富水泥岩地层盾构同步注浆配比优化与试验研究

牟 万 新

(中铁十四局集团隧道工程有限公司,山东 济南 250000)

1 概述

随着我国地下空间工程的快速发展，盾构法作为一种快速、安全的施工方法广泛应用于城市地铁隧道建设中[1]。一般盾构隧道施工引起的地表沉降主要表现为先期下沉、挖掘面下沉、通过时下沉、盾尾空隙处下沉和后续下沉[2,3]，其中盾尾空隙下沉占总过程沉降量最大，为了能够及时填充盾尾空隙，在盾构向前掘进的同时，需要保持一定的压力不间断地从盾尾向壁后施作同步注浆。同步注浆的作用过程分为液相流动、固相凝结、结石体填充三个过程。为满足上述过程，浆液需要满足以下和易性、稳定性、耐久性等要求。

目前国内外学者针对同步注浆开展了大量研究。Youn等[4]通过室内试验测试了不同成分的浆液的排水固结过程，模拟盾尾间隙为20 cm时的浆液的单向固结。刘健等[5]通过水泥浆黏度时变性试验，得到不同水灰比的水泥浆液(宾汉姆流体)黏度随注浆时间变化的曲线。贺雄飞[6]系统地研究各同步注浆材料对单液活性浆液性能的影响规律。吴全立[7]根据室内试验结果设计了同步注浆材料与合理的浆液配合比，取得了良好的经济效益。

长春地铁2号线西沿线盾构工程主要下穿风化泥岩地层，区间地下水丰富，盾构始发后下穿高压线塔、石油管线等多个风险源。施工过程中，同步注浆浆液在贮存和长距离输送时出现分层、离析、泌水等问题。针对同步注浆存在的问题，依托实际工程对浆液配比进行优化，通过室内试验研发了同步注浆专用充填剂，通过现场应用验证了充填剂的塑化效果，保证了盾构隧道的顺利安全掘进。

2 工程概况

长春市地铁2号线西延线盾构工程西湖站—捷达大路站区间，盾构区间右线长831.7 m，左线长842.6 m，其中西捷区间隧道剖面如图1所示。工程采用两台直径6.28 m的土压平衡盾构进行施工，管片外径6.0 m，厚0.3 m。西捷区间平面图如图2所示，西湖站—捷达大路站盾构区间下穿多个风险源，需要及时进行地表监测，下穿过程中需要保证注浆效果，严格控制地层沉降。

3 室内试验

3.1 试验目的

为解决长春地铁2号线西沿线盾构区间工程现场同步注浆单液浆运输过程中的凝结时间长、留存率低、离析及堵管问题，对导致该现象的原因进行了分析，研发能够改良浆液性质且不影响其强度和填充效果的同步注浆专用充填剂。通过室内试验测定充填剂取不同掺量时浆液的泌水率、凝结时间以及其他参数，确定新型同步注浆专用充填剂最优掺量，解决现场同步注浆问题。

3.2 试验材料

现场同步注浆浆液存在泌水大、凝结时间长、堵管等问题，其配比如表1所示，试验室对其配比进行了改进，并添加少量外加剂，试验配比如表2所示。所研发的同步注浆专用充填剂掺量技术参数如表3所示。

表1 同步注浆工程初始配比

表2 同步注浆试验配比

表3 同步注浆专用充填剂技术参数

3.3 泌水率试验

同步注浆浆液的泌水率(也称倾析率)为静置浆液上方泌水体积与浆液初始体积之比，反映了浆液离析、分层、泌水的程度，一般同步注浆浆液泌水率要小于5%。泌水率计算公式为：

(1)

其中，η为每次测量时浆液泌水率,%；Vw为浆液上覆泌水体积,mL；V0为浆液初始体积,mL。

为研究同步注浆专用充填剂泌水效果并确定最优掺量，取不同掺量充填剂进行试验，3 h泌水率作为浆液的最终泌水率，各组浆液泌水率随时间变化曲线如图3所示。

通过分析图3，同步注浆最终泌水率(3 h泌水率)随充填剂掺量变化曲线中5%为泌水率上限值，泌水一旦超过此值，则浆液输送困难无法满足现场要求，3.5%为性能较好浆液的泌水率限值，低于此值浆液泌水抑制效果极好，可适用于长距离输送。因此需要充填剂掺量达到1.0%以上，且1.4%掺量时最优。

3.4 浆液流动性试验

同步注浆浆液的流动性可通过稠度试验进行测试，能够一定程度反映其泵送性能，如图4所示，稠度不仅反映泵送性质还能表征浆液的前期抗沉陷能力。通过稠度仪测得砂浆随着同步注浆专用充填剂掺量提高稠度变化曲线如图5所示。

通过分析图5浆液稠度随充填剂掺量变化曲线可以看出，少量的同步注浆专用充填剂就能够很明显地增大浆液稠度，加入0.4%时浆液锥入度由12.6 cm减小到11.2 cm，但随着充填剂掺量的提高，浆液稠度并没有单调增加，而是有上下波动，基本维持在10 cm～10.7 cm之间。综合3.3节的泌水率结果，充填剂掺量在1.0%～1.2%时各项指标效果较好。

3.5 浆液初凝时间试验

浆液的初凝时间决定了浆液的可泵性和可操作性，为测试加入充填剂之后浆液的凝结时间，开展了凝结时间测定试验，如图6所示。

贯入阻力为0.5 MPa时的对应时间即为同步注浆浆液的初凝时间，通过图7可以看出，为加充填剂时浆液初凝时间为270 min左右，充填剂掺量为0.4%时，浆液初凝时间为253 min，当充填剂掺量提高至1.0%时，浆液初凝时间为210 min左右。充填剂掺量提高能够缩短浆液的初凝时间，加快浆液固化，保证浆液填充壁后能够快速凝结，加固地层。

3.6 浆液单轴抗压强度试验

为研究不同充填剂添加比例对浆液固结体强度的影响规律，采用NYL-300C型压力试验机，对标准养护条件下的试块进行了不同龄期的无侧单轴抗压强度试验，抗压强度值取3个试块的平均值，试验结果见表4。

表4 同步注浆浆液凝结时间和强度

通过同步注浆试块的单轴抗压强度试验结果可以看出，随着充填剂掺量的提高，浆液的1 d，7 d，28 d抗压强度均有提高，掺量为0.8%以上的28 d抗压强度达到3.45 MPa，满足不小于3 MPa的工程要求。

4 结语

根据长春地铁2号线西沿线盾构工程对同步注浆的性能要求，通过室内试验研发了高性能的同步注浆专用充填剂，对浆液配比进行优化，满足施工各项要求。

1)试验改进后的浆液配比，大大降低了水泥、粉煤灰和膨润土用量，且通过添加少量的充填剂，使浆液泌水率、流动性、凝结时间等指标均满足工程要求。

2)通过添加1.0%掺量以上的充填剂，可将泌水率控制在3.5%以下。但充填剂的过量掺加会影响浆液的流动性，当充填剂掺量要控制在1.4%以内时，浆液稠度能保持10 cm以上，使浆液能够顺利输送，防止堵管现象的发生。

3)随着充填剂掺量的提高，浆液初凝时间缩短，抗压强度提升，但不能一味提高掺量，综合考虑各项指标，将充填剂掺量控制在1.0%～1.4%之间，既能控制离析泌水又能满足塑化和强度要求。