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第1期 施工技术论文集-轨道交通 总师办
利用地铁盾构掘削土的同步注浆技术探讨
摘要 本文介绍利用地铁盾构掘削土进行同步注浆材料研究，解决和减少地铁盾构外运弃土量和对周围
环境的污染，降低工程造价。
关键词 外运弃土，注桨材料，浆液性能研究，设备
摘自：盾构法隧道施工应用技术文集
1 概述
泥土是利用价值非常高的注浆材料，市政工程中常用作地基处理、道路垫层、隧道道床、道路路体（路基）、河堤、高规格堤防和土地改造等方面的市政建设，然而用作盾构同步注浆材料，在国内外尚为空白。、针对这一现状，本着节约工程造价，减少地铁盾构外运弃土量和对周围环境的污染，增我公司的技术储备，2005 年隧道股份立项进行“利用地铁盾构掘削土同步注浆研究”课题研究。
目前国内外盾构同步注浆浆液主要采用以下几种同步注浆浆液材料配方（见表1）
表1 不同同步注浆浆液材料配方
注浆浆液类型
浆液主要成分
双液浆
① 水泥、膨润土、稳定剂、水玻璃、水
② 水泥、膨润土、稳定剂、增稠剂固化剂、水
单液浆
惰性浆液
粉煤灰、膨润土、细砂、水
硬性浆液
① 水泥、粉煤灰、膨润土、细砂、外加剂、水
② 水泥、膨润土、细砂、外加剂、
③ 生石灰、粉煤灰、膨润土、砂、外加剂、水
从表1 可见，无论采用何种浆液材料进行同步注浆施工，原材料均需购买，特别是粉煤灰和膨润土，由于市政建设的蓬勃发展，其市场供应日趋紧张，同时注浆对其细度和有效氧化钙含量（等级）要求较高，因此其价格一路上涨。
利用地铁盾构掘削弃土同步注浆，可节约部分注浆材料费，降低了施工成本，还可减少弃土对环境的污染。因此，研究“用盾构掘削弃土进行同步注浆”具有客观的经济效益和深远的社会意义。
2 研究内容
2.1液性能指标浆
根据同步注浆的作用，对注人的浆液性能和指标的要求（见下表2）。
表2 汞液性能和指标要求
汞液性能
浆液指标
l）浆液充填性好，能迅速地充填盾尾空隙，并不流窜到盾尾以外的其他地域
2）浆液流动性好、离析少
3）浆液注人时应具备不受地下水稀释的特性
4）浆液材料分离少，以便能长距离压送
5）原材料无公害、价格便宜
1）浆液结实体强度）原状土强度
2）浆液硬化后渗透系数与原状土相当
3）浆液结实体具有抗展动液化能力
4）新拌浆液稠度值控制在10.5～12.0cm
5）浆液泌水率≤15mL/ 0.5MPa / 7.5min
6）浆液比重控制在1.7 左右
7）浆液初凝值控制≥24h
本课题研究的浆液材料来源于盾构施工弃土，因此根据原状土的黏附性、受扰动后原有的强度遭到破坏等情况，须以提高土体拌浆分散能力、提高浆液结实体强度等为目的，进行注浆浆液配合比试验。
（1）同步主浆浆液结实提抗压强度指标的设计
根据我公司以往在上海盾构施工实例，主要穿越土层为黏土、淤泥质黏土、粉土、黏质黏土、黏质粉土和粉砂等（表3）。
表3 上海地铁盾构主要穿越地层地质报告
层号
② l
② 2
② 3 -l
② -2
③ 2
③ 3
④
⑤ 1
土层名称
褐黄色粉质黏土
灰黄色淤泥质黏土
灰色黏质分土
灰色砂质粉土
灰色黏质粉土
灰色淤泥质粉质黏土
灰色淤泥质黏土
灰色黏土
平均抗压强度／kPa
92
54
54
60
33
35
37
39
表3显示，土层的平均抗压强度为33～92kPa ，因此浆液结实体的早期强度达到100kPa 即对控制管片的稳定起到一定的作用。
（2） 减弱掘削土黏滞性
浆液搅拌均匀、无结块，对浆液的性能指标和结实体强度的提高至关重要。由于黏土的黏滞性和附着力强的特性，本项研究目的是提高利用盾构掘削土，比较机械搅拌、机械搅拌与化学作用相结合的情况下黏土浆液的状况
1）不同水量与1500g黏土搅拌稀释对浆液稠度值影响（见下表4）。
表4 不不同含水量对浆液稠度值影响
浆液含水率／%
39
49
52.5
56
59
62.5
66
69
72.5
黏土浆液稠度值／cm
2.5
5.2
6.8
8.2
9.1
10.6
11.5
13.1
14.5
黏土浆液稠度值／cm
2.8
6.1
7.8
9.9
11.2
13.2
15.0
—
—
注：黏土和黏质粉土原有的含水量为39%
搅拌时灰色淤泥质黏土存在较黏稠、黏附于搅拌叶片、浆液中有块状物的现象，需增加水量并在搅拌间隙人工铲除搅拌叶片黏附土，与黏土浆液相比黏质粉土浆液以上特征性表现略好。
2）同一含水量浆液，减黏剂对稠度值的影响
用1500g黏土与200g水混合，测试在不同外加减黏剂掺量下的浆液稠度值的变化规律，确定减黏剂的最佳浓度（表5）。
表5 不同减粘剂含量对浆液稠度的影响
减黏剂浓度／﹪
0.0
0.6
1.2
1.8
2.4
3.0
3.6
4.2
4.8
5.4
黏土浆液稠度值／cm
5.2
9.9
10.4
10.7
11.0
11.4
11.5
11.9
11.5
11.6
粉土浆液稠度值／cm
6.1
11.0
12.2
12.6
13.0
13.3
12.8
12.8
12.6
12.5
注：黏土和黏质粉土原有的含水量为39% ，浆液含水率为52.3％。
搅拌时不存在土黏附于搅拌叶片、浆液中有未搅开的块状物的现象，搅拌需水量只有不加减黏剂的1/3～1/2可达到浆液泵送性能指标，无需在搅拌间隙人工铲除黏附土，浆液均匀。
由试验数据可得：黏土中减黏剂掺量为1.2%～3.6%和粉土中减黏剂掺量在0.6%～1.2%时，汞液参量加减黏剂前后状况见图1。
（3） 浆液配合比室内试验
在节约浆液成本的基础上，浆液配合比
原材料见表6。
表6 浆液配比原材料选择
编号
掘削弃土
水
水泥
消石灰
石膏
砂
矿渣
减黏剂
早强剂
1
√
√
√
√
√
2
√
√
√
√
√
3
√
√
√
√
√
√
4
√
√
√
√
√
√
5
√
√
√
√
√
6
√
√
√
√
√
√
7
√
√
√
√
√
8
√
√
√
√
√
√
注：掘削弃土选用上海轨道交通隧道区间盾构推进的④2 灰色黏质粉土，含水率39 % ，④ 灰色淤泥质黏土，含水率39 ％。
根据表6 的浆液室内参数试验数据见表7。
总结表7的试验数据，汞液结实体在不同水灰比的情况下的变化规律，可得结论：
1）浆液结实体强度均匀大于原来土强度。
2）根据以上试验数据和相关的机理分析，掺加水泥或掺加水泥与消石灰（石膏）组合的汞液在汞液的比重和结实体强度增长过慢。因此根据地铁盾构同步注浆的实际情况和特殊要求，掺和水泥的挖掘土同步注浆浆液更适应与地铁盾构施工，对隧道管片的早期稳定沉降有利。
3）外加黏土减黏剂可减小浆液水灰比，并可减少黏土的黏聚力，降低了黏土对搅拌设备的黏附力，有效控制浆液稠度值的衰减速度，提高了浆液工作度、分散能力和结实体强度。
4）矿渣对浆液结实的后起强度的增加比砂显著。
5）由于水泥浆液结实体的早期强度增长缓慢，早强剂的加入，可提高结实体的早期强度增长缓慢，早强剂的加入，可提高结实体的早期强度，对隧道管片的早期稳定有利。
2.2 取土、搅拌、、注浆设备研究
设备研究改造方案见表8。
表8 设备改造方案
拌浆位置
方案设备
缺点
方案一
车架上拌浆
直接用原来一号加上的储浆筒拌浆，改造拌浆液片，增加搅拌轴的扭柜，提高叶片搅拌能力。皮带运输及出口只需改装成具有送土车切换功能的卸料口。能充分利用原有的设备，改装费用少。
原储浆筒周围可利用空间少，操作人员没有位置观察浆液质量，没有场地堆料和备用储浆槽
方案二
车架上拌浆与地面拌浆相结合
在原有4号设备车架后增加一节，该车架上配置带有高位槽的强力拌浆桶，并留有操作人员的观察和取样位置，操作空间大，浆液质量可可控制。在电器车架最后增加一节车架，最为搅浆材料堆放场地使用
需增加延伸皮带运输机、增加车架强、强力拌浆机、高位槽等设备的费用
方案三
地面掘拌
有更多的空间进行设备的改造和材料堆放，只需改造地面拌浆桶、注浆设备
弃土入搅拌桶存在难度
结论
方案二最易于操作和可行
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