富水硬岩地层盾构施工壁后注浆技术

申彩华

摘要：本文结合大连地铁103标七十九中站~西安路站盾构区间施工实例，对富水硬岩地层中盾构施工壁后注浆技术进行了系统的介绍，总结、提出了富水硬岩地层中盾构施工壁后注浆的主要问题和采取的主要措施和关键技术。

关键词：盾构富水硬岩壁后注浆

Abstract: combining with dalian subway station ~ 103 standard seventy score xian road station shield interval construction example, the hard rock formation in a rich water shield tunnel wall grouting technology after the introduction of the system, summarizes the rich water, puts forward a hard rock strata of shield tunnel wall after the main problems of the grouting and take the main measures and key technology.

Keywords: shield hard rock wall rich water after grouting

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

0 引言

开发利用城市地下空间，增强城市市政交通能力已成为中国城市建设的重点。同时，为促进中国城市地下空间的充分利用和地下交通能力的大力发展，改善交通的擁挤状况和居民的生活环境。随着地铁工程项目的增多，对材料与工艺也带来更大的挑战。盾构法是过江海和地铁隧道所采用的主要施工方法。盾构法壁后注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料在盾构过程中填入盾尾管片孔隙内，从而有效控制地面沉降，确保管片衬砌的早期稳定性，并形成衬砌防水的第一道防线。目前，壁后注浆材料的种类可分为单液型和双液型两类，单液型浆液又可分为惰性浆液和非惰性浆液。相对来说，双液型浆液注入后的强度发展较快，但由于其成本较高、施工难度高、设备复杂、易堵管等，故应用趋于减少。而单液型浆液具有成本低、配方简单、施工方便、不易堵管等优点，尤其是单液型的非惰性浆液，在国内隧道盾构施工中的应用趋于增多。在富水地层的工程对非惰性浆液的抗水分散、耐水、抗裂、抗渗等性能要求较高，而普通非惰性浆液很难达到这种要求，不能很好的满足现有盾构线路长、管径大、断面水压高的大型隧道工程。因此，本文主要通过工程实例系统阐述了富水硬岩地层壁后注浆的配比、方案等相关技术。

1工程概况

大连地铁103标盾构隧道区间起于七十九中学站后端,经长兴街沿西南方向至西安路站前端，区间隧道长度为右线844.36m，左线840.94m，在中间设联络通道一处。区间沿线原始地貌为马栏河二级阶地，现为街道。沿线高层建筑物密集，管线、管道众多。本区间范围内上覆第四系人工堆积层()、第四系上更新统冲洪积层、下伏震旦系长岭子组钙质板岩、中生代燕山辉绿岩等。右线主要穿越的地质条件为中风化钙质板岩，岩石抗压强度在50MPa以上，属于中硬质岩层，局部为辉绿岩，强度在90Mpa以上。地质条件复杂，高强度硬岩、复合地层、局部砂卵石、高富水等，并有28‰的下坡。地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，局部地段基岩裂隙水与海水相互连通。

2注浆材料和配合比选择

2．1 注浆性能

地铁隧道盾构法壁后注浆，不同于一般工程上所用的砌筑砂浆或抹面砂浆。这种砂浆一旦灌注入地铁管片环外间隙中之后，不须考虑水分蒸发的干缩问题，依据盾构法施工的注浆工艺要求，其必须有较高的稳定性和流动性，较小的流动性经时损失性及适宜的凝结时间等性能。如果砂浆稳定性差，则易离析分层，在注浆过程中，将导致注浆堵管，既影响施工进度，又影响注浆效果；同样如果砂浆流动性差，那么将导致注浆泵压升高，导致注浆困难。因此盾构法要求注浆用水泥砂浆须具备良好的稳定性和流动性。

除此之外，同步注浆材料还应具有以下性能：（1）、凝胶体或固结体的耐久性和抗渗性较好，受环境因素的影响小。（2）、浆液的凝结或固化时间可根据需要进行调节，具有较满意的强度。（3）、浆液无毒，对环境无污染，而且灌注工艺比较简单。（4）、注浆材料的来源广泛，价格相对低廉，贮存、运输方便。

在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，采用不同配比的同步注浆材料进行试验，主要性能应满足下列指标：

（1）胶凝时间：满足施工工艺和地质条件要求，一般为6～lOh。

（2）固结体强度：一天不小于0．2MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28天不小于2.5 MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。

（3）浆液结石率：>95％，即固结收缩率<5％。

（4）浆液稠度：8～12cm。

（5）浆液稳定性：倾析率(静置沉淀后上浮水体积与总体积之比)小于5％；达到拌和静置12h后不离析。

2．2 原材料对性能的影响

（1）水泥

通过本身可以发生水化而获得强度，而且水泥呈碱性，也可以激发粉煤灰发生火山灰反应获得强度，因此，在很多非惰性浆液中，都会掺人一定量的水泥。但是，水泥的掺量不宜太高，因为会导致浆液凝结时间缩短，而且掺人过多的水泥会大大提高浆液的成本。

（2）粉煤灰

在非惰性浆液中，粉煤灰是主要成分之一，其作用主要有两方面：一是改善工作性能。粉煤灰的粒径细小，外观呈圆形，在浆料中可起滚珠轴承的效应，有助于流动，故可能在给定稠度下能降低需水量，以粉煤灰代替水泥后，在坍落度不变的情况下可大大降低需水量，可见，在注浆浆液中使用大量粉煤灰，由于用水减少而可以减少离析和泌水；二是可提高砂浆致密性。当粉煤灰加入砂浆中与水泥一同搅拌后，不会立即发生反应，而要到水泥水化反应进行到一定程度，水化产物氢氧化钙达到一定浓度之后，才会与水化物中的氢氧化钙发生反应，形成水化硅酸钙，这称为二次反应。二次反应的产生会填充砂浆中的孔隙，使之更加密实，从而提高砂浆的致密性，对浆料的最终性能有重要的影响。

（3）膨润土

具有两个显著的性质：一个是吸湿性。由于膨润土是一种具有层状结晶结构的无机盐，水分子能够进入其层状结构中，因此膨润土能吸附8～15倍于本身体积的水量；二是触变性，当膨润土分散在水中时，晶片边缘上的一OH基团间形成氢键，使膨润土具有三维结构，也就是相互交联形成连续网格状结构，此时，膨润土呈凝胶状，但氢键的键能很弱，当受到应力作用时易破坏，这时，膨润土又具有另一个显著的性质，即良好的流动性，与液体相仿，再次静止后，氢键恢复，粘稠度重新增大，再次进入凝胶态，这一特点使得膨润土具备了优异的触变性，在水介质中能分散呈胶体悬浮液，具有一定的粘滞性、触变性和润滑性。不加膨润土时，砂浆即使具有较大的流动度，但并不能自由地从容器内流出；加入膨润土后，虽然砂浆的流动性降低，流动经时损失加快，但浆液的稳定性好，粘聚性增大，即使砂浆相当粘稠时，砂浆仍可以从容器中流出。

（4）外加剂

浆液中可根据实际情况加入一些外加剂，如：减水剂、抗水分散剂、微膨胀剂，促凝剂等，可增加浆液的和易性，保水抗渗性能、饱满度等效果。

抗水分散剂：在越江隧道或其它高压富水地质条件下的盾构施工中，由于非惰性浆液初期凝结速度慢，因此，可能会在注入后被高压水稀释，改变了浆液的实际水胶比，严重影响浆液的强度和耐久性。加入少量的增稠剂或絮凝剂，可以有效地提高浆液的抗水分散性能，但也可能延长浆液的凝结时间，降低浆液的强度，因此，在施工中使用高分子絮凝剂时，要先进行试验，以使负面影响最小。

减水剂：由于减水剂(实际上是一种分散剂)可减少粉末颗粒的团聚现象，释放了团聚颗粒所包裹的水分，使在相同流动性时所需要的水份减少，因而在注浆材料中加入适量的减水剂，便可大大改善浆液的流动性、提高浆液的强度以及保水能力等。

（5）熟石灰

不少非惰性浆液是在惰性浆液的基础上加入一定量的水泥制成的，使之在保证凝结时间的前提下增加浆液的强度。但是，在不少盾构的施工中，非惰性浆液(有时也叫硬性浆液)使用了生石灰或熟石灰，通过粉煤灰的碱激发反应获得强度。粉煤灰的主要活性成分是氧化硅和氧化铝，它们均可与氢氧化钙发生反应。

（6）水玻璃类

水玻璃主要成分为Na2 Si03，分为碱性水玻璃和酸性水玻璃。碱性水玻璃浆液的主要缺点是凝胶体有脱水收缩和腐蚀现象，其耐久性较差并对环境有污染。酸性水玻璃可在中性区域内凝胶，凝胶体没有碱溶出，不存在碱性水玻璃的腐蚀现象和环境污染问题，耐久性较好。目前，水玻璃多作为固化剂，起调节凝固时间的作用，常用于对初凝及终凝时间有特殊要求的注浆材料中。

（7）其它原料

非惰性浆液中也可加入一些其它的原料，以改善浆液的性能。在浆液中可以考虑加入氢氧化钠，它的作用是：提高浆液的碱度，促进粉煤灰的火山灰（二次）反应；与膨润土发生反应，使膨润土钠化，打开膨润土的层间结构，增大膨润土的吸水能力，从而促进膨润土发挥其触变性能。此外，砂也是非惰性浆液中使用的一种原料(细骨料)，主要作用是降低浆料的硬化收缩率和降低浆料的成本。其用量可以占到固体材料的50％ 以上。

2.3 原材料的选择

水泥：普通硅酸盐水泥P.O，强度等级42.5；

粉煤灰：二级灰

砂：河砂，细度模数为2.0～2.4，属中细砂，，含泥量不超过3%；

膨润土：200目钠基膨润土；

水玻璃：波美度40Be°；

外加剂：减水剂、絮凝剂（聚合氯化铝）；

水：饮用水。

2.4 注浆配合比选择

大连地铁103标盾构隧道区由于地处硬岩富水地层，且有2.8%的下坡，施工初期，出现大量同步注浆浆液流向刀盘、进入土仓的现象，导致无法注满管片后的空隙、浆液浪费、增加清理工作量、盾构抱死等负面影响。并且，由于后方汇集水量大，很容易引起浆液离析。

经过多次尝试，最后确定改传统的同步注浆为多次注浆，利用双液浆快凝的特点，设置止水环，在止水环间进行单液浆的及时补浆，即同步注浆→二次注浆（双液浆）→及时注浆（单液浆）的方式进行注浆。同时优化配合比，富水区单液浆中均掺入抗水分散以防止浆液离析。

结合工程现状及原材料情况，通过大量的试验，选定配合比如下：

（1） 单液浆配合比：（每立方米砂浆用量kg/m3）：

水泥：水：砂：粉煤灰：膨润土：外加剂=150:610:420:350:60:12.5

通过试验测定：初凝时间8～10h，1d抗压强度0.6～1.0Mpa,28d强度2.8～4.3Mpa,稠度140～160mm，分层度10～20mm,体积收缩率<5%，泌水率4%，满足施工要求。

（2） 二次注浆（双液浆）配合比：

水泥混合砂浆 水泥：水：砂：膨润土：外加剂=500:600:300:60:12.5

水玻璃溶液 水玻璃：水=2:1

双液砂浆 水泥混合砂浆：水玻璃溶液=5:1（水泥混合砂浆与水玻璃溶液比例在现场可根据地下水情况进行调整，调整范围在3:1~10:1之间，地下水越大，水玻璃溶液掺量相应增大）

2.5注浆方案

（1）同步注浆

同步注浆根据地下水情况决定注浆速度，地下水很大时，应停止注浆。上注浆口压力控制在0.8~1.2bar，下注浆口压力控制在1.0～2.0bar范围，并根据实际情况采用间歇式注浆法，注浆10~20分钟，停30~60分钟。

同步注浆量不作硬性要求，尽量达到拱肩位置。注浆时工程部值班人员严密注意螺旋输送机出口，如有浆液从螺旋机流出，则立即通知盾构司机与注浆操作人员，停止注浆。

（2）二次注浆

二次注浆采用双液浆，其目的是在盾尾方向建立止水环，截断水流。止水环若离盾尾太远，则壁后汇聚的水流太大，止水环效果不明显，若太靠近盾尾，则容易造成抱死盾尾及损害盾尾刷等问题，故选择在脱离盾尾的第5环进行二次注浆，每隔10环做一止水环。

做止水环时要开孔泄压，孔要开在管片最上部,避免浆液从泄压孔流出，也就是在注下方点位时在管片封顶块上开孔泄压，并做好废水排放布设安排。

（3）及时注浆

二次注浆完成后，在两道止水环之间位置利用吊装孔采用单液浆进行及时注浆（补浆），直至注满管片后的空隙。

管片背后注浆量充填系数一般为1.3～1.5,注浆压力最大不得超过0.5MPa，注浆压力过大易造成管片破碎开裂。注浆完成后，应检查壁后注浆效果，保证每环管片壁后注浆密实。

2.6 浆液质量控制

(1) 对于制浆材料要把好质量关，选用供货质量稳定的供货商。材料进场时，需报试验人员进行进场验收。拌制浆液时，不能投入固结的膨润土，砂料应是中细砂，含泥量不能过大，砂料必须过筛方可使用。

（2）浆液搅拌要充分，拌和要连续，不能间断；应先将膨润土与水混合，预膨胀后再与水泥搅拌混合。

（3）定期检查计量系统，保证按配比生产浆液。

（4）根据拌制的第一罐浆液的性能指标，合理调整各骨料和水的加量，保证浆液的性能最终满足要求。

（5）按規定对设备进行日常维护保养，使设备经常处于良好的工作状态。

（6）检查各岗位人员及通讯准备状况，保持信息畅通。各岗位做好交接班工作，信息齐全、记录完整。

（7）缩短供货周期，尽量缩短原料在施工现场的存放时间，减少材料的板结现象。如用含水量较大的细砂，应相应地调节水的加量。

5 结束语

本文结合大连地铁103标七十九中站~西安路站盾构区间施工实例，对富水硬岩地层中盾构施工壁后注浆技术进行了系统的介绍，总结、提出了富水硬岩地层中盾构施工壁后注浆的主要问题和采取的主要技术，为今后的其他类似工程提供借鉴和参考。由于富水硬岩的浆液要求具有相对较低的稠度，因此在施工前期准备过程中应全面考虑好搅拌站布置位置、管道布设、泵的选型等相关因素，以减少堵管的情况发生。