盾构隧道同步注浆新型双液注浆材料的研究与应用

王 成， 王国义

(中电建成都建设投资有限公司, 四川 成都 610212)



盾构隧道同步注浆新型双液注浆材料的研究与应用

王 成， 王国义*

(中电建成都建设投资有限公司, 四川 成都 610212)

盾构隧道的上浮易导致隧道管片错台、破损、渗漏和隧道超限等问题，进而影响到地铁隧道的验收与运营。通过分析管片上浮的主要原因，提出改进同步注浆设备，并在盾尾处采用常规同步浆液与聚丙烯酰胺水溶液(双液浆)相混合注入管片与开挖面之间的空隙。通过实验分析得出，注入空隙处的双液浆短时间内增稠，浆液成为塑性体，使管片的浮力降低许多，抗水分散性明显提高。通过实际应用，此种新型双液浆有效地填充了管片与开挖面之间的间隙，使隧道上浮量明显降低，提高了成型隧道的质量，解决了盾构隧道上浮的难题。

盾构； 隧道； 管片上浮； 同步注浆； 双液浆； 塑性体； 抗水分散性

0 引言

近年来，盾构法凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势，被广泛地应用于各大城市地铁建设中。然而，在盾构隧道施工中，刚脱离盾尾的管片经常会出现错台、破损，甚至出现隧道局部或整体上浮[1]，最终导致管片质量差和隧道超限，从而影响地铁的正常运营。

作为盾构施工常见的工程问题，盾构隧道施工中的管片上浮问题已经引起了广泛关注，且部分学者对此进行了一些研究。如： 季昌等[2]通过管片施工期上浮影响因素的现场试验研究，提出在非胶凝材料掺量不变的基础上，随着粉灰比、水灰比的减小,浆液抗压强度、黏聚力提高，初凝时间缩短，管片上浮量减小；肖明清等[3]通过计算分析，提出在软土地层中采用早期强度低、流动性大的注浆材料有利于减少施工期管片上浮；王新等[4]分析影响隧道上浮的物理环境和工艺操作，得出可能产生隧道上浮力的主要因素；杜闯东等[5]研究分析了施工中出现管片上浮问题的根源；曹文宏等[6]研究了隧道衬砌上浮的必然性和力学机制。已有研究主要分析隧道上浮影响机制、上浮影响因素、上浮的量化计算模型和工程中可采用的处理措施，但对于盾构同步注浆系统及胶凝材料的研究均存在不足。

本文对盾构同步注浆系统加以改进，盾尾同步注入双液浆，注入后的双液浆短时间内形成塑性体[7]，双液浆对管片的浮力低，抗水分散性明显加强。通过实际应用，隧道管片基本无上浮现象，盾尾空隙注浆填充饱满，注浆量明显降低，基本解决了长期困扰盾构施工的隧道上浮难题。

1 盾构隧道管片上浮的主要原因与目前控制措施

1.1 盾构隧道管片上浮的主要原因

隧道在同步注浆浆液中上浮时的受力情况可分为： 管片自身的重力G1、管片内部的载荷G2、浆液对隧道的浮力F浮、抵抗隧道上浮的黏结力F黏和侧向摩擦阻力F阻，附近已经固结的管片抵抗隧道上浮的管片间的摩擦力F摩和管片螺栓的剪力F剪，其他如注浆压力[8]不均等导致管片垂直向上的力F其他。当(G1+G2)﹤F浮时，隧道管片会有上浮的趋势；当(G1+G2)﹤(F浮-F黏-F阻-F摩-F剪+F其他)时，隧道管片将上浮。因此，在不考虑F其他的前提下，控制管片上浮最直接的措施是降低同步浆液对管片的浮力F浮，同时提高抵抗隧道上浮的黏结力F黏和侧向摩擦阻力F阻。

盾构施工过程中同步浆液在隧道外(搅拌站)拌合，搅拌完成后放至盾构工作井中转站，然后由运输浆车运至盾构台车，经导浆泵泵送至盾构台车同步浆箱。随着盾构的掘进，使用KSP注浆泵经长达20 m的注浆软管和盾尾内的注浆管将浆液注入至管片与开挖面之间的空隙，同步浆液从搅拌至最后注入至少需要 4～6 h。为了防止同步浆液凝固与注浆管堵塞，要求同步浆液具有优良的流塑性[9]，初凝时间一般在6 h以上，终凝时间达30多 h。注入管片背面的同步浆液由于与地层中的渗水相混合，使同步浆液变稀，凝固时间变长。由于管片背面同步浆液完全凝固时间很长，盾尾后同步浆液对管片的浮力累积，当浮力累积值大于管片的约束力时，管片会产生错台、破损与上浮。因此，盾构隧道管片上浮的主要原因之一是同步浆液不及时凝固而产生浮力所致。

1.2 目前管片上浮控制措施及存在问题

常规可凝性同步浆液[10]由水泥、粉煤灰、砂、膨润土和水组成。为控制管片上浮，现有常规控制管片上浮的措施有： 1)提高水泥和膨润土用量，降低同步浆液凝结时间，提高同步浆液黏稠度，但随之出现的是同步浆液凝结、注浆管堵塞等问题。实际施工中操作者人为地提高同步浆液中水的含量，提高浆液的流动性[11]，防止注浆管堵塞，但造成的后果是同步浆液完全凝固所需的时间很长。2)在盾尾后侧已经拼装管片处将管片吊装孔打开，使用双液注浆泵注入水泥-水玻璃双液浆，双液浆迅速凝结，以抵抗同步浆液的上浮力；但注入水泥-水玻璃双液浆材料和人工成本都比较高，注入量和范围小，凝结强度低，上浮量虽有所降低但仍然存在多种问题，虽被施工单位广泛采用，但未达到最优效果。3)降低盾构施工进度，延长脱出盾尾管片的浆液凝结时间，但此种做法会导致盾构施工进度慢。

对于常规的水泥-水玻璃双液浆，由于凝结时间短、容易使注浆管堵塞、影响最后一排盾尾刷寿命、成本高、可操作性差等多种原因，一直未被作为同步浆液广泛采用。

综上所述，目前无较好的方法能够解决同步浆液浮力造成管片错台、破损、渗漏与隧道上浮问题。解决同步浆液对管片的上浮问题，需要同步浆液在注入过程中流塑性非常好，注入后稠度值小、抗水分散性好。

3)从浮标站风速的月变化看,全年共出现两个峰值,一个是冬春转换季节3月份前后；另一个为台汛期,这两个时间段出现较大阵风的频率也是全年中最高的。

2 新型双液浆的选定

通过大量的试验并查找相关资料，寻求在常规同步浆液中加入一种液体(如有机膨润土、聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、植物胶、黄原胶、减水剂等的水溶液)，能够达到同步浆液注入后所需求的稠度值小、抗水分散性好的性能，并最终选定了聚丙烯酰胺[12]。

聚丙烯酰胺是一种高分子聚合物，是水溶性高分子化合物[13]中广泛应用的品种之一，主要应用于水处理、造纸、石油、煤炭、矿冶、地质、轻纺、建筑等工业部门，具有增稠性、黏合性、絮凝性、降阻性等特性。

3 常规同步浆液与新型双液浆的对比试验

为了对比常规同步浆液与加入聚丙烯酰胺水溶液的双液浆[14]的性能，按照常规同步浆液的配合比(如表1所示)配制成浆液[15]，一部分备用，一部分加入聚丙烯酰胺水溶液(如表1所示)，并充分搅拌，形成双液浆。通过试验，对2种浆液(如图1所示)的性能进行对比，如表2所示。

从表2可以看出： 新型双液浆与常规同步浆液相比，密度、析水率、初凝时间、终凝时间、28 d抗压强度、成本相差不大；由于新型双液浆添加了增稠剂(聚丙烯酰胺)，双液浆经充分混合后已经从流体转化为塑性体，无外力作用失去流动性，浆液屈服强度显著提高[16]；新型双液浆的稠度值[17]远小于常规同步浆液，抗水分散性能[18]远优于常规同步浆液。

表1 常规同步浆液与新型双液浆的配合比

(a) 新型双液浆

(b) 常规同步浆液

2种浆液对管片作用的浮力试验。将2种浆液分别装入纸杯内，并将一个塑料杯压入浆液中一定体积(65 mL)，然后往塑料杯内加水至塑料杯不再上浮为止(如图2所示)，此时将装水的塑料杯取出，清理残留在塑料杯外侧的浆液。对杯和水进行称重，其质量为同步浆液对压入一定体积的广义浮力，广义浮力除以广义体积就是广义浮力密度。塑料杯压入双液浆中不加水，塑料杯也不上浮。具体试验和计算结果如表3所示。

表2 常规同步浆液与新型双液浆性能与成本统计

图2 浮力试验

表3 常规同步浆液与新型双液浆的试验统计

Table 3 Buoyant force test results of new type two-component grout and conventional grout

名称广义浮力/g广义浮力密度/(g/mL)常规同步浆液881.35新型双液浆140.22

从浮力试验可以看出： 常规同步浆液流动性好，对管片的广义浮力大，广义浮力密度大于管片的广义密度(0.5 g/mL)，管片将上浮；新型双液浆已经成为塑性体，无流动性，广义浮力密度小于管片的广义密度，管片不上浮。因此，新型双液浆对管片的浮力远小于常规同步浆液对管片的浮力。

4 同步注浆设备的设计

为了确保新型双液浆的顺利注入，对双液浆注入系统进行如图3所示的设计。双液浆中A液(常规同步浆液)依然采用常规KSP泵D1[19]注入，浆液进入盾尾注浆管前增加一个三通，双液浆B液在此与A液相混合，在混合过程中经盾尾注浆管注入管片与开挖面间的空隙。在连接桥处安装带有搅拌系统的1 m3B液搅拌罐，聚丙烯酰胺与水在罐中搅拌，经截止阀D2、螺杆泵D3、管路、单向阀D4注入盾尾注浆管路。当盾尾注浆管路堵塞、螺杆泵出口注浆压力升高至螺杆泵允许最高压力时，安全阀D5打开，B液流回搅拌罐。双液浆中的A液、B液注浆速度都可以进行无级调节，以满足注双液浆所需的不同配合比。

图3 双液浆注入系统示意图

5 应用实例

成都地铁某盾构区间2条隧道分别采用常规同步浆液和新型双液浆进行同步注浆，掘进进度都按12环/d(18 m)控制。当盾构掘进完成后，停止注入新型双液浆中的B液，继续注入一定体积的A液，将盾尾注浆管中浆液由双液浆替换成单液浆，防止停机再次注浆时盾尾注浆管堵塞。

通过对隧道左右线进行监测，注入常规同步浆液时，管片脱离盾尾后开始上浮，并伴随错台发生，脱离盾尾18 m上浮量达到最大(60 mm)，脱离盾尾30 m上浮量有所降低(50 mm)，并一直保持此上浮量[20]不变。注入新型双液浆，管片脱离盾尾后无上浮量，基本无错台，注浆量减少20%左右。

6 结论与建议

2)常规同步浆液本身流动性好、抗水分散性能差，同时受地层水影响，导致盾构施工期间浆液凝固时间较长，管片浮力大，致使隧道管片上浮严重。

3)新型双液浆由于混合后短时间内变为塑性体，抗水分散性能好，广义浮力小，隧道管片基本不上浮。

4)常规同步浆液与新型双液浆的最大区别之处在于随着盾构的掘进，同步注入开挖面与管片之间空隙的浆液形态由流体变为塑性体，极大地降低了浆液对管片的浮力。同步注新型双液浆适用于所有盾构施工。

5)根据盾构实际掘进情况，为了达到实时调整新型双液浆A液与B液混合比例的目的，需要对同步注浆设备进行程序设计，此程序设计有待进一步研究与应用。

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Study and Application of New Type Two-component Grout to Simultaneous Grouting of Shield Tunnel

WANG Cheng, WANG Guoyi*
(ChengduConstructionInvestmentCo.,Ltd.,ChinaPowerConstructionCorporation,Chengdu610212,Sichuan,China)

The tunnel segment dislocation, damage and water leakage would be induced by uplift of tunnel segment. The causes of tunnel segment uplift are analyzed; the simultaneous grouting equipment is improved and two-component grout is injected to gaps between working face and tunnel segment. The testing results show that the simultaneous grouting is efficient and can reduce the uplift of tunnel segment.

shield; tunnel; segment uplift; simultaneous grouting; two-component grout; plastic material; water-resistant dispersity

2016-09-01;

2016-11-06

王成(1975—),男，四川仁寿人，1999年毕业于中国矿业大学，采矿工程专业，本科，高级工程师，现从事地铁施工技术与管理工作。E-mail： 635809798@qq.com。*通讯作者： 王国义， E-mail： 1163812615@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.04.005

U 454

A

1672-741X(2017)04-0416-05