cm或50～60cm。

（5）浆液稳定性。倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）＜5%。

4.2　砂浆材料

根据国内相关施工经验，选用国内常用的砂浆材料：水泥（P.O42.5）、粉煤灰（Ⅱ级）、膨润土（纳基）、细砂（级配0～2mm）。

选用欧洲常用砂浆材料：水泥（P.O42.5）、膨润土（纳基）、细砂（级配0～2mm）、细砂（级配0～5mm）、减水剂、缓凝剂。

4.3　砂浆试验配合比

分别选用国内和国外常用的2组配合比做试验，见表1。

表1　1m³砂浆试验配合比

5　试验结果

在试验室根据提前计划的配合比进行同条件试验。对于砂浆流动性，配合比1和配合比2测稠度，而配合比3和配合比4测其水平塌落度。试验结果见表2。

表2　试验结果

根据试验结果，配合比3和配合比4均满足本工程要求。本工程使用配合比4作为砂浆浆液配合比。

6　工程实践

6.1　应用效果分析

盾构施工过程中引起地表变形（沉降或隆起）分5个阶段，如图1所示。其中，第4阶段盾尾空隙下沉或隆起是引起地表变形的重要因素，同步注浆施工控制是该阶段的主要控制因素。设计文件要求地表沉降≤10mm，要求设计的浆液能迅速凝固，减少流失，并产生早期强度，防止地表变形。

图1　盾构施工地表变形

本工程使用的砂浆浆液类似细石混凝土，浆液性能满足工程要求，盾构通过后，地表沉降控制满足要求。

管片变形监测。每隔50环，在管片脱出盾尾前，图2所示1、2、3位置安装小棱镜使用盾构机自带测量导向系统（VMT）测量水平方向（X）及竖直方向（Z）的位置，管片脱出盾尾后24h内每隔1h监测一次，自动生成监测记录，经过对比数据，X值和Z值最大变化值为2mm。这说明，管片脱出盾尾后没有形成大的变形，同步注浆浆液能迅速稳定住管片，使管片在各个方向上没有移动，有效地保证了隧道轴线。一般在富水地层中，管片都会有些许上浮，采用较稠和初凝时间较短的砂浆。而在本工程中，实践证明这种砂浆能有效抑制管片变形。

图2　管片小棱镜安装位置示意图

在大坡度小曲线半径隧道范围内，加密管片监测点，每隔20环监测一次，X值和Z值最大变化值依然在2mm以内。在小曲线半径隧道盾构施工时，盾构掘进轴线和管片拼装质量控制良好的情况下，管片脱出盾尾后会因为管片变形而形成错台或漏水。

本工程同步注浆控制得当，成型隧道轴线控制良好，管片错台没有超过允许值，隧道内没有漏水。

6.2　施工措施

需注意，砂浆浆液成细石混凝土状，初凝时间短，极易堵管，在盾构设备出现故障或掘进完成停机时，需要及时清洗注浆泵及管路，盾尾注浆管路内及时注入膨润土。堵管问题可通过良好的施工组织管理解决。

需考虑注浆设备性能，本工程盾构机盾尾设有4路注浆管路。砂浆在地面搅拌桩进行搅拌，使用胶轮车运输砂浆进入隧道内，通过盾构机抽浆泵（SWING，KSP45）抽入盾构机砂浆罐内，使用盾构机砂浆罐下方2台注浆泵（SWING，KSP20）注入。

7　结语

通过本工程应用实践，盾构隧道质量良好，满足施工要求。

（1）满足盾构下一环掘进时砂浆强度达到50kPa，28d后强度＞2MPa。

（2）地表沉降控制良好，沉降值≤10mm。

（3）富水地层盾构施工过程中，管片变形得到有效控制，管片没有上浮等现场。

（4）大坡度小曲线半径成型隧道施工质量良好，隧道轴线满足要求，管片错台满足要求，隧道无渗漏水。

这种同步注浆浆液为项目解决了施工难点，在富水地层盾构施工中能有效控制隧道质量，控制地表沉降，在以后类似工程中值得借鉴。

参考文献

[1]邹翀．盾构隧道同步注浆技术[J]．现代隧道技术，2003，（1）.

[2]周东，李明文．盾构隧道施工中同步注浆新材料的实验研究[J]．地下工程与隧道，2002，（1）.

收稿日期：2018-05-28

作者简介：和有鹃（1986-），女，云南丽江人，中铁十二局集团第二工程有限公司工程师，研究方向：盾构施工。