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10～12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）

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)

A 15 24 44

B 30 62 68

C 14 24 34

D 24 69 96

E 11 24 34

F 10 19 28

G 22 62 69

H 7 21 29

D、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