富水泥巖地層盾構同步注漿配比優化與試驗研究

牟 萬 新

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司,山東 濟南 250000)

1 概述

隨著我國地下空間工程的快速發展，盾構法作為一種快速、安全的施工方法廣泛應用于城市地鐵隧道建設中[1]。一般盾構隧道施工引起的地表沉降主要表現為先期下沉、挖掘面下沉、通過時下沉、盾尾空隙處下沉和后續下沉[2,3]，其中盾尾空隙下沉占總過程沉降量最大，為了能夠及時填充盾尾空隙，在盾構向前掘進的同時，需要保持一定的壓力不間斷地從盾尾向壁后施作同步注漿。同步注漿的作用過程分為液相流動、固相凝結、結石體填充三個過程。為滿足上述過程，漿液需要滿足以下和易性、穩定性、耐久性等要求。

目前國內外學者針對同步注漿開展了大量研究。Youn等[4]通過室內試驗測試了不同成分的漿液的排水固結過程，模擬盾尾間隙為20 cm時的漿液的單向固結。劉健等[5]通過水泥漿黏度時變性試驗，得到不同水灰比的水泥漿液(賓漢姆流體)黏度隨注漿時間變化的曲線。賀雄飛[6]系統地研究各同步注漿材料對單液活性漿液性能的影響規律。吳全立[7]根據室內試驗結果設計了同步注漿材料與合理的漿液配合比，取得了良好的經濟效益。

長春地鐵2號線西沿線盾構工程主要下穿風化泥巖地層，區間地下水豐富，盾構始發后下穿高壓線塔、石油管線等多個風險源。施工過程中，同步注漿漿液在貯存和長距離輸送時出現分層、離析、泌水等問題。針對同步注漿存在的問題，依托實際工程對漿液配比進行優化，通過室內試驗研發了同步注漿專用充填劑，通過現場應用驗證了充填劑的塑化效果，保證了盾構隧道的順利安全掘進。

2 工程概況

長春市地鐵2號線西延線盾構工程西湖站—捷達大路站區間，盾構區間右線長831.7 m，左線長842.6 m，其中西捷區間隧道剖面如圖1所示。工程采用兩臺直徑6.28 m的土壓平衡盾構進行施工，管片外徑6.0 m，厚0.3 m。西捷區間平面圖如圖2所示，西湖站—捷達大路站盾構區間下穿多個風險源，需要及時進行地表監測，下穿過程中需要保證注漿效果，嚴格控制地層沉降。

3 室內試驗

3.1 試驗目的

為解決長春地鐵2號線西沿線盾構區間工程現場同步注漿單液漿運輸過程中的凝結時間長、留存率低、離析及堵管問題，對導致該現象的原因進行了分析，研發能夠改良漿液性質且不影響其強度和填充效果的同步注漿專用充填劑。通過室內試驗測定充填劑取不同摻量時漿液的泌水率、凝結時間以及其他參數，確定新型同步注漿專用充填劑最優摻量，解決現場同步注漿問題。

3.2 試驗材料

現場同步注漿漿液存在泌水大、凝結時間長、堵管等問題，其配比如表1所示，試驗室對其配比進行了改進，并添加少量外加劑，試驗配比如表2所示。所研發的同步注漿專用充填劑摻量技術參數如表3所示。

表1 同步注漿工程初始配比

表2 同步注漿試驗配比

表3 同步注漿專用充填劑技術參數

3.3 泌水率試驗

同步注漿漿液的泌水率(也稱傾析率)為靜置漿液上方泌水體積與漿液初始體積之比，反映了漿液離析、分層、泌水的程度，一般同步注漿漿液泌水率要小于5%。泌水率計算公式為：

(1)

其中，η為每次測量時漿液泌水率,%；Vw為漿液上覆泌水體積,mL；V0為漿液初始體積,mL。

為研究同步注漿專用充填劑泌水效果并確定最優摻量，取不同摻量充填劑進行試驗，3 h泌水率作為漿液的最終泌水率，各組漿液泌水率隨時間變化曲線如圖3所示。

通過分析圖3，同步注漿最終泌水率(3 h泌水率)隨充填劑摻量變化曲線中5%為泌水率上限值，泌水一旦超過此值，則漿液輸送困難無法滿足現場要求，3.5%為性能較好漿液的泌水率限值，低于此值漿液泌水抑制效果極好，可適用于長距離輸送。因此需要充填劑摻量達到1.0%以上，且1.4%摻量時最優。

3.4 漿液流動性試驗

同步注漿漿液的流動性可通過稠度試驗進行測試，能夠一定程度反映其泵送性能，如圖4所示，稠度不僅反映泵送性質還能表征漿液的前期抗沉陷能力。通過稠度儀測得砂漿隨著同步注漿專用充填劑摻量提高稠度變化曲線如圖5所示。

通過分析圖5漿液稠度隨充填劑摻量變化曲線可以看出，少量的同步注漿專用充填劑就能夠很明顯地增大漿液稠度，加入0.4%時漿液錐入度由12.6 cm減小到11.2 cm，但隨著充填劑摻量的提高，漿液稠度并沒有單調增加，而是有上下波動，基本維持在10 cm～10.7 cm之間。綜合3.3節的泌水率結果，充填劑摻量在1.0%～1.2%時各項指標效果較好。

3.5 漿液初凝時間試驗

漿液的初凝時間決定了漿液的可泵性和可操作性，為測試加入充填劑之后漿液的凝結時間，開展了凝結時間測定試驗，如圖6所示。

貫入阻力為0.5 MPa時的對應時間即為同步注漿漿液的初凝時間，通過圖7可以看出，為加充填劑時漿液初凝時間為270 min左右，充填劑摻量為0.4%時，漿液初凝時間為253 min，當充填劑摻量提高至1.0%時，漿液初凝時間為210 min左右。充填劑摻量提高能夠縮短漿液的初凝時間，加快漿液固化，保證漿液填充壁后能夠快速凝結，加固地層。

3.6 漿液單軸抗壓強度試驗

為研究不同充填劑添加比例對漿液固結體強度的影響規律，采用NYL-300C型壓力試驗機，對標準養護條件下的試塊進行了不同齡期的無側單軸抗壓強度試驗，抗壓強度值取3個試塊的平均值，試驗結果見表4。

表4 同步注漿漿液凝結時間和強度

通過同步注漿試塊的單軸抗壓強度試驗結果可以看出，隨著充填劑摻量的提高，漿液的1 d，7 d，28 d抗壓強度均有提高，摻量為0.8%以上的28 d抗壓強度達到3.45 MPa，滿足不小于3 MPa的工程要求。

4 結語

根據長春地鐵2號線西沿線盾構工程對同步注漿的性能要求，通過室內試驗研發了高性能的同步注漿專用充填劑，對漿液配比進行優化，滿足施工各項要求。

1)試驗改進后的漿液配比，大大降低了水泥、粉煤灰和膨潤土用量，且通過添加少量的充填劑，使漿液泌水率、流動性、凝結時間等指標均滿足工程要求。

2)通過添加1.0%摻量以上的充填劑，可將泌水率控制在3.5%以下。但充填劑的過量摻加會影響漿液的流動性，當充填劑摻量要控制在1.4%以內時，漿液稠度能保持10 cm以上，使漿液能夠順利輸送，防止堵管現象的發生。

3)隨著充填劑摻量的提高，漿液初凝時間縮短，抗壓強度提升，但不能一味提高摻量，綜合考慮各項指標，將充填劑摻量控制在1.0%～1.4%之間，既能控制離析泌水又能滿足塑化和強度要求。