用于有效控制地面沉降盾构新型注浆技术研究

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中铁十一局集团城市轨道工程有限公司

1 前言

盾构掘进过程中产生的地表沉降主要是由于施工引起地层损失，为控制地层损失，盾构机设置有同步注浆系统，通过在盾尾后方及时注入同步浆液填充管片外空隙以弥补地层损失；同时，对尚未填充密实的地方，通过二次注浆进行填充，这一系列方法，对地面沉降控制起到了重要的作用，但该方法不可避免地存在一个问题，即盾构机掘进时，因开挖刀盘开挖断面略大于盾体外径，更大于管片外径，而盾体外面的空隙在掘进过程中无法及时填充，若地质条件差，因盾体外的空隙无法及时填充会出现地面沉降，当刀盘上方出现地层塌空时，需及时对塌空的地方进行填充并形成有效支撑，但盾尾的注浆对此已达不到效果，即当盾构机掘进至盾尾到达塌空处需要再推进5～6 环左右，而此时塌空往往已向上传递了较大范围甚至已到达地面，故：当地质条件差或通过重要建构筑物时，传统注浆方法已难以实现对沉降的有效控制。

2 工程概况

本标段区间起点为机场北站，终点为吊出井，起点里程为YDK41 + 437.900，终 点 里 程 为YDK42 + 343.576（ZDK42 +335.972），区间长度905.676m（左线898.072m），线路埋深在19m～27m 之间，最小线间距12.05m，区间线路自机场站端以24‰、28‰及4‰坡度向下直至吊出井。盾构先后下穿既有运营的11号线右线、11号线入场线、11号线出场线及11号线左线。

3 工程难点

机重区间下穿地铁11 号线机福区间隧道群，最小净距仅2.4m，而穿越长度达117m，且机重区间左右线需连续8次下穿地铁11 号线，对11 号线扰动将产生累加效应，沉降控制难度进一步增大。施工过程中需严格控制其对既有11号线的影响，否则将直接危及既有轨道交通线的运营安全、也会对新建盾构隧道工程的施工安全、工期和工程造价带来不良后果。同时，已有地铁运营隧道均为重要的交通走廊，是大多数市民出行最重要的交通工具之一，在城市公共中正发挥着骨干作用。新建隧道的施工全过程不能影响深圳地铁11号线的正常运营，这对新建盾构隧道施工提出了更高的工程控制要求，亟须研究有效、适用、系统的控制既有线变形的整套成熟技术，以指导在已建线路附近进行新建盾构隧道施工。

4 同步注浆新型浆液配置技术

新型浆液原材料由石灰、粉煤灰、细砂、膨润土、水泥组成（新型浆液重量配比见表1所示），配合比设计过程中，以浆液的坍落度和浆液凝结时间控制为核心，经现场试拌调整后得出生产配合比，另外，浆液在制拌过程中采用通用拌合设备，且在搅拌过程中要确保浆液放浆管道顺直。浆液拌制以及新型浆液坍落度试验分别如图1和图2所示。

表1 新型浆液重量配比（kg/m3）

图1 浆液制拌

图2 新型浆液坍落度试验

其中粉煤灰、膨润土采用散装粉煤灰，将上述材料采用经改造的拌合设备进行搅拌，拌合时注意严控粉煤灰、沙子的质量，以保证浆液的流动性。

5 新型注浆系统及组合注浆技术

5.1 注浆系统的构造

注浆系统包括浆液搅拌装置、浆液输送装置、盾尾同步注砂浆系统和新型浆液同步注浆系统。浆液搅拌装置包括储料罐、骨料仓和与储料罐的进料口连通的搅拌站，储料罐和骨料仓为一体式或分开式，两者为分开状态时，在储料罐的出料口设有第一渣浆泵，并通过料液输送管与骨料仓的进料口连通；在骨料仓的底部分别设有带控制阀的砂浆输送口和厚浆输送口，并在砂浆输送口通过浆料管连接有第二渣浆，在厚浆输送口处通过浆料管连接有第一挤压泵；在骨料仓的出料漏斗上设有振动泵，在进行新型浆液搅拌时，需要开启振动泵加快新型浆液的出料速度，并避免新型浆液黏附在骨料仓的仓壁上。

浆液输送装置包括砂浆罐、厚浆罐、砂浆车和厚浆车，在砂浆罐和厚浆罐的出料口均设有第二挤压泵，砂浆罐的进料口通过砂浆输送管与第二渣浆泵连通，出料口通过第二挤压泵直接与盾尾同步注浆系统连通，厚浆罐的进料口通过砂浆输送管与第一挤压泵连通。若输送路线太长，砂浆罐为一个或多个串联连接的砂浆罐，在每个砂浆罐的出料口均设有第二挤压泵，厚浆罐与第一挤压泵之间的厚浆输送管上设有地泵。注浆系统的整体结构示意图如图3所示。

图3 注浆系统整体结构示意图

5.2 浆液运输

（1）将配制的新型浆液通过搅拌装置骨料仓的厚浆输送口的第一挤压泵输送至厚浆罐内，再通过厚浆罐出料口的第二挤压泵输送到厚浆车内，厚浆车通过隧道轨道运送至第一节台车，新型浆液通过厚浆车出料口的第三挤压泵输送到输送至新型浆液罐内准备进行盾体同步注浆。

（2）在搅拌装置内配制常规盾构同步注浆的砂浆浆液，并将配制的砂浆通过搅拌装置骨料仓砂的砂浆输送口第二渣浆泵送至砂浆罐，然后通过砂浆罐出料口的第二挤压泵输送到盾尾砂浆同步注浆的砂浆车储料罐内准备进行盾尾砂浆同步注浆。

5.3 组合注浆施工技术

在掘进过程中，每掘进一环，通过盾尾砂浆注浆系统的砂浆注浆泵进行常规的盾尾砂浆同步注浆，同时通过新型浆液注浆泵将新型浆液罐内的新型浆液从盾体的最临近12点位的两个径向直孔进行盾体注浆，填充盾体与土体之间的间隙，其每推进一环管片新型浆液的注浆量为一环管片宽度的盾体与土体之间间隙的体积。

当出现地面沉降增大时或超方现象时，即判断刀盘或盾体上方出现空洞，通过盾体径向直孔（最临近12 点位的两个径向孔）进一步补充注入新型浆液，通过挤压作用可快速地实现塌方区的充填，防止沉降进一步扩大，并使已产生沉降减小，对沉降控制的效果非常理想；注浆量不小于超方量，注浆压力控制值为土仓上部的控制压力，同时监测沉降值，当沉降值不再增大并出现略减小是，停止应急填充注浆。

在盾构通过重要建构筑时，通过自动监测提供沉降数据，同时，并做好渣土出土时的行程管理（即每斗渣土对应的掘进管理行程），在出现沉降数据增大或超方情况时，进行应急填充注浆，并在应急填充注浆过程中同时监测沉降值，当沉降值不再增大并出现减小时，停止应急填充注浆；应急填充注浆是通过新型浆液注浆泵将台车储浆罐内的新型浆液也通过盾体刀盘最临近12点位的两个径向直孔进行盾体注浆，其注浆压力控制值为土仓上部的控制压力；注浆量按超方量进行控制，超方量为实际出渣方量减按盾构机实际管理行程计算出的理论出渣方量。

5.4 注浆注意事项

每次盾体注浆地从盾体最临近12点位的两个径向直孔注入新型浆液，每环注浆量为一环盾体与土体之间的间隙的体积，而且当监控发现沉降增大或统计发现渣土超方（实际出土量大于实际管理行程对应的渣土方量）时，可以在通过盾体径向直孔（最临近12点位的两个径向孔）进一步补充注入新型浆液，通过挤压作用可快速地实现塌方区的充填，防止沉降进一步扩大，并使已产生沉降减小，对沉降控制的效果非常理想。注浆量不小于超方量，且压力按土仓上部压力控制。

在盾构掘进过程中，可以同时采用进行盾尾同步注入水泥砂浆，还可以采用新型浆液进行盾体径向补充注浆，新型浆液具备一定的自立性能，坍落度190～210，是针对能实现有效填充注浆设计，浆液初凝时间超过24h，且固结强度极低，包裹在盾体外不会造成脱困问题，避免了因盾体外的空隙无法及时填充会出现地面沉降。

6 结论

通过实际应用可知，利用该新型组合注浆技术能有效实现重复充填，管片的壁后注浆均匀密实，注浆饱满，成功克服了盾构施工难题，全过程未发生一次险情，地面沉降控制未出现超限现象，盾构掘进完成后，隧道渗漏点极少，也大大降低了后期堵漏修补的工作量，目前，该技术已成功推广应用到类似地层施工中，且应用效果良好。