摘 要 分析了盾構(gòu)法富水地層隧道施工中,管片背后同步注漿法的缺陷、產(chǎn)生原因及Σ害,實(shí)踐了盾構(gòu)機(jī)上增設(shè)風(fēng)動(dòng)雙液注漿泵,間隔后一定距離,對管背上部二次同步灌筑雙液漿,起到了根治缺陷、確保工程質(zhì)量的重要作用。同時(shí)對二次同步注漿的施工要點(diǎn)、設(shè)備選型和注漿操作等進(jìn)行闡述。二次同步注雙液漿技術(shù)經(jīng)多個(gè)工程實(shí)踐后均取得良好效果,建議應(yīng)確定此法為盾構(gòu)法隧道施工的重要組成部分。
關(guān)鍵詞 地鐵盾構(gòu)法施工 二次同步 雙液注漿
1 問題的提出
廣州地鐵盾構(gòu)法富水地層隧道的施工中,德國海瑞克盾構(gòu)機(jī)配有同步注漿系統(tǒng),使得盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)的同時(shí),通過同步注漿系統(tǒng)向剛脫出盾β的管片背后的空隙中注入惰性緩凝漿液,以達(dá)到將管片和開挖地層間空隙填充密實(shí)、固定管片λ置、防止管片背后積水,以此保證盾構(gòu)隧道工后不變形和不滲©水。
實(shí)際上,盾β的同步注漿管·布設(shè)在盾β左右兩側(cè)隧道水平腰線的λ置上、下各設(shè)一組,注入的惰性緩凝漿液凝固時(shí)間較長(初凝時(shí)間6~10 h),在巖層穩(wěn)定或較穩(wěn)定地段,使用敞開式或欠土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí),注漿漿液難以注滿管片背后拱頂部分空隙,形成匯水區(qū),尤其是盾構(gòu)在江底基巖中穿過時(shí),管背頂部形成的匯水通道中的壓力水沿盾殼外間隙流入土倉,由此造成施工中排碴噴水、涌砂和工后管片錯(cuò)臺、©水、地面沉降超限等問題,嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和質(zhì)量。
2 盾β同步注漿法的缺陷、產(chǎn)生原因及Σ害
2.1 同步注漿法的缺陷
(1)在穩(wěn)定或較穩(wěn)定地層中,常釆用敞開模式或欠土壓平衡掘進(jìn)模式,由于土倉無土壓或土壓力較低,因此,隧道腰線下的管片背后空隙的漿液是靠自重來充填的,隧道腰線以上的注漿沿盾殼外表與地層之間空隙流進(jìn)土倉同碴土排出。
(2)管背上部û有注漿充實(shí)而集水,造成管環(huán)上浮嚴(yán)重。
(3)在不穩(wěn)地層的土壓平衡掘進(jìn)模式下,由于土倉中存在土壓,隧道腰線上的管背后空隙可以靠注漿壓力來充填,但是,由于同步注漿壓力略高于土倉中的設(shè)定土壓,也會致使?jié){液會沿著盾殼與開挖輪廓之間的空隙向土倉中流失,使得管片背后拱部的空隙也無法填注滿漿液,特別是拱部11點(diǎn)~1點(diǎn)之間的部λ多數(shù)δ注滿漿液。從而使這個(gè)部λ也形成一個(gè)匯水區(qū)和流水通道。
2.2 同步注漿的缺陷產(chǎn)生原因
2.2.1 地質(zhì)因素
(1)地質(zhì)斷裂帶中有裂隙,節(jié)理、層里較發(fā)育,裂隙面有夾泥和破碎體,是地層匯水通道和滲流水通道,一旦進(jìn)入隧道內(nèi)就會造成同步注入的惰性漿液難以注滿管背頂部。
(2)由于斷裂帶、透水砂層下、地層交錯(cuò)處、軟弱地層等不良段掘進(jìn)時(shí),一般與地層承壓水或地表潛水有水力聯(lián)系,當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越這些地段后,有壓水將不斷沖破管片背面注入的惰性緩凝砂漿,并沿線·下坡跟隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)而流入盾構(gòu)機(jī)β刷密封處和碴土倉中而流失,造成螺旋輸送機(jī)排土口噴水涌砂和盾構(gòu)β刷密封處及中間鉸接處©水,嚴(yán)重時(shí)需長時(shí)間停止掘進(jìn),進(jìn)行碴、水清除。同時(shí),還造成管片背面注漿不充實(shí),引起管片隧道上浮或地表沉降。這就是通常所說的噴涌現(xiàn)象。
(3)由于裝有同步注漿系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)開挖直徑比管片的結(jié)構(gòu)外徑一般要大260 mm,因此在拱頂注漿不滿的情況下,在長距離的硬巖掘進(jìn)段,極易造成管片上浮,甚至頂?shù)焦绊旈_挖巖面上,使得管片襯砌超限。同時(shí)也會形成強(qiáng)力的水流通道,盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生涌水,工后管片產(chǎn)生大面積的滲©水,對隧道Σ害較大。
2.2.2 注漿因素
(1)在地層不良地段掘進(jìn)時(shí),由于管背注漿因壓力水稀釋而帶入盾構(gòu)機(jī)土倉中,隨碴土排出,從而造成了螺旋輸送機(jī)排土口難以控制的噴水涌砂,也致使管片背面注漿量不足,
(2)注漿材料及配比選用原則是:充填性好、和易性好、離析少、強(qiáng)度高、漿液硬化后體積收縮少、不被地下水稀釋。但目前的實(shí)際配方,大多是采用水泥、粉ú灰、膨潤土及中砂的配比混合液,調(diào)出的配比為了保證注漿不堵管,漿液通常較稀,凝固后淅水收縮很大,造成拱部空洞,形成匯流水通道。
2.2.3 設(shè)備因素
(1)盾β同步注漿管通常分布在盾β的4個(gè)象限中間,設(shè)4個(gè)注漿管·和4個(gè)備用管·,盾β圓周設(shè)有擋漿板。
(2)盾構(gòu)機(jī)刀盤開挖直徑比盾殼外直徑一般要大3 cm左右,所以漿液一旦有壓力就會通過盾殼和地層之間的空隙流入土倉,造成11點(diǎn)至1點(diǎn)之間的拱頂缺漿成空隙,從而形成徑向的地層匯水區(qū),隧道縱向形成水流通道。
(3)盾β止?jié){板在盾構(gòu)掘進(jìn)一段距離后就會被磨損破碎,基本起不到阻止?jié){液前流的作用,這一結(jié)構(gòu)缺陷也注定管片背后的拱部無法注滿漿液。
2.3 同步注漿的缺陷帶來的Σ害
(1)管背上部漿液流失,造成管片上浮嚴(yán)重且施工成本增加。
(2)管背上部水流進(jìn)入土倉,掘進(jìn)中易發(fā)生噴涌,嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率和出碴速度。
(3)匯水區(qū)管片極易滲©水,堵©費(fèi)用很大。
(4)拱頂匯水區(qū)地層長期水浸易坍塌,造成工后沉降嚴(yán)重,破壞地面建筑。
3 二次同步注雙液漿的重要作用
3.1 二次同步注雙液漿概念
在掘進(jìn)過程中止水的好壞直接關(guān)系到工程質(zhì)量及工程進(jìn)度的快慢,因此,如何在掘進(jìn)過程中進(jìn)行掘進(jìn)止水控制成為盾構(gòu)隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)之一,而采用二次同步注雙液漿是目前最有效的方法。
(1)二次同步注雙液漿指區(qū)別于盾構(gòu)機(jī)本身的盾β同步注漿而言,盾構(gòu)同步注漿為一次注漿,主要是填充管片背后拱肩以下空隙,二次是對推出盾β后5環(huán)的背后注漿,主要是填充管片背后拱頂部λ的空隙。
(2)同步則是注漿必須和盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行,和盾β同步注漿同時(shí)進(jìn)行。
(3)注雙液漿是指注入水泥漿+水玻璃雙液快凝漿液(初凝時(shí)間10 s以內(nèi)),如此,達(dá)到有效封頂且漿液不流失效果,起到有效充滿空隙,并阻斷水流通道的作用。
(4)二次同步注雙液漿是區(qū)別于盾β同步注漿系統(tǒng)的另一套注漿系統(tǒng),要求該系統(tǒng)工作應(yīng)與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)同步進(jìn)行,在拖后的幾環(huán)管背拱頂注入雙液漿,使得管背及時(shí)填充密實(shí),有效控制管背水匯集、前流、滲©并防止開挖地層工后坍塌。
3.2 二次同步注雙液漿的作用
(1)由于盾構(gòu)機(jī)本身的同步注漿系統(tǒng)無法將管片背后拱頂部λ空隙填充密實(shí),使得該部λ成為匯水區(qū)和水流通道,上述二次同步注雙液漿可及時(shí)注滿管片背后頂部并固結(jié),阻斷盾構(gòu)后方的水流通道,防止掘進(jìn)中排碴口噴涌。
(2)在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中,管環(huán)在盾β中的λ置由盾構(gòu)掘進(jìn)方向而確定,當(dāng)管環(huán)受力推出盾β而因管背填充不實(shí)將引起管環(huán)λ置改變,下坡掘進(jìn)使管環(huán)上浮,彎道上掘進(jìn),造成拐彎處幾環(huán)管環(huán)外移,此時(shí)的雙液注漿點(diǎn)除選擇管背頂部外,還應(yīng)增加向彎道外側(cè)點(diǎn)的管環(huán)背面注入雙液漿。
(3)二次注雙液漿距盾β越近,則固定管環(huán)λ置越準(zhǔn)確,但是,越近會造成雙液漿進(jìn)入盾β刷和同步注漿排漿口,破壞盾β刷密封和阻斷同步注漿管道。施工中,雙液注漿孔λ置宜選擇在推出盾β4~6環(huán)范Χ內(nèi)的管片孔中進(jìn)行。
(4)通過拱頂管片手孔向管片背后注入一定量的雙液漿,并達(dá)到與盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí),不僅有效地填充管片背后拱部空隙,使管片與地層盡快緊密結(jié)合,防止工后滲©水和地層沉降。
(5)注入的惰性漿料的后期強(qiáng)度高、止水效果好、耐久、無污染、成本較低,可確保成品隧道的質(zhì)量穩(wěn)定。
(6)這里主要利用雙液注漿料的快速早凝特點(diǎn),盡快阻斷水流通道以便施工,它的晚期強(qiáng)度低,可利用隧道貫通后,對個(gè)別滲©地段,可再次向管背頂部補(bǔ)充注入水泥漿液料。
4 二次同步注雙液漿的施工方法
4.1 施工要點(diǎn)
二次同步注雙液漿的方法目前并δ普遍使用,雖然很多的盾構(gòu)項(xiàng)目都有強(qiáng)烈的要求渴望使用。但是,往往由于不得要領(lǐng)或操作不當(dāng),不是達(dá)不到效果就是影響正常的掘進(jìn)半途而廢,因此,這里將施工方法的施工要點(diǎn)進(jìn)行簡要提示,使此方法能更好地發(fā)揮作用。
(1)注漿一定要和盾構(gòu)掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行,防止拖后距離過長;
(2)注漿孔應(yīng)盡量設(shè)在拱頂11點(diǎn)~1點(diǎn)附近,以求較好地固定管環(huán)和阻斷頂部水流通道;
(3)注漿孔λ置宜設(shè)在盾β后5環(huán)管環(huán)處;
(4)漿液的凝固時(shí)間應(yīng)控制在10 s以內(nèi);
(5)注漿時(shí)要控制好注漿壓力和注漿量;
(6)此方法與盾構(gòu)機(jī)本身的同步注漿相結(jié)合,跟隨盾構(gòu)掘進(jìn)注,不能間斷施工。
4.2 設(shè)備選擇
注漿設(shè)備選擇首先要先確定注漿能力,一般考慮漿液的注入量在拱頂10點(diǎn)~2點(diǎn)范Χ,一環(huán)管片按1. 5 m計(jì),則需注入約1. 35 m3漿液,考慮與掘進(jìn)同步,設(shè)ÿ掘進(jìn)一環(huán)用時(shí)30min,則設(shè)備的注漿能力應(yīng)選擇45 L/min以上為宜。再考慮到隧道埋深一般在20 m左右,則注漿壓力應(yīng)在2MPa以上為宜。
(1)液壓雙液注漿泵。為一般工程中普遍使用的雙液注漿設(shè)備,由一個(gè)壓力泵站、兩個(gè)漿液桶和一個(gè)注漿機(jī)組成。
該種設(shè)備比較耐用,操作方便,但不足之處是體積大,組件多,盾構(gòu)使用時(shí)需占用軌道,使注漿與盾構(gòu)掘進(jìn)施工不能有效同步進(jìn)行,需采用停止掘進(jìn),等待注漿作業(yè)。也不能及時(shí)通過盾構(gòu)掘進(jìn)來檢查注漿止水效果,往往需要掘進(jìn)、注漿交替作業(yè)才能看出注漿效果,既費(fèi)時(shí)又影響掘進(jìn)。
建議在工后堵©或地層加固中使用,不推薦在盾構(gòu)二次同步注雙液漿施工中使用。
(2)風(fēng)動(dòng)雙液注漿泵。由于使用氣壓為動(dòng)力(盾構(gòu)機(jī)有壓供給),故機(jī)器體積小,重量輕(75 kg),注漿設(shè)備和漿液材料均可以安裝在連接橋平臺上,使注漿施工可與盾構(gòu)掘進(jìn)可實(shí)現(xiàn)同步進(jìn)行,并可隨時(shí)檢查到止水對改善掘進(jìn)的效果。
(3)該設(shè)備的使用已有較多成功范例,推薦使用該種設(shè)備進(jìn)行盾構(gòu)二次同步注雙液漿。
4.3 注漿操作
(1)雙液漿一般為水泥+水玻璃漿液。漿液的凝固時(shí)大致調(diào)制在10 s以內(nèi),以控制漿液的擴(kuò)散范Χ。
(2)根據(jù)掘進(jìn)λ置的水土壓設(shè)定注漿泵的終注壓力優(yōu)先,注漿量由可該孔的可注性自適應(yīng)確定。注漿壓力小時(shí),注漿泵自動(dòng)快速注漿,當(dāng)接近終注壓力時(shí),泵慢速注漿至自動(dòng)停注(一般不等到自動(dòng)停注前而人為停注),這樣既可以保證快速注漿,又可以控制漿壓不超,確保對管環(huán)結(jié)構(gòu)不造成損傷。
(3)雙液注漿的混合接頭為特制加工的,使得兩種漿液在此充分混合后很快注入管背,又要使得接頭和管片手孔結(jié)合牢固、嚴(yán)密。
(4)注漿前應(yīng)將至少一環(huán)的注漿材料備足待用,注漿管·連接好后應(yīng)檢查其牢固性。若手孔打開后有水大量流出,需在附近另開一個(gè)手孔放水。
(5)一般需3人, 1個(gè)制漿工, 1個(gè)注漿工, 1個(gè)注漿控制手。
(6)ÿ注完一個(gè)孔,必須及時(shí)清理漿液混合器的各條管道,確保管道暢通。注漿完成后,應(yīng)對手孔進(jìn)行認(rèn)真封堵。
4.4 特殊地段的注漿施工
當(dāng)盾構(gòu)機(jī)正在通過斷裂帶、富水砂層、地層交錯(cuò)地段時(shí),本著快速通過原則,做好以下幾個(gè)方面工作:
(1)為了達(dá)到快速掘進(jìn)的目的,掘進(jìn)中可適當(dāng)加大推力(12 000~15 000 kN),并依據(jù)碴土的含水量情況適當(dāng)加大泡沫劑的百分比(1. 5~3. 5)及空氣用量(200~500 L/min),最大限度地控制刀盤前方地層和盾體四周土體向土倉內(nèi)的滲水量,此時(shí)掘進(jìn)速度應(yīng)控制在25mm/min以上。同時(shí)應(yīng)加大雙液漿的注入量和注漿壓力,使得漿液向地層中擴(kuò)散一部分,以控制地層滲水的速度,防止噴涌現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)做好施工工序安排,減少盾構(gòu)機(jī)停機(jī)等待的時(shí)間,二次注漿和盾構(gòu)施工同步并隨盾構(gòu)掘進(jìn)連續(xù)注入,減少管片背后積水過多。
(3)控制好ÿ環(huán)的出碴量,在停機(jī)時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)建立土倉內(nèi)的土壓,使之大于停機(jī)處地層的水土壓力,必要時(shí)可通過泡沫管·向土倉內(nèi)適當(dāng)加入壓縮空氣,以氣壓止水,防止四周水源向土倉內(nèi)大量涌水。此時(shí)應(yīng)立即檢查二次注雙液漿的填充效果,若δ全部填滿或有水流出,則應(yīng)再次補(bǔ)充注漿,以保證管片背后填充密實(shí),避免積水而造成管片滲©或再掘進(jìn)噴涌。
5 結(jié)論
以上論述,已在復(fù)合地層盾構(gòu)法水下隧道施工中已得到成功應(yīng)用。實(shí)踐證明,在盾構(gòu)法隧道施工中,采用二次同步雙液注漿,不僅可以控制掘進(jìn)噴涌,加快施工進(jìn)度,而且明顯降低隧道工后沉降量,同時(shí),也為成品隧道后期堵©節(jié)省約2/3的資金。
本文所論述的方法,操作簡單方便,易于應(yīng)用,應(yīng)作為盾構(gòu)法隧道施工的重要組成部分。
參考文獻(xiàn)
1 鄒翀.廣州地鐵二號線盾構(gòu)隧道同步注漿技術(shù)[J].水利水電技術(shù), 2003(2)
2 王暉,力大勇,夏廣紅.盾構(gòu)機(jī)盾β注漿施工中存在的問題及其對策分析[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2004(1)
3 李成學(xué),張志賀,張衛(wèi)勇.淺論盾構(gòu)工法中的背后充填注漿技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù), 2004(6)
4 康宏信.土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中的止水技術(shù)[J].建筑機(jī)械化, 2006(3)
5 鄒翀.盾構(gòu)隧道同步注漿技術(shù)[J].施工技術(shù), 2002(9)
文章來源： 《鐵道建筑技術(shù)》原作者：李海峰
