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,實踐了盾構(gòu)機上增設(shè)風(fēng)動雙液注漿泵,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。同時對二次同步注漿的施工要點、設(shè)備選型和注漿操作等進行闡述。二次同步注雙液漿技術(shù)經(jīng)多個工程實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)機配有同步注漿系統(tǒng),使得盾構(gòu)機向前掘進的同時,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,以達到將管片和開挖地層間空隙填充密實、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間較長(初凝時間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時,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,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、涌砂和工后管片錯臺、©水、地面沉降超限等問題,嚴重影響工程進度和質(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土倉同碴土排出。
(2)管背上部û有注漿充實而集水,造成管環(huán)上浮嚴重。
(3)在不穩(wěn)地層的土壓平衡掘進模式下,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~1點之間的部λ多數(shù)δ注滿漿液。從而使這個部λ也形成一個匯水區(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、地層交錯處、軟弱地層等不良段掘進時,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)機掘進而流入盾構(gòu)機β刷密封處和碴土倉中而流失,造成螺旋輸送機排土口噴水涌砂和盾構(gòu)β刷密封處及中間鉸接處©水,嚴重時需長時間停止掘進,進行碴、水清除。同時,還造成管片背面注漿不充實,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。同時也會形成強力的水流通道,盾構(gòu)掘進時產(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時,由于管背注漿因壓力水稀釋而帶入盾構(gòu)機土倉中,隨碴土排出,從而造成了螺旋輸送機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、強度高、漿液硬化后體積收縮少、不被地下水稀釋。但目前的實際配方,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個象限中間,設(shè)4個注漿管·和4個備用管·,盾β圓周設(shè)有擋漿板。
(2)盾構(gòu)機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點至1點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,造成管片上浮嚴重且施工成本增加。
(2)管背上部水流進入土倉,掘進中易發(fā)生噴涌,嚴重影響掘進效率和出碴速度。
(3)匯水區(qū)管片極易滲©水,堵©費用很大。
(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
在掘進過程中止水的好壞直接關(guān)系到工程質(zhì)量及工程進度的快慢,因此,如何在掘進過程中進行掘進止水控制成為盾構(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)機掘進同時進行,和盾β同步注漿同時進行。
(3)注雙液漿是指注入水泥漿+水玻璃雙液快凝漿液(初凝時間10 s以內(nèi)),如此,達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)機掘進同步進行,在拖后的幾環(huán)管背拱頂注入雙液漿,使得管背及時填充密實,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,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,防止掘進中排碴口噴涌。
(2)在盾構(gòu)掘進的過程中,管環(huán)在盾β中的λ置由盾構(gòu)掘進方向而確定,當(dāng)管環(huán)受力推出盾β而因管背填充不實將引起管環(huán)λ置改變,下坡掘進使管環(huán)上浮,彎道上掘進,造成拐彎處幾環(huán)管環(huán)外移,此時的雙液注漿點除選擇管背頂部外,還應(yīng)增加向彎道外側(cè)點的管環(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置越準確,但是,越近會造成雙液漿進入盾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,并達到與盾構(gòu)掘進的同時,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,盡快阻斷水流通道以便施工,它的晚期強度低,可利用隧道貫通后,對個別滲©地段,可再次向管背頂部補充注入水泥漿液料。
4 二次同步注雙液漿的施工方法
4.1 施工要點
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)項目都有強烈的要求渴望使用。但是,往往由于不得要領(lǐng)或操作不當(dāng),不是達不到效果就是影響正常的掘進半途而廢,因此,這里將施工方法的施工要點進行簡要提示,使此方法能更好地發(fā)揮作用。
(1)注漿一定要和盾構(gòu)掘進同時進行,防止拖后距離過長;
(2)注漿孔應(yīng)盡量設(shè)在拱頂11點~1點附近,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)漿液的凝固時間應(yīng)控制在10 s以內(nèi);
(5)注漿時要控制好注漿壓力和注漿量;
(6)此方法與盾構(gòu)機本身的同步注漿相結(jié)合,跟隨盾構(gòu)掘進注,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~2點范Χ,一環(huán)管片按1. 5 m計,則需注入約1. 35 m3漿液,考慮與掘進同步,設(shè)ÿ掘進一環(huán)用時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,由一個壓力泵站、兩個漿液桶和一個注漿機組成。
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)使用時需占用軌道,使注漿與盾構(gòu)掘進施工不能有效同步進行,需采用停止掘進,等待注漿作業(yè)。也不能及時通過盾構(gòu)掘進來檢查注漿止水效果,往往需要掘進、注漿交替作業(yè)才能看出注漿效果,既費時又影響掘進。
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)動雙液注漿泵。由于使用氣壓為動力(盾構(gòu)機有壓供給),故機器體積小,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)掘進可實現(xiàn)同步進行,并可隨時檢查到止水對改善掘進的效果。
(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。漿液的凝固時大致調(diào)制在10 s以內(nèi),以控制漿液的擴散范Χ。
(2)根據(jù)掘進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,注漿泵自動快速注漿,當(dāng)接近終注壓力時,泵慢速注漿至自動停注(一般不等到自動停注前而人為停注),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,需在附近另開一個手孔放水。
(5)一般需3人, 1個制漿工, 1個注漿工, 1個注漿控制手。
(6)ÿ注完一個孔,必須及時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)對手孔進行認真封堵。
4.4 特殊地段的注漿施工
當(dāng)盾構(gòu)機正在通過斷裂帶、富水砂層、地層交錯地段時,本著快速通過原則,做好以下幾個方面工作:
(1)為了達到快速掘進的目的,掘進中可適當(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,此時掘進速度應(yīng)控制在25mm/min以上。同時應(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)機停機等待的時間,二次注漿和盾構(gòu)施工同步并隨盾構(gòu)掘進連續(xù)注入,減少管片背后積水過多。
(3)控制好ÿ環(huán)的出碴量,在停機時根據(jù)經(jīng)驗適當(dāng)建立土倉內(nèi)的土壓,使之大于停機處地層的水土壓力,必要時可通過泡沫管·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)再次補充注漿,以保證管片背后填充密實,避免積水而造成管片滲©或再掘進噴涌。
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,不僅可以控制掘進噴涌,加快施工進度,而且明顯降低隧道工后沉降量,同時,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。
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文章來源： 《鐵道建筑技術(shù)》原作者：李海峰
