中风化富水地层盾构壁后注浆控制技术分析.pdf

安徽建筑中图分类号：U455.43文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0137-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0511引言为便于盾构推进和管片拼装，盾构机刀盘直径大于隧道的设计直径，导致隧道成形后，围岩和隧道之间会存在一圈宽度为 120140mm 左右的环状间隙。若不将该间隙及时填充，隧道围岩将会因应力释放产生变形，变形量大小主要受围岩性质决定。当围岩类型为砂土、粉砂土或岩石破碎带等一些松软不稳定地层时，极易发生地表沉降或坍塌，进而对临近的建、构筑物产生破坏性影响；当围岩类型是完整性较好、稳定性较强的岩层时，短时间内虽不会产生围岩变形沉降，但是一旦局部岩体有破裂，地下水顺势侵入盾构间隙，对拼装完成的隧道产生极大的向上浮力，该浮力可达隧道自重的24倍，导致隧道上浮，从而产生管片错台、裂缝、渗漏水等各种质量问题1-3。因此，及时对盾构间隙进行完整填充具有重要意义。壁后注浆是指盾构向前推进，向盾构间隙中填充固结浆液的工序。按照注浆时间的不同和目的的不同，壁后注浆又可以分为“同步注浆”与“二（多）次注浆”。同步注浆是通过设备自带的配套注浆系统，通过盾尾注浆管自动进行壁后注浆，注浆与掘进同步进行，可起到支撑围岩、降低地表沉降的作用，同步注浆浆液一般以水泥单液浆为主，二（多）次注浆是为弥补同步注浆的不足进行的补强注浆工序，二（多）次注浆是通过设置在管环中部的注浆孔且迟滞于盾尾56环的注浆，一般以双液浆为主。同步注浆与二（多）次注浆共同构成了盾构隧道的保护圈，施工中应特别注意。2工程概况合肥市轨道交通5号线三孝口站阜南路站北一环路站区间左线长1456.998m，右线长 1453.899m，区间最小曲线半径为 600m，线间距 126m。其中三孝口站阜南路站区间顶部埋深16.621.6m，纵坡为单行坡，最大纵坡25；阜南路站北一环路站区间顶部埋深 20.3131.28m，纵坡为“V”字坡，最大纵坡25.5。线路穿越主要地层为强中风化砂岩，最大天然单轴抗压强度为31.08MPa，岩体局部节理、裂隙发育，破碎区域水量富集、渗透性较好，且具有一定承压性。计划采用2台辽宁三三工业生产的T6280型土压平衡复合式盾构机，盾构从三孝口站始发，途径阜南路站，最后至北一环路站出井接收，如图1所示。图1区间盾构总体部署图盾构影响范围内的建（构）筑物有安徽省博物馆、合肥第四中学、市武警总队宿舍、蒙城路下立交以及跨南淝河蒙城路桥。上述建（构）筑物年代较早，尤其蒙城路桥建成通车已近 30 年，该桥为96m 长中承式悬索拱桥，桥面宽 3543m，桥体结构病害较为严重，主要为上部结构裂缝，桥面铺装裂缝渗水，桥面板钢筋锈胀；下部结构裂缝，最大缝宽达到 0.45mm 且存在扩展趋势。为最大程度降低盾构带来的影响，施工中务必做好地层的变形控制。3同步注浆施工控制技术3.1同步注浆技术原理同步注浆在盾构掘进的同时，采用注浆泵把浆液注入盾尾管片环状间隙，起到固结管片位置、减小围岩沉降的作用。常用的土压平衡式盾构机一般在盾尾两侧拱肩、拱腰位置各有一对共计 4路同步注浆管道。本工程同步注浆系统为盾构机配套设备，使用的注浆泵为德国Schwing型注浆泵。浆液采用商混浆液，进场检测合格后，运送至现场砂浆储存罐内备用，如图2所示。图2同步注浆示意图3.2同步注浆技术参数3.2.1同步注浆压力的设定注浆压力必须克服地下水土压力、管道摩擦力以及已注入浆体阻力等才能将浆液完全送到盾构间隙，达到填充作用。首先注浆压力不能超过盾尾密封抵抗水土压力的能力，否则盾尾密封被击穿导致密封失效，新出厂盾尾密封抗压通常为0.5MPa，考虑到盾构推进过程中密封磨损影响抗压能力，因此同步注浆压力不宜高于 0.4MPa4-7；其次注浆压中风化富水地层盾构壁后注浆控制技术分析丁飞1,张鲁鲁1，徐珊1，祝磊2，刘金龙2（1.中煤第三建设(集团)有限责任公司，安徽合肥230031;2.合肥学院 城市建设与交通学院，安徽合肥230601）摘要：盾构掘进过程中，当管片脱出盾尾后，在隧道围岩和管片之间形成一圈厚度为120140mm左右的环状间隙，若不及时填充间隙，地表极易发生沉降或坍塌，对临近的建、构筑物产生破坏性影响。通过管片壁后注浆及时对盾尾间隙压浆填充，使管片与围岩之间的环形间隙尽早建立注浆支撑体系，防止围岩坍塌与地下水流造成地层损失，有效控制沉降。同时，注浆体的固结强度提高了盾构管片的稳定性，使管片与地下水环境隔离减少侵蚀，减少管片渗漏水等质量问题。文章以合肥地铁5号线三孝口站阜南路站北一环路站盾构区间为依托，深入阐述了中风化富水地层中地铁盾构壁后注浆工艺原理、浆液配比，以及注浆技术参数等，为同类型工程施工参考借鉴。关键词：盾构掘进；壁后注浆；中风化富水地层；注浆作者简介：丁飞（1985-），男，安徽合肥人，毕业于皖西学院土木工程专业,本科,高级工程师。专业方向：市政工程。基金项目：合肥市城乡建设局2022年度建设科学技术计划项目“富水地层地铁盾构管片上浮机理及处治技术研究”岩土工程与地基基础137安徽建筑力不能高于土仓压力，否则会导致浆液沿盾壳与围岩间隙溜窜至土仓，然后随着螺旋机排出，导致浆液浪费。一般情况下，盾尾拱肩两侧注浆管压力可高于土仓压力 0.050.15MPa，拱腰两侧注浆 管 压 力 可 高 于 土 仓 压 力 0.150.2MPa，本工程土仓压力设定为0.110.15MPa，因此同步注浆压力宜设定为0.250.35MPa左右。基于本工程地质参数进行理论分析计算，最大注浆压力：hDCPUSJ)2(-=g（1）最小注浆压力：2)245(tan0DCDHlHpuxj-+=jg（2）理想注浆压力nJP介于最大注浆压力与最小注浆压力之间，式中n为安全系数：nDCDHlHPhDCnunJU12)245(tan2-0-+jgg）（3）考 虑 到 注 浆 管 道 阻 力 损 失：22rulldlP=D式中，=64/Re；Re 为雷诺数；为浆液流速；l为注浆管长度；d 为管道内径。故最优注浆压力为：lPPPnJJD+=取hDCDCDHlHnUu）（2-2)245(tan0gjg-+=（4）综 合 上 述 公 式：Cu=18kPa，H=18m，=0，则n=2.05,nJP=180kPa,而lPD=100200kPa，故最优注浆压力为nJP=320380kPa。现场实际注浆压力为0.250.35MPa，理论计算与实际接近。3.2.2同步注浆量注浆量是以盾构壁后间隙体积为基础并结合地层渗透、超欠挖等考虑适当的饱满系数以达到充填密实的目的。注浆量与地层性质关系较大，一般情况下充填系数为1.31.8。按盾构1环1.5m管片壁后间隙计算体积：V=（R2-r2）L=(3.142-32)1.5=4m3（5）式 中，R为 盾 构 开 挖 半 径，取 值3.14；r为管片外径，取值3m；L为管片环宽，取值1.5m。充填系数取1.5，则每环壁后注浆量为：1.54=6m3。3.2.3同步浆液配比同步浆液应根据隧道地质条件，选择不易离析、流动性强、结石率高、初凝时间适当的材料。本工程虽然整体岩性较好，但是局部破碎带含水量丰富且带压，会导致同步注浆浆液冲蚀难以压注密实，同时浆液凝固时间也会延长，管片长时间被未凝固的浆液包裹从而产生上浮。因此优化同步注浆配比，确保浆液的充填性好、加快浆液初凝时间是改善管片上浮的关键。经过项目技术人员多次试验，采用表1同步砂浆配比，能很好地填充盾尾间隙，隔断导致浮力作用发生的流体，减少管片的上浮力。同步注浆作业时，采用“注浆压力”和“注浆量”双控指标，达到设计值95%即认定注浆合格。表1同步砂浆配比序号1水泥（kg）175粉煤灰（kg）245膨润土（kg）55砂（kg）770水（kg）3503.2.4同步浆液质量评价指标采用初凝时间、结石率、强度、稠度等指标来判断浆液质量，详见表2。表2同步浆液质量评价指标序号1234参数初凝时间结石率强度稠度指标45min6h95%，即收缩率5%1d0.2MPa，28d2.5MPa812cm4二（多）次注浆施工控制技术4.1二（多）次注浆技术原理实际工程中，由于同步注浆浆液初凝时间较长，尤其在地下水影响下，很难将管片背后拱顶范围间隙填充密实，特别是拱顶111点范围甚至产生脱空，形成一个流水通道，增加前方土仓含水量，导致螺旋机喷涌。因此需要对脱空的管片壁后进行二次或多次注浆来提高拱顶部位的注浆密实度，注浆范围扩展至拱顶102点。二（多）次注浆距离盾尾越近，固定管片位置效果越明显，但是考虑到距离过近可能击穿盾尾刷、阻断同步注浆管道，因此施工中，二（多）次注浆一般选在盾尾5环以后进行注浆。二（多）次注浆是通过设置在管片内部的吊装孔（兼注浆孔）进行，如图3所示。图3二（多）次注浆示意图4.2二（多）次注浆技术参数管片环宽1.5m，需注浆液约1.35m3，注浆能力应满足盾构掘进速度，每环掘进需0.5h，则设备的注浆能力应不低于45L/min，注浆压力2MPa，浆液凝固时间控制在15s以内。二（多）次注浆采用“水泥浆+水玻璃双液型”浆液，配比见表3所示。4.3注浆效果评价合肥地铁5号线三孝口站阜南路站北一环路站区间地质揭露，盾构穿越地层为中风化砂岩地质，且局部破碎、含水量丰富，在首先掘进的三孝口站阜南路站区间盾构时出现了严重的螺旋机喷涌、刀具磨损、管片上浮等不良工况，管片线形偏移较大。经过项目部技术人员优化注浆工艺、调整配比后，在阜南路站北一环路站区间盾构时，管片线形完全得到有效控制，根据前200环盾构实测数据，盾构高程偏差、水平偏差全部控制在50mm内，施工质量优良，如图4与图5所示。表3二（多）次注浆浆液配比序号1水玻璃35Be水灰比0.81.0稳定剂2%6%减水剂0%15%AB液体积比1:1图4阜北区间前200环盾构中心轴线偏差图5阜北区间前200环盾构高程偏差（下转第149页）岩土工程与地基基础138安徽建筑量为-0.925MPa，基本符合理论值的计算结果。结合张拉高强钢丝产生的预压力，整套加固体系预压力产生的压应变变化量与车辆荷载作用下产生的拉应变进行比较。结果见表4，前者作用下，梁底产生1.93MPa预压应力，大于测量过程中得到的车辆荷载产生的最大拉应力1.51MPa。由此可知，加固完成后，在正常交通量条件以及车辆荷载作用条件下，梁底不产生拉应力。3.3 挠度检测结果加固桥跨所在第六联为 425m 现浇空心板，21#23#号墩为固结墩，其中R-21#跨为边跨，R-22#跨与R-23#跨为中间跨；R-22#跨为加固跨，选择R-23#跨、R-21#跨为对比跨，R-23#跨上部结构构造、配筋与加固跨相同，故R-23#为标准对比跨。注意挠度数据采集时应挑选无前后其他车辆干扰（无超车、错车等情况）的数据进行分析，以保证车辆荷载一致。通过对加固跨及对比跨挠度进行比较，得到22#与23#、22#与21#跨的挠度对比曲线图。由图 12 可知，桥梁加固前，因 22#为受损跨，在施加荷载后，产生的挠度比其余两跨桥梁挠度值大，多次检测挠度数值的比值基本大于100%。桥梁加固完成后，加固跨产生的挠度接近对比跨，产生挠度平均值为23#的97.1%、21#跨的 93.2%，结构刚度有显著提高。采用体外预应力加固后，梁板压应力的储备有 所 增 加，控 制 截 面 承 载 力 明 显 提高4-5。4结论桥梁采用高强钢丝联合体外预应力束加固后，梁体受力性能有明显改善。梁体全截面承受车辆荷载的作用力在正常交通量条件以及车辆荷载条件下梁体不会产生裂缝。对桥梁进行加固后，因体外预应力束提供了额外预应力，在正常交通量条件以及车辆荷载作用条件下，梁底不产生拉应力。对桥梁进行加固后，整体刚度明显提髙，加固跨刚度已经接近其对比跨的刚度，能够满足相关设计标准的要求。通车条件下，通过施工全过程监控技术，可以在不确定预应力损失量的情况下，确保加固效果的可行性，减少因封闭交通带来的损失，降低施工难度，节约经济成本。综上所述，在通车条件下采用高强钢丝联合体外预应力组合加固方式能达到预期加固效果，可以满足原设计标准的相关要求，同时节约资金，降低了施工难度，因此在预应力连续梁桥的加固过程中可以进行推广及应用。参考文献1李捷.高强钢丝碳纤维复合体外预应力索加固连续梁桥研究D.哈尔滨工业大学,2018.2蒋伟,崔海.体外预应力加固桥梁的荷载试验评定研究J.中外公路,2017,37(02):85-88.3赵庆云,张运清,孟涛,等.基于不中断交通伴随监测的桥梁加固评价研究J.公路,2019,64(05):79-83.4王锋,雷丹,柯亮亮.体外预应力加固连续刚构桥的工程应用研究J.公路交通科技(应用技术版),2020,16(07):165-168.5梁夏莉,宋宁,周卫,等.变截面连续箱梁加固设计C.全国公路科技创新高层论坛.2002.图12加固跨与对比跨加固前后挠度对比图5结论同步注浆前应根据隧道地质条件进行浆液配比试验，选择不易离析、流动性强、结石率高、初凝速度适当的材料。不可追求操作方便、避免堵管而随意提高粉煤灰掺量，尤其当地下水充沛时，同步浆液中应设定最低水泥掺量限值。盾尾拱肩、拱腰左右两侧同步注浆管压力应分别设定。一般情况下，拱肩两侧注浆管压力可高于土仓压力0.100.15MPa，拱腰两侧注浆管压力可高于土仓压力 0.150.20MPa，最大同步注浆压力不宜高于 0.40MPa。注浆采用“注浆压力”和“注浆量”双控指标，达到设计值95%即认定注浆合格。二（多）次注浆距离盾尾越近效果越明显，但是考虑到距离过近可能击穿盾尾刷、阻断同步注浆管道，因此选在盾尾5环以后进行注浆综合效果较好。二（多）次注浆参数应与盾构掘进速度匹配，每掘进一环用时30min，设备的注浆能力应不低于45L/min，注浆压力 2MPa，浆液凝固时间控制在 15s 以内。参考文献1方江华,姜平伟,郭朋亮,等.富水砂层大断面暗挖隧道施工地层演化J.科学技术与工程,2021,21(20):8621-8628.2程乔.复合地层盾构姿态纠偏与隧道成型质量控制J.铁道建筑技术,2021,(03):117-120+127.3有智慧,李雪,霍鹏,等.城市轨道交通盾构同步注浆国内外现状及发展J.都市快轨交通,2020,33(04):72-83.4江泽礼,王江卡.岩石地层盾构施工技术研究J.施工技术,2018,47(S4):1494-1497.5杨喜,朱颖.盾构隧道下穿高铁桥梁安全影响分析J.水利与建筑工程学报,2018,16(06):212-218.6丁宇能.盾构隧道壁后注浆材料物理力学性质试验研究D.东南大学,2017.7赵军.盾构隧道同步注浆压力分布模式及地层变位研究D.深圳大学,2016.（上接第138页）交通工程研究与应用149