北京地鐵盾構同步注漿及其材料的研究



[摘要]北京地鐵五號線盾構試驗段工程采用了城建集團自行研制的惰性漿液（已申請專利），其注漿效果非常理想，在施工中有效的控制了地表沉降。
[關鍵詞]盾構北京地鐵五號線同步注漿惰性漿液
　

1概況
北京地鐵五號線試驗段工程，采用了土壓平衡式盾構機進行施工。盾構機配備了盾尾同步單液注漿系統，可在盾構掘進的同時進行壁后注漿。在盾構掘進施工中，當管片剛脫離盾尾時即可對管片外側的建筑空隙進行填充，從而起到控制地表沉降和穩定成型隧道的作用。在施工中我們使用的漿液是自行研制的惰性漿液，此漿液通過施工中達到了很好的效果，有效地控制了地表沉降。
　
2盾構法施工壁后注漿技術
2.1同步注漿原理
北京地鐵五號線盾構試驗段工程的施工采取了同步注漿方式。其工作原理是：在盾構機推進過程中，保持一定壓力（綜合考慮注入量）不間斷地從盾尾直接向壁后注漿，當盾構機推進結束時，停止注漿。這種方法是在環形空隙形成的同時用漿液將其填充的注漿方式。如圖2-1所示。



圖2-1同步注漿原理圖

2.2注漿材料和配比的選擇
2.2.1注漿材料應具備的基本性能
根據北京地區的地質條件、工程特點以及現有盾構機的型式，漿液應具備以下性能：
1）具有良好的長期穩定性及流動性，并能保證適當的初凝時間，以適應盾構施工以及遠距離輸送的要求。
2）具有良好的充填性能。
3）在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強度。
4）漿液在地下水環境中，不易產生稀釋現象。
5）漿液固結后體積收縮小，泌水率小。
6）原料來源豐富、經濟，施工管理方便，并能滿足施工自動化技術要求。
7）漿液無公害，價格便宜。
　
2.2.2. 注漿材料
為了保證壁后注漿的填充效果，施工中結合現場條件和盾構機自身注漿系統的配置，選取了兩種單液漿組成以便進行對比優選：
　
1）以水泥、粉煤灰為主劑的常規單液漿a
成分：水泥、粉煤灰、細砂、膨潤土（鈉土）和水；
　
2）以生石灰、粉煤灰為主劑的惰性漿液b
成分：生石灰、粉煤灰、細砂、膨潤土（鈉土）和水。
漿液組成a以水泥作為提供漿液固結強度和調節漿液凝結時間的材料，漿液組成b以粉煤灰作為提供漿液固結強度和調節漿液凝結時間的材料。其中漿液組成b中使用的粉煤灰可以改善漿液的和易性（流動性），生石灰能增加漿液的粘度，并有一定的固結作用，膨潤土用以減緩漿液的材料分離，降低泌水率，還具有一定的防滲作用。砂在兩種漿液中都作為填充料。
　
2.2.3. 漿液配比及性能測試
在確定漿液配比時，先根據相關資料，確定了兩種漿液的各種材料的基本用量，然后結合漿液站調試，每種配比生產一定方量，并對漿液性能進行相關的性能測試，從而對配比單進行篩選，保留能夠生產出合格漿液的配比，以便今后用于施工。按測試配比拌制出的漿液送到試驗室進行了主要性能指標的測試。根據配比單和漿液配合比試驗報告中的測試數據，繪制出漿液流動度、稠度和分層度隨時間變化的對比曲線。
由圖2-2中可知，水泥漿液（配比1、2、3）的流動性略優于惰性漿液（配比4、5、6、7、8）。但兩類漿液隨時間的變化趨勢略有不同，水泥漿液的流動性隨時間推移下降幅度較大，而惰性漿液的流動性保持平穩。



圖2-2流動度—時間曲線圖

同樣由圖2-3、圖2-4可以看出，漿液的稠度和分層度也具有類似的規律。


圖2-3分層度—時間曲線圖


圖2-4稠度—時間曲線圖

根據測試結果還可得知，與水泥漿液相比，以生石灰、粉煤灰為主劑的漿液的凝結時間較長，在10～12小時左右。考慮到盾構掘進過程中一些不可避免的停機（如管片拼裝、連接電纜、風管安裝、機器維護保養、盾構機臨時停機、電路故障等），若漿液的初凝時間較短，則增加了停機期間發生堵管的可能性，增加額外的清洗工作，并影響盾構的繼續掘進。因此，漿液合理的初凝時間應與盾構掘進施工一個工班的時間接近，這樣可以在每班結束時再安排漿液輸送管路的清理工作，既不影響盾構連續施工，又保證能及時清理管路，避免堵管現象的發生，選用惰性漿液更為可靠。
惰性漿液在主要成分加量不變的情況下，只需調節添加劑的加量就能有效地控制、調節漿液的性能。在施工過程中，可以比較方便地對漿液的性能進行調整，以適應不同地層、不同掘進進度對漿液性能的要求，見圖2-5、圖2-6、圖2-7。


圖2-5石灰配比強度—時間曲線圖


圖2-6水泥配比強度—時間曲線圖


圖2-7稠度、流動度—外加劑加量曲線圖

通過上面的分析比較，試驗段施工最終選定采用以生石灰、粉煤灰為主料的惰性單液漿作為盾構施工壁后注漿的材料。
　
2.3注漿工藝參數的確定
2.3.1注漿量的計算
壁后注漿量Q，通常可按下式估算：Q=Vα
式中，V為理論空隙量，α為注入率。
北京地鐵五號線試驗段采用的土壓平衡盾構機刀盤直徑6.20m，而預制鋼筋混凝土管片外徑為6.0m，則理論上每掘進一環，盾構掘削土體形成的空間與管片外壁之間的空隙的理論體積為：V=0.25×π×（6.22-62）×1.2=2.298m3。
注入率α的主要影響因素包括注入壓力決定的壓密系數α1、土質系數α2、施工損耗系數α3和超挖系數α4。
則α=1+α1+α2+α3+α4
每環實際注漿量可根據地層和施工損耗等情況選取相應的注入率。
　
2.3.2注漿壓力的確定
北京地鐵五號線土壓平衡盾構機在盾尾處設有四個漿液注入點，盾尾同步注漿的壓力因漿液注入點位置的不同而不同。盾尾四個注漿點的位置和相互關系如圖2-8所示（圖中尺寸僅為示意）。
經計算得出盾構拱頂水土壓力，管道中的壓力損失在盾構機廠內組裝時已測定，則A1、A4點處注漿壓力理論計算值為
拱頂水土壓力+管道中的壓力損失
最大注入壓力為
（拱頂水土壓力+管道中的壓力損失）×1.25
最小注入壓力為
（拱頂水土壓力+管道中的壓力損失）×0.75
A2和A3點處注漿壓力理論計算值為
拱頂水土壓力+管道中的壓力損失+側壓力系數×γ’×H+γ水×H



　
則最大注入壓力為：
（拱頂水土壓力+管道中的壓力損失+側壓力系數×γ’×H+γ水×H)×1.25
最小注入壓力為：
（拱頂水土壓力+管道中的壓力損失+側壓力系數×γ’×H+γ水×H）×0.75
實際操作過程中，可根據以上理論計算所得結果分別設定A1、A2、A3、A4點的注漿壓力。
　
2.3.3注漿量和注漿壓力的控制
壁后注漿的注入量受漿液向土體中的滲透、泄露損失（漿液流到注入區域之外）、小曲率半徑施工、超挖、壁后注漿所用漿液的種類等多種因素的影響。雖然這些因素的影響程度目前尚在探索，但控制注入量多少的基本原則是不變的，就是要保證有足夠的漿液能很好的填充管片與地層之間的空隙。
一般每環漿液注入量為3～4m3，施工中如果發現注入量持續增多時，必須檢查超挖、漏失等因素。而注入量低于預定注入量時，可以考慮是注入漿液的配比、注入時期、盾構推進速度過快或出現故障所致，必須認真檢查采取相應的措施，一般可采取加大注漿壓力或在盾構掘進后進行補漿。
注入壓力要考慮不同地層的多種情況，注入壓力一般是2～4bar，由于考慮在砂質或砂卵石地層中漿液的擴散，所以注入壓力要比在粘土中的注入壓力小一些。
北京地鐵五號線試驗段的地層條件復雜多變，隧道開挖面土體可分為粘土層、砂性土層、砂卵石層三種。在粘土層盾構施工過程中，漿液實際注入量2.7～3.0m3左右，約為理論計算量的104～117%，與我們預計的基本相符。而在砂、礫石層區段進行的注漿，由于漿液的滲入深度較大，在4～10cm左右，漿液固結體厚度一般在20cm以上，漿液用量相應有所增加，在3.7～4.5m3左右，為理論計算量的161～195%，略超出預計值。
在壁后注漿施工中，為控制注漿效果和質量，應對注入壓力和注入量這兩個參數進行嚴格控制，我們采取的是以設定注入壓力為主，兼顧注入量的方法。
　
3盾構壁后注漿在生產實踐中的應用
3.1注漿設備簡介
3.1.1漿液站簡介
為配合北京地鐵五號線盾構試驗段土壓平衡盾構機掘進施工，我公司從國外引進了漿液攪拌及泵送系統（圖3-1）。該系統由攪拌和泵送兩大部分組成，其中攪拌系統、泵送系統由德國引進，儲料罐等鋼結構件由國內配套加工制作。攪拌系統的連續生產能力可達到10m3/h，泵送系統的最長水平泵送距離可達到1km，可以滿足盾構施工對漿液生產和輸送的要求。




攪拌系統由砂料儲料、計量及上料裝置，3種各自獨立的干粉料的儲料、計量及上料裝置，水和一種液體添加劑的儲料、計量及上料裝置，還有攪拌機和控制室等組成。該系統的最大優點是采用了連續式計量裝置，可以實現連續生產；控制系統采用了可靠性較高的PLC控制系統，可以實現自動、手動兩種功能，并具有自動采集、存儲、打印數據的功能。此外，在兩種采用散裝罐車加料的儲料罐上安裝了除塵裝置，具有較好的環保性能。
泵送系統由動力包、攪拌罐和柱塞泵等組成，該系統采用的是液壓驅動，具有體積小、可靠性高的優點。泵送系統可以單獨控制，也可以在攪拌站控制室進行聯動控制。
3.1.2盾尾注漿系統簡介
盾尾同步注漿系統，包括儲漿罐、注漿泵和控制面板三部分。儲漿罐容積為5m3，可容納盾構掘進1環注漿所需的漿液。漿罐帶有攪拌軸和葉片，注漿過程中可以對漿液不停的攪拌，保證漿液的流動性，減少材料分離現象。配套設置的2臺注漿泵，可以同時對4個加注口實施同步注漿。該套系統具有自動、手動兩種功能，可以根據要求在盾構機控制室內對盾尾注漿的最大和最小壓力進行設定，從而實現對注漿量的控制。由于在系統的相應部位安裝了傳感器和壓力表，在控制面板上可顯示盾尾的注漿壓力、泵的工作壓力及注漿泵的沖程數等參數，以方便對注漿泵的操作、控制。
3.2地鐵五號線盾構試驗段壁后注漿工藝
3.2.1前60m始發階段掘進
由于現場條件的限制，此階段盾構后配套臺車位于地表，漿液由漿液站拌制好后直接通過地表管路泵入到后配套臺車的注漿罐中，再經泵送至盾尾漿液注入點注入地層。盾尾注漿壓力設定為3～3.5bar，采用盾尾上方A1，A4兩點注入。
在此段盾構施工過程中，盾構掘進出土時進行同步注漿，以控制注漿壓力為主兼顧注漿量（圖3-2 ）。由于當時施工條件所限，盾構每掘進一次時只能出土一斗。土斗裝滿后需返回豎井口，將土斗吊出倒空再放回平板車上，開至螺旋輸送機口下繼續掘進下一斗土。在等待土斗的這段時間內，如果注漿壓力在掘進結束時未達到要求，那么應持續注漿，直到注漿壓力達到要求為止。在拼裝管片時，停止注漿，以免拼裝時千斤頂部分松開時注漿會造成管片移位、變形。每天在掘進當天最后一斗土時，將注漿罐中殘余的砂漿放掉，由漿液站重新拌制一定方量的膨潤土液打入注漿罐，在掘進最后一斗土的過程中用注漿泵泵送，這樣從地表臺車到盾尾的膠管內以及盾尾注漿管路內即充滿了膨潤土液，原管路內存留的砂漿被膨潤土液擠入地層。停機后，清洗注漿罐、注漿泵，盾尾則在停機6～7小時后再用高壓清洗設備清洗。通過采用這種方式注漿，避免了停機造成注漿管路和盾尾堵塞，也減少了清洗管路的工作量，保證施工能夠連續進行。在此段施工過程中，一方面由于漿液泵送距離較短，另一方面采取的注漿工藝比較合理，在施工過程中基本未出現堵管現象。

3.2.2掘進60m至150m正常段施工
盾構掘進60m后，盾構后配套臺車全部下入隧道，注漿泵與盾尾之間的注漿膠管縮短，但漿液站至注漿罐的漿液輸送管路隨盾構的推進不斷延長，漿液輸送阻力日漸增大，同時漿液在輸送管路中停留的時間較長，漿液中砂沉積較多，堵管現象逐漸出現，經常出現在管路中的變徑處。此時采取的注漿工藝和前60m相同，只是由于盾構推進進度較快，為保證施工進度，常常等不及拌制膨潤土液，造成管路清洗工作量加大。100m至150m左右，漿液罐車暫時未加工完畢，仍采用管路將漿液從漿液站泵送至隧道內盾構后配套臺車上的注漿罐中的方式。由于管路較長，漿液較稠，泵送阻力很大。同時由于要降低成本，將漿液配制材料中的鈉土改為了鈣土，在不加外加劑的條件下，拌制的漿液流動性不好，漿液易發生固液分離現象，砂沉淀較快，造成管路極易堵塞，稍不及時清理就會造成清洗極度困難，有時甚至停機10多個小時來清洗管路。此時一方面嘗試添加適當的添加劑來改善鈣土的性能，保證拌制出的漿液的流動性和減少漿液的材料分離，利于泵送；另一方面采取特殊的泵送方式來減少堵管。具體方法參見圖3-3。
每環開始推進前，先拌制足夠一環使用的砂漿打入注漿罐。當開始掘進后，隨著砂漿的消耗不斷向注漿罐內補充砂漿，即讓漿液站基本不間斷泵送漿液，保持漿液在管路中處于流動狀態。這樣在一環掘進結束時，注漿罐內仍還有夠一環使用的砂漿。從拼裝本環管片到下一環掘進結束這一段時間，漿液站不需再泵送漿液，可以用清洗球和清水進行清洗管路的工作，及時疏通漿液泵送管路，減少堵管的可能。這種方法取得了較好的使用效果，即使泵送較稠的漿液，堵管的次數也大大減少，保證了施工的連續性。




圖3-3 盾構掘進60m～150m同步注漿示意圖

3.2.3掘進150m以后的施工
盾構掘進150m以后，漿液罐車加工完畢運至現場投入使用，基本解決了堵管問題，施工進度得到保障。此時盾構機逐漸進入砂層，我們對漿液配比進行了一定的調整，以保證注入的砂漿既能充分充填管片與地層之間的空隙，又不至于流失太大。這一段時間內有時會在注漿泵與注漿膠管之間的變徑處出現輕微堵塞。由于此段為24小時不間斷施工，停機時間很少，基本不再采用最后注入膨潤土的方式，只是進行正常的清洗，盾尾在周末停機后再用高壓清洗機清洗，參見圖3-4。


圖3-4盾構掘進150m后同步注漿示意圖

3.3注漿質量控制
3.3.1漿液攪拌
制漿時的注意事項：
1）對于制漿材料要把好質量關，選用供貨質量穩定的供貨商。拌制漿液時，不能投入固結的生石灰和膨潤土，砂料應是粒徑2～4mm的細砂，含泥量不能超過標準，不得混有雜物和大粒徑石子；
2）漿液攪拌要充分，拌和要連續，不能間斷；
3）定期檢查計量系統，保證按配比生產漿液；
4）根據拌制的第一罐漿液的性能指標，合理調整各骨料和水的加量，保證漿液的性能最終滿足要求；
5）按規定對設備進行日常維護保養，使設備經常處于良好的工作狀態。冬季施工，要對漿液攪拌站的關鍵部位做好保溫工作。
6）縮短供貨周期，盡量縮短原料在施工現場的存放時間，減少材料的板結現象。如用含水量較大的細砂，應相應地調節水的加量。
3.3.2漿液運輸及注入
漿液運輸及注入過程中的注意事項
1）若漿液運輸距離較長，直接泵送至盾構機漿液罐內容易發生堵管現象，應采用漿液罐車運輸，縮短泵送距離，減少堵管現象的發生；
2）在漿液站向罐車內泵送漿液的過程中，應保證罐車在連續攪拌，防止漿液離析；漿液運送到后配臺車后，應及時泵入到儲漿罐中，由儲漿罐繼續進行攪拌；
3）罐車泵送完漿液后，及時進行清洗；
4）檢查從注入孔到泵的輸漿管接頭的好壞；
5）注意觀察注入壓力、注入量；
6）定期清理注漿管及注漿孔。
4注漿效果的檢測
壁后注漿的效果好壞，關鍵在于漿液在管片與地層間的間隙是否完全充滿及漿液填充后地層沉降是否得到有效控制。施工中可以有選擇地在部分管片上打檢測孔，對注漿效果進行探查、檢測，見圖5-1。



北京地鐵五號線盾構試驗段工程施工中在盾構機經過北新橋車站時中采用了“先盾構掘進過站、后基坑開挖并拆除既有成型隧道”的盾構過站方式，其施工方式在國內上屬首次。它的應用為后續盾構施工提供了新的思路，同時也為檢驗我們壁后注漿技術措施及材料的的應用效果提供了難得的機會。
在既有隧道的管片拆除施工中，從開挖出的170.8m長的隧道外部進可以看到壁后注漿凝固后形成了一圈質地非常均勻的殼體，殼體的平均厚度達到150mm以上。
在拆除范圍內，拱頂部分通過的地層有粘土層和砂土層，下部為砂土層及卵礫石層。通過觀察可以看出，沿隧道縱向粘土層外部漿液充填較厚，砂土層外部漿液充填稍薄，但差別很小。在同一環面上縱向漿液填充厚度幾乎無差異。從拆除管片時隧道斷面可以看出，隧道上部漿液充填最厚，平均可達250mm，最厚處可達300mm；其下部漿液充填較薄，平均厚度約為100mm，最厚可達140mm。這種現象主要是由于注漿孔布置的位置及盾構施工中的開挖特點所產生的。從砂漿斷面可以看出漿液凝固后呈青灰色，顆粒非常細膩、均勻，同時其
殼體沒有任何接縫或接茬的痕跡。說明其注漿效果是連續、密實的，見圖5-2。




對現場壁后注漿凝固后的砂漿，進行取樣并制成試塊。共分段選確并制作了80個150×150mm的試塊，委托試驗室對其進行抗壓檢驗。通過實驗報告中最大抗壓強度值13.5Mpa，最小抗壓強度值4.3Mpa，平均抗壓強度值可達6.75Mpa，且各試塊抗壓強度差別不大。管片四周漿液充填良好，有的部位漿液厚度可達320mm。建成的隧道基本無滲漏，管片基本無錯臺。根據地表沉降觀測報告，沿線地表沉降都控制在-17.5mm之內。
通過上圖可以看出選用的注漿材料、配比和采用的注漿工藝是合理的，注漿效果良好。
5總結
我們結合北京地鐵盾構試驗段工程的實際情況，通過試驗對比最終研制出了采用生石灰和粉煤灰作為主料的惰性漿液（發明專利申請號：02158588.1）作為盾構隧道壁后注漿的漿液。生產實踐證明，在北京盾構隧道壁后注漿中采用我們研制的漿液是完全可行的。
總體而言，北京地鐵五號線試驗段采用的壁后注漿漿液不僅減少了堵管的發生，提高了工效，降低了成本，具有良好的經濟效益；而且由于壁后注漿工藝和參數控制良好，壁后注漿起到了良好的填充空隙、控制沉降和防水的作用，保證了施工的安全順利進行。其注漿的效果證明了這種惰性漿液的性價比明顯優于其他漿液材料。其凝固效果相當理想，非常適合土壓平衡盾構施工?？梢哉f在北京盾構施工中進行的同步注漿取得了成功，在類似北京地質條件下，其應用是值得大力推廣的。