广州地铁3号线盾构施工同步注浆技术的应用

杨江朋 苗兰弟

(陕西铁路工程职业技术学院，714000，渭南∥第一作者，讲师)

1 工程概况

广州地铁3号线客村站—大塘站区间采用两条分离式的单线盾构隧道，区间单线长1484 m，两线中心间距15.2～11.2 m，隧道埋深9～37 m。隧道采用混凝土管片衬砌，管片的外径6000 mm、内径5400 mm、厚度300 mm、宽度1500 mm，环间采用错缝拼装。采用1台盾构机施工，盾构机长8325 mm，刀盘直径6280 mm，盾尾直径6230 mm。

客村站—大塘站区间隧道主要穿越岩石强风化带、岩石中风化带、岩石微风化带，局部穿越可塑或稍密状残积土、硬塑或中密状残积土。隧道上方主要为中风化岩层、强风化岩层及残积层。通过地层属较软地层，岩质较均一，自稳能力较好，但节理裂隙较发育，局部易碎裂坍塌。

本区间穿过建筑物共150栋，房屋层数多为2到9层，以天然基础为主;有少量的高层，桩长较长。所以，确保地面建筑物的安全及地表的沉降是该工程施工的重中之重，也是采用注浆的主要目的。

2 盾构施工中的注浆技术

本标段采用一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三种注浆形式。现对客村站—大塘站区间隧道盾构施工中的同步注浆技术进行总结研究。

2.1 盾构隧道施工中的同步注浆

2.1.1 盾构隧道施工中同步注浆的目的

在盾构隧道施工中同步注浆的目的如下:

1)防止地层变形［1］，主要是防止地层下沉:随着盾构机的掘进，管片脱离盾尾时，该部位的地层出现临时无支撑的凌空状态，致使管片背面间隙出现变形或者局部坍塌，随着围岩松散范围不断扩大，地面逐渐产生沉降。如果用浆液及时填充此间隙，地层变形或坍塌就受到约束，可以有效地控制地面沉降，所以同步背后注浆的饱满度直接影响地表沉降的程度。另外，盾构在软土、富水层掘进时，若土压或气压、泥浆压力不够，地层就会出现局部崩坍，表现在出土量、出水量增大，引起地下水位下降、地表下沉。客村站—大塘站区间隧道80%穿过裂隙发育的强风化带和中风化带。若同步背后注浆不饱满，地下发育的裂隙水会逐渐汇聚成水流而流入土仓，或从破损的管环纵缝渗进隧道。若地层失水量过大，地下水位会降低，出现压密现象，致使地层变形。在裂隙水损失的过程中，地下水也会产生流动，并带动土颗粒移动，导致地层变形加剧。

2)确保管片衬砌的早期稳定:盾构隧道是一种管片衬砌和围岩一体化的结构稳定的构造物。在盾构掘进过程中，管片背面的空隙需及时均匀地填充，以确保管片所受外力均匀、无偏压和集中应力现象。如果管片背面的空隙得不到及时的填充，管片处于无支撑或失稳状态，在盾构机巨大的推力下，管环容易出现错台、倾斜，严重时会导致管片开裂。所以，注浆是确保管片衬砌早期稳定的重要措施［2］。

3)为提高隧道的抗渗能力:管片脱出盾尾时，在管片背面形成空壳，如果用浆液及时地填充，浆液凝固时就会形成一道防线，能够有效提高盾构隧道的抗渗能力，以控制地下水渗入隧道。

2.1.2 背后同步注浆的加固机理

影响盾构隧道注浆填充加固质量的三个关键因素是:充填性、限域性(防止流失)、固结强度(早期强度)。

对填充的浆液应具有以下特性:浆液充填性好，但并不会流窜到应填充空隙以外的其它地域(如开挖面及围岩土体);浆液流动性好，离析少，以便长距离压送;浆液注入时应具备不易受地下水稀释的特性;早期强度均匀，其数值与原状土的强度相当;浆液硬化后的体积收缩率和渗透系数小;无公害且价格便宜。上述部分特性是相互矛盾的，所以实现上述目标特性并非易事。

客村站—大塘站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，常会从注浆处流入盾构机的土仓，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。

单液浆液在搅拌机等搅拌器中一次拌和成为可流动的液体，再经过注浆凝结后固结。由于水泥的水化反应非常缓慢，所以到达固结状态需要几个小时。因此，注入时要求浆液是流动性好的液态，以利于充填［3］。

为防止浆液和地下水倒流或进入土仓，海瑞克盾构机在盾尾设计有止浆板，但往往在盾构机掘进一段后，由于盾体与土体之间的磨擦，部分止浆板就会堕掉。

1)在盾构始发的100多米内，止浆板一般比较完整，同步注浆的浆液不会流窜到土仓，注浆压力容易保持，管片顶部容易注浆饱满。

2)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保持，浆液顺脱落的止浆板流入土仓，如不采取措施，管片顶部注浆不饱满，会形成空壳，易引起地面沉降。

3)盾构机从客村站—大塘站区间的盾构始发端大塘工地始发时，止浆板未受磨损，非常完整，所以大塘站端洞门的注浆很饱满，洞门渗水少。盾构机从中间风井二次始发时，有1/4止浆板脱落且没能及时修复，所以风井处始发洞门无法注浆饱满，造成漏水严重。

2.2 注浆材料

本工程采用的同步注浆材料为水泥砂浆。其由水泥，砂，粉煤灰，膨润土，水和外加剂等组成。现对其中的粉煤灰和膨润土的性能作分析。

2.2.1 膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要成分(含量大于65%)的黏土矿物。膨润土可分为天然膨润土、改性膨润土、活性膨润土。而天然膨润土又分为钙膨润土和钠膨润土两种。

钙膨润土水化膨胀的体积是当初干燥固态体积的3～7倍，钠膨润土水化膨胀后的体积是当初干燥固态体积的12～18倍。钠膨润土与水接触24 h开始水化，到48 h水化结束。

膨润土水化膨胀后，形成膏状不透水的、可塑性胶体的隔水层，可有效降低渗水系数。所以，膨润土膨化后挤密周围颗粒的间隙，形成致密的抗渗层，提高了凝固浆液的防渗性能。

2.2.2 粉煤灰

粉煤灰的化学成分主要是CaO(占5.02%)、SiO2(占 52.83%)、Al2O3(占 21.92%)、Fe2O3(占6.18%)，比重约 2.16，含水率约 0.4%。

粉煤灰单体固结试件起始的单轴抗压强度为0.11 MPa(龄期等于零)，龄期28 d后的单轴抗压强度为1.4 MPa，90 d 后为1.8 MPa。这说明粉煤灰在潮湿条件下，固结体自身有自硬性，且单轴抗压强度随龄期的增长而增长。

2.3 同步注浆的浆液配合比

客村站—大塘站区间各里程的地层变化明显，浆液配合比必须能适应地层情况。不同地质条件下的1 m3浆液的材料用量见表1所示。

表1 1 m3浆液的材料用量 kg

2.4 应注意的一些问题

1)在硬岩地段盾构注浆宜采用同步注浆和二次注浆相结合的背后注浆方式，浆液配合比要在保证砂浆稠度、倾析率、固结率、强度等指标的基础上，延长其凝胶时间。凝胶时间控制在5～12 h，同步注浆压力约为0.1 ～0.12 MPa。

2)地下水发育时，浆液的凝胶时间应采用短一些的。对于自稳能力较差的强风化、全风化岩层和黏土层，单液浆和双液浆都可选用，凝胶时间控制在4 ～7 h，同步注浆压力控制在0.15 ～0.20 MPa，必要时进行二次衬砌强注浆或采取地层加固辅助施工措施。

3)对于自稳性差的软弱黏土地层，当盾构向前推进时，土体出露后很快就可能坍塌，待进行注浆时盾尾空隙可能已很小。因此，同步注浆时可适当增大注浆压力，以获得更好的充填效果。

4)在富含水地层中的注浆要能够迅速阻水、快速充填。因此，要求浆液凝固时间短、黏土性大、保水性强、不离析，凝胶时间为4～6 h。若掘进时已建立了一定的土压或气压，则应尽量确保盾尾密封完好，以防止仓中的水由盾尾被压入管片背后。当管片背后已被水充填，则需要提高注浆压力以便将地下水随着浆液的推进而被挤入土体中。

5)在盾构始发和到达段，总体上要求缩短浆液的凝胶时间，以便在填充地层的同时能尽早获得浆液固结体强度，以保证开挖面安全，并防止从洞口处漏浆。

3 结语

从客村站—大塘站盾构工程的整个施工效果来看，注浆质量把握较好，地面沉降控制在+10 mm～－30 mm内，未引起周围建筑物的沉降、倾斜、开裂等不良现象。本工程失败之处是，在施工参数调整上过于保守。例如:在试验段，主要地质是残积土、岩石全风化带地层，注入率λ应该从1.6下调到1.4，但施工时不敢下调，故导致浪费;在中风化地层中，在盾尾止浆板部分已脱落的情况下，注浆压力已不必要达到0.15 MPa，但施工指令仍然要求达到0.15 MPa，致使大量浆液窜入土仓，造成了不必要的经济损失。

［1］乌健.广州地铁岩溶区盾构施工地层变形特性研究［J］.铁道建筑，2012(8):51.

［2］刘建伟，宋娟娟，曾龙广.土压平衡盾构施工地铁引起的地表沉降分析［J］.路基工程，2012(5):123.

［3］栗晋华.隧道盾构单双液结合多序注浆技术探讨［J］.中国科技信息，2012(13):58.