广州地铁3号线盾构区间同步注浆施工技术

2010-01-22孙立功庞旭卿郭亚宇

铁道标准设计 2010年10期

孙立功,金花,庞旭卿,郭亚宇

(陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000)

1 工程概况

广州地铁3号线客—大区间采用两条分离式的单线盾构隧道,单线长度1 484 m,两线间距15.2～11.2 m,隧道纵断面埋深9～37 m。混凝土管片衬砌,管片外径6 000 mm,内径5 400 mm,厚度300 mm,宽度1 500 mm,环间采用错缝拼装。1台盾构机施工,盾构机长8 325 mm,刀盘直径6 280 mm,盾尾直径6 230 mm。

该隧道主要穿越〈7〉岩石强风化带、〈8〉岩石中风化带、〈9〉岩石微风化带,岩性为泥质粉砂岩、〈6〉岩石全风化带；局部穿越〈5-1〉可塑或稍密状残积土、〈5-2〉硬塑或中密状残积土。隧道上方主要为中风化、强风化、残积层。通过地层属较软地层,岩质较均一,有一定自稳能力,但节理裂隙较发育,局部易碎裂坍塌。

本区间下穿建筑物共150栋,房屋层数多为2～9层,以天然基础为主；有少量的高层,桩较长。

2 盾构施工同步注浆技术

本标段采用1台海瑞克土压平衡盾构机进行施工。根据区间地质情况、地面建筑、掘进模式,采用以同步注浆为主,二次补浆和地面跟踪注浆为辅的3种注浆形式。

2.1 同步注浆加固的机理2.1.1 注浆填充加固关键因素

充填性,限域性(防止流失),固结强度(早期强度)。对浆液的特性要求如下。

(1)充填性好,并不流窜到应填充空隙以外的其他地域(不流失到开挖面及围岩土体中去)。

(2)浆液流动性好,离析少,以便能长距离压送。

(3)浆液注入时应具备不易受地下水稀释的特性。

(4)背后注浆填充后,希望早期强度能均匀,其数值与原状土的强度相当。

(5)浆液硬化后的体积收缩率和渗透系数要小。

(6)无公害、价格便宜。

上述部分条件是相互矛盾的,所以实现上述目标并不是一件容易的事。客—大区间同步注浆选用水泥砂浆,是单液浆,此浆液的优点是流动性好,凝固后强度大；缺点是初期强度小,易流失,常会从受损或脱落的止浆板流入盾构机的土仓,造成浆液浪费,也易使隧道管片背后最重要的顶端部位出现无浆液充填的现象。

2.1.2 单液浆液硬化特性及注浆机理

单液浆液在搅拌机等搅拌器中一次拌和成为流运的液体,再经过液体——固体的中间状态(流动态、凝结及可塑状凝结)后,固结(硬化)。但是,由于水泥的水化反应非常缓慢,所以达到固结需要几个小时。因此注入时要求浆液是流动性好的液态,以利于充填。

客—大盾构隧道主要穿过有一定自稳性的强风化带和中风化带,针对此地层,水泥砂浆的注浆机理可用4种模式来表示。海瑞克盾构机在盾尾设计有止浆板,为防止浆液和地下水倒流到盾体外部,或进入土仓,但往往在盾构机掘进一段后,止浆板就会堕掉(由于盾体与土体之间的摩擦)。

在盾构始发的100多m内,止浆板一般比较完整,同步注浆的浆液不会流窜到土仓,注浆压力容易建立,管片顶部容易注饱满。止浆板完整时的注浆模式如图1所示。

注：①最先注入的浆液；②第二批注入的浆液；③第三批注入的浆液；④未充填到的部位。图1 止浆板完整时的注浆模式

盾构机掘进一段后,部分止浆板脱落,同步注浆压力在管片顶部无法建立,浆液顺脱落的止浆板流入土仓,若不采取措施,管片顶部注不饱满,形成空壳,易引起地面沉降。部分止浆板脱落后注浆的模式如图2所示。

图2 部分止浆板脱落后的注浆模式

盾构机从客—大盾构始发端大塘工地始发时,止浆板未受磨损,非常完整,所以大塘端洞门注浆很饱满,洞门渗水小。盾构机中间风井二次始发时,有1/4止浆板脱落,而且没能及时修复,所以风井始发洞门无法注饱满,漏水严重。下面是两种洞门注浆模式。

止浆板完整时的洞门注浆模式如图3(盾构第一次始发)所示。

图3 止浆板完整时的洞门注浆模式

无止浆板时的洞门注浆模式如图4(盾构风井始发)所示。

图4 无止浆板时的洞门注浆模式

由图1～图4可见，单液型浆液在注入时完全没有自立性的流体,形成后注浆液顺次推压先注的浆液,使浆液逐渐充填到前方的形态。

2.2 同步注浆加固设备

海瑞克盾构机自带自动注浆系统,使用的两个注浆泵为全液压双缸双出口活塞注浆泵。该泵由电动液压泵站提供动力。

搅拌站采用四川核工业部出产的JDY500C型搅拌机,配有自动上料和电子计量系统。每锅进料800 L,出料500 L,搅拌时间25～30 s,每小时拌浆量25 m3。运浆车是隧道局生产的8 m3运浆车,带有自动搅拌系统。拌和站到运浆车的下浆管采用φ200 mm的铁管,下浆管靠近储浆罐一侧安装阀门。运浆车到盾构机砂浆存储罐的上浆管采用φ100 mm的软管。

2.3 同步注浆加固施工工艺

浆液在搅拌站配置好以后,则砂浆运输车(即搅拌叶片)运至注浆站,通过软管抽送至砂浆存储罐内(即搅拌罐),连接好注浆管路,并设定压力、流量进行注浆。在每个注浆孔出口设置分压器,以便对各注浆压力和注浆量进行检测与控制,从而获得对管片背后对称均匀压注。注浆流程见图5。

2.4 同步注浆加固材料

同步注浆材料为水泥砂浆,由水泥、砂,粉煤灰,膨润土,水和添加剂等组成。

2.5 同步注浆加固主要技术参数

客—大区间各里程地层变化明显,浆液配比必须适应地层特性。每m3各种浆液配比见表1～表4。

表2 〈6〉全风化带、〈5-1〉、〈5-2〉残积土中浆液配比 kg/m3

表3 〈7〉强风化带浆液配比 kg/m3

表4 〈8〉中风化带、〈9〉微风化带浆液配比 kg/m3

2.6 同步注浆量确定

注浆量的确定是以盾尾建筑空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑。适当的饱满系数,以保证达到充填实的目的,根据施工实际,饱满系数包括由注浆压力产生的压密系数,取决于地质情况的土质系数,施工消耗系数,由掘进方式产生的超挖系数等。一般主要考虑压密系数和超挖系数。以上饱满系数在考虑时须累计。

同步注浆量经验计算公式

Q=qλ

式中q——充填体积；

q=п(b2-d2)L/4

其中q——盾构施工引起管片背面的空隙，m3；

b——盾构切削外径，m；

d——预制管片外径，m；

L——回填注浆段长即预制管片每环长度。

λ——注浆率；

λ=a1+a2+a3+a4+1

其中a1——压密系数，取0.3～0.5,

a2——土质系数，取0.05～0.15；

a3——施工损耗系数，取0.1～0.20；

a4——超挖系数，取0.1～0.2。

在〈6〉全风化带、〈5-1〉、〈5-2〉残积土中注浆率取120%～150%,在〈7〉强风化带、〈8〉中风化带、〈9〉微风化带注浆率取180%～215%。从目前的施工实际来看λ均位于135%～215%,这与工法、土质、浆液及注入压力等因素有关系。

2.7 同步注浆压力确定及控制2.7.1 注浆压力确定

注浆压力主要取决于地层阻力,但与浆液特性、土仓压力、设备性能、管片强度也有关系。注浆压力通常为0.1～0.3 MPa,一般计算是不准确的,必须结合现场实际情况和地面沉降监测分析数据来确定。本工程注浆压力统计结果是：〈6〉及以下的地层中,一般在0.15～0.3 MPa；〈7—9〉的岩层中,注浆压力取决于围岩条件和裂隙水压力,一般在0.1～0.15 MPa。洞口注浆压力0.06～0.15 MPa。

混凝土管片,当注入压力为4 MPa左右时,K型管片的螺栓会被剪断。

2.7.2 注浆压力控制

注浆过程有注浆压力、注浆量两个控制标准,以注浆压力控制注浆过程为主；如果地层自稳性好,地下水压小时,以注浆量控制为主。

客—大盾构区间盾构始发的前200 m内是〈5〉、〈6〉号地层。理论注浆量为6.0 m3,海瑞克盾构机注浆泵为活塞式注浆泵,每冲程理论的注浆量为12 L,由于活塞泵前面的储浆囊里经常有凝结的水泥块,根据经验,每冲程的注浆在10～11 L,施工时一般按10 L考虑,6 m3浆液冲程数就是600个。

海瑞克盾构机注浆管沿盾尾圆周方向均匀布置,相临两个注浆管的圆心角为90°。注浆管布置见图6。