長沙—株洲—湘潭城際鐵路湘江隧道開濱盾構區間富水基巖地層管片背后注漿技術研究

任成國

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

隨著國家基礎建設的加快和科技的發展，盾構法施工已普及到多個領域，盾構施工技術也日益成熟。針對盾構法隧道管片背后注漿問題，很多專家學者已經做了大量的研究工作。在相關研究中:洪開榮等［1］研究了大直徑泥水盾構復合地層速凝漿液的同步注入技術，通過對盾構原有注漿設備和管路的優化改造，將傳統的同步注入單液水泥砂漿改造為同步注入復合漿液，達到了同步注入速凝漿液的目的，并通過在施工中加強過程控制和采取輔助措施，解決了因同步注漿效果差造成的管片上浮及開裂等技術難題;賀雄飛等［2］就同步注漿漿液的配合比進行了試驗研究，根據研究結果，針對不同的地質條件對漿液性能的不同要求，提出同步注漿漿液配比的優化方向;朱建春等［3］針對北京地鐵盾構同步注漿及其材料進行了研究，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主料為生石灰和粉煤灰的惰性漿液作為盾構隧道壁后注漿的漿液;沈征難［4］研究了盾構掘進過程中隧道管片上浮原因分析及控制，從地質條件、襯背注漿、盾構姿態入手，對盾構掘進過程中管片上浮的原因進行了分析研究，并提出了控制措施;邵海龍等［5］對復合地質條件下盾構施工同步注漿進行了研究，介紹了盾構施工注漿技術的特點，通過調整膠砂比及膠凝體系等得到了復合地層同步注漿漿液。以往的這些研究主要針對普通地鐵隧道盾構法施工注漿材料及大直徑泥水盾構(直徑6.28 m左右)注漿技術，而針對大直徑土壓平衡盾構在富水基巖施工技術應用的研究較少。本文主要針對大直徑土壓平衡盾構富水基巖地層中管片背后的同步注漿問題以及注漿質量在施工期間的重要作用展開分析和研究，尋求保證土壓平衡盾構注漿質量的關鍵技術，并對施工期間注漿施工的技術細節進行認真總結。

1 工程概述

長沙—株洲—湘潭城際鐵路湘江隧道為雙孔單線隧道，全長2 700 m，洞身部位主要為弱風化板巖，部分斷面拱頂部位有少量強風化板巖，節理裂隙較發育，局部含石英脈，巖層較穩定。地表建筑物密集，需穿越管線、道路、高壓電塔、湘江大堤及湘江，過江段長1 100 m，其中有230 m的不整合接觸帶，局部節理裂隙密集帶基巖承壓裂隙水發育，水頭高18～32 m，隧道最大水壓為0.35 MPa。該段采用2臺土壓平衡盾構掘進，盾構開挖直徑9.34 m，管片外徑9 m，內徑8.1 m，環寬1.8 m。盾構設計6路注漿管路，可以同步注入A/B漿液。在施工過程中應嚴格控制同步注漿隧道管片壁后二次注漿效果，以防止地表沉降和管片上浮。

2 同步注漿滲透、填充機制

在大直徑土壓平衡盾構隧道掘進施工中，盾構向前推進并脫離盾尾時，盾構管片外部與圍巖之間將會形成一道寬度為170 mm左右的環形間隙。若不能及時填充空隙，地層的后期變形將非常大，所以必須及時、均勻、定量地向管片壁后的環形空隙注入漿液，充滿建筑間隙，防止管片上浮及地表沉降。

漿液在盾尾間隙的填充是一個動態過程，由于盾尾與地層間隙沿圓周分布實際上是不均勻的，漿液從注漿孔口注入時，其填充的過程十分復雜。當前環注漿時，在盾尾后方5～10環漿液為流體或半流體狀;因此，注漿首先填充本環間隙后，在充足壓力下沿縱、橫向擠壓和擴散。為簡化研究，可把漿液的填充過程分為2個獨立的階段:第1階段為沿橫斷面圓周方向，即注漿孔先把橫斷面填充;第2階段為縱向填充，即橫斷面每點向縱向擠壓填充。

3 大直徑土壓平衡盾構富水基巖注漿存在的問題

1)大直徑盾構管片迎水面與圍巖之間會形成一道寬度為170 mm左右的環形空隙間隙，相對標準地鐵盾構(130 mm左右)間隙更大。同步注漿惰性漿液在初凝前更容易流失。

2)在富水地層，特別是存在承壓水時，在壓力不平衡或波動大及出現漏漿的狀況下，后部地下水很容易把漿液沖散，帶至土艙，造成漿液流失。

3)硬巖地層自穩性好，出于進度及成本考慮，一般采用半敞開模式掘進。土艙上半部為氣壓，盾尾止漿裝置在掘進過程中很容易損壞而失去止漿效果，漿液注入盾尾后，很容易在土艙盾殼后間隙與管片背后形成自流斜坡(斜坡角度受砂漿性能與掘進速度及壓力等參數影響)，從而造成管片背后上部砂漿的流失。拱頂空隙部分砂漿若不及時填充，隨著盾構的推進，砂漿流動斜坡角度將會越來越小，可能還會與土艙內渣位達到同一水平線。

4 方案的優化調整及效果

4.1 注漿材料及設備設計情況

本工程同步注漿設計采用單液水泥砂漿或加入速凝材料的水泥砂漿，通過同步注漿系統對管片背后的超挖空隙進行充填，以保證隧道的施工質量及防止地面下沉。盾構設備上安裝了13 m3砂漿存儲罐和6臺單液注漿泵，在盾尾內壁周圍和盾尾殼體內分6個點位均勻布設了砂漿注漿管路(φ65 mm)及6個點位的速凝材料注入管路(φ10 mm)。

結合本工程實際，掘進每環、管片背后理論上的空隙(刀盤開挖直徑與管片外徑間的超挖空間)為8.8 m3，按1.5倍的充填系數，每環的實際注漿量都在13 m3以上。設計要求水泥砂漿的主要性能指標見表1(后期設計又增加了抗分散要求)。

表1 設計要求水泥砂漿主要性能指標Table 1 Main parameters of cement grout required in the design

4.2 施工過程出現的問題

在前期施工中，一直采用傳統注漿方式，注入普通水泥砂漿，盾構在管片拼裝等必須停機且再次掘進后，會出現噴涌現象。管片上浮量最大3 cm，局部有滲漏水現象。出現此種情況后，在管片注漿孔開孔對管片背后進行注漿效果檢查，經檢查發現管片背后水流較大、且有部分孔水流承壓，初步分析為地下水沖散漿液后漿液流失。

4.3 施工過程調整及效果分析

4.3.1 已施工段補救措施

在發現問題后，對前期出現問題的管片隧道區域進行了二次補強注漿。注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰質量比為1∶1，水泥漿與水玻璃質量比為1∶1，漿液凝結時間為42 s。

經二次注漿后開孔檢查，拱頂同步注漿效果不佳的僅為18環(32 m)，二次注漿每環補充注漿量為2.1 m3。由于此段距離短，在不影響掘進施工的前提下，利用拖車平臺(長101 m)完成了補充注漿施工。

4.3.2 同步注入雙漿液

掘進過程中，在同步注入砂漿的同時，啟用了盾構自帶的速凝劑注入系統，實現同步注入雙液漿。采用水泥－水玻璃漿液，水玻璃濃度為36 Be'，質量配比為水玻璃∶水泥砂漿=0.5∶1，即每環注入水玻璃7 m3左右，工序停機時進行管路清洗。

在實際施工過程中，由于盾構自帶的速凝劑注入系統的水玻璃管路僅有φ10 mm，極易發生堵塞，且疏通困難，嚴重影響了施工;盾構同步注入雙漿液對漿液的凝結時間有一定的縮短，但由于工況的影響無法實現充分混合，不能達到預定的凝膠時間。

4.3.3 同步注漿調整

對水泥砂漿配比進行了調整，調高同步注漿水泥砂漿的稠度，以盡量縮短砂漿凝結時間;加大注漿量，把原先的1.5倍的填充量增加到1.8倍以上，每環的注漿量都達到了16 m3，以補充管片背后砂漿的流失。具體調整后的漿液配比和性能指標見表2和表3。

表2 調整后砂漿配合比Table 2 Optimized mixing proportion of grout kg

對砂漿配比調整后，在掘進速度慢或全土壓模式掘進的情況下，經開孔檢查，頂部基本密實，拱頂局部進行少量補充注漿即可使管片背后填充密實。補充注漿量約為每環0.06 m3，即可達到管片背后填充密實的要求。

表3 調整后砂漿性能指標Table 3 Parameters of optimized grout

4.3.4 及時二次注漿

對脫出盾尾的管片開孔檢查，及時進行二次補強注漿。開孔注漿順序為從上至下，左右對稱施工。注漿材料與“4.3.1”相同。

管片二次補強注雙液漿后，出渣噴涌、管片上浮及滲漏水得到了很好地控制;但對于盾構隧道來說，二次補強注漿施工的效率低，嚴重影響工程的整體進展，掘進速度快時，每環注漿量平均達到2.1 m3。二次補強注漿所使用的水泥－水玻璃雙液漿成本高于水泥砂漿。因此，為加快工程的整體進展，降低施工成本，并保證注漿質量，同步注漿是關鍵。

4.3.5 砂漿的二次注入

由于同步注漿時砂漿向下流動，開孔檢查隧道底部注漿效果較好。在施工中，利用下部注漿管路對脫出盾尾5～7環管片開孔注入砂漿，隨著盾構向前掘進，每隔2環(3.6 m)進行一次注入。可實現與盾構的同步注入。開孔注漿順序為從上至下，左右對稱施工。注漿材料與“4.3.2”相同。

砂漿的二次注入，可及時填充拱頂空洞，經過開孔檢查效果驗證可基本滿足管片背后填充要求。在地下水豐富地段每隔2環管片需進行少量二次補充注雙液漿。此時注入雙液漿，可有效地對砂漿自流斜坡進行滯后填充，提升了工作效率，降低了施工成本。

4.3.6 封閉環的施工

在巖層裂隙發育、富水地段，為減少同步注入砂漿的流失，施工中若出現大范圍滲漏水或地表沉降大時，可在距離盾尾8環附近進行全環封閉注漿，以封堵巖層裂隙水向土艙方向流動，影響砂漿注入效果，減少出渣噴涌和管片上浮現象。

4.4 注漿方案最終優化

通過施工階段的調整及分析，在后期施工中，根據掘進狀態及地層情況對注漿方式進行了調整。

4.4.1 全土壓掘進狀態

采用同步注漿+二次注漿。在掘進時，對管片開孔檢查，檢查頻率為每隔5環進行一次，若發現注漿效果差，進行加密檢查及二次注漿。實際施工中，全土壓掘進模式下，同步注漿完全可滿足要求，二次注漿量平均每環為 0.06 m3。

4.4.2 半敞開模式掘進

采用同步注漿+補充注入砂漿+二次補強注入水泥－水玻璃速凝漿液，通過開孔檢查，在大范圍注漿效果差的地段及時進行封閉環施工。采用此種方案每環砂漿注入量約14 m3，補充注入砂漿量每環約1 m3，水泥－水玻璃漿的注入量為0.1 m3。

4.4.3 注漿效果

1)采用以上注漿方案后，管片上浮、滲漏水及出渣噴涌問題得到了解決。

2)采用地質雷達掃描檢測，通過數據分析得出，管片背后填充密實，無空洞，注漿效果比較理想，滿足了驗收要求。

5 結論與建議

管片背后注漿效果影響因素較多，如何使進度、成本、質量達到最優化，還需要繼續研究總結。針對大直徑土壓平衡盾構注漿施工，有以下體會和建議。

1)在基巖穩定性差的地層采用全土壓平衡模式掘進，不僅能較好地控制地表沉降，提高施工的安全性，而且能有效地降低注漿材料的損耗。

2)在富水基巖穩定性好的地層，采用半敞開式掘進可大大提高施工效率，而采用同步注漿、補充注漿和二次補充雙液注漿及施作封閉環的施工方法，可以有效控制出渣噴涌，保證連續掘進，從而保證施工進度;采用此種注漿模式能有效減少隧道上浮量和管片滲漏水，較好地控制了成型隧道的質量;同時能提高施工效率，減少漿液損耗，有效降低施工成本。

3)盾構在同步注入砂漿的同時，啟用盾構自帶的速凝劑注入系統，可以達到同步注入雙液漿的效果，但注入系統的可操作性需進行進一步改進、優化。

［1］ 洪開榮，杜闖東，任成國.大直徑泥水盾構復合地層速凝漿液的同步注入技術［J］.北京交通大學學報，2011(3):33 －38.(HONG Kairong，DU Chuangdong，REN Chengguo.Technology for simultaneous injection of rapid-setting grout in complex strata:Case study on large-diameter slurry shield［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2011(3):33－38.(in Chinese))

［2］ 賀雄飛，王光輝.單液活性同步注漿漿液的配合比試驗［J］.隧道建設，2010，30(1):9 － 14，23.(HE Xiongfei，WANG Guanghui.Study on mixing proportion of singlecomponent active grout for simultaneous grouting［J］.Tunnel Construction，2010，30(1):9 － 14，23.(in Chinese))

［3］ 朱建春，李樂，杜文庫.北京地鐵盾構同步注漿及其材料研究［J］.建筑機械化，2004(11):26 －29.(ZHU Jianchun，LI Le，DU Wenkun.Research on shield machine construction with pouring mortar simultaneously and mortar materials in Beijing subway［J］.Construction Mechanization，2004(11):26 －29.(in Chinese))

［4］ 沈征難.盾構掘進過程中隧道管片上浮原因分析及控制［J］.現代隧道技術，2004(6):51 －56.(SHEN Zhengnan.Analysis and control of the upward moving of tunnel segments in the process of shield excavation［J］.Modern Tunnelling Technology，2004(6):51－56.(in Chinese))

［5］ 邵海龍，何新，商洪峰.復合地質條件下盾構施工同步注漿研究與應用［J］.山西建筑，2015(1):35－38.(SHAO Hailong，HE Xin，SHANGHongfeng.Study on and application of simultaneous grouting of shield in complex geological conditions［J］.Shanxi Architecture，2015(1):35 － 38.(in Chinese))