北京地铁盾构同步注浆及其材料的研究
[摘要]北京地铁五号线盾构试验段工程采用了城建集团自行研制的惰性浆液（已申请专利），其注浆效果非常理想，在施工中有效的控制了地表沉降。
[关键词]盾构北京地铁五号线同步注浆惰性浆液
1概况
北京地铁五号线试验段工程，采用了土压平衡式盾构机进行施工。盾构机配备了盾尾同步单液注浆系统，可在盾构掘进的同时进行壁后注浆。在盾构掘进施工中，当管片刚脱离盾尾时即可对管片外侧的建筑空隙进行填充，从而起到控制地表沉降和稳定成型隧道的作用。在施工中我们使用的浆液是自行研制的惰性浆液，此浆液通过施工中达到了很好的效果，有效地控制了地表沉降。
2盾构法施工壁后注浆技术
2.1同步注浆原理
北京地铁五号线盾构试验段工程的施工采取了同步注浆方式。其工作原理是：在盾构机推进过程中，保持一定压力（综合考虑注入量）不间断地从盾尾直接向壁后注浆，当盾构机推进结束时，停止注浆。这种方法是在环形空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式。如图2-1所示。
图2-1同步注浆原理图
2.2注浆材料和配比的选择
2.2.1注浆材料应具备的基本性能
根据北京地区的地质条件、工程特点以及现有盾构机的型式，浆液应具备以下性能：
1）具有良好的长期稳定性及流动性，并能保证适当的初凝时间，以适应盾构施工以及远距离输送的要求。
2）具有良好的充填性能。
3）在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度。
4）浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象。
5）浆液固结后体积收缩小，泌水率小。
6）原料来源丰富、经济，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求。
7）浆液无公害，价格便宜。
2.2.2. 注浆材料
为了保证壁后注浆的填充效果，施工中结合现场条件和盾构机自身注浆系统的配置，选取了两种单液浆组成以便进行对比优选：
1）以水泥、粉煤灰为主剂的常规单液浆a
成分：水泥、粉煤灰、细砂、膨润土（钠土）和水；
2）以生石灰、粉煤灰为主剂的惰性浆液b
成分：生石灰、粉煤灰、细砂、膨润土（钠土）和水。
浆液组成a以水泥作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料，浆液组成b以粉煤灰作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料。其中浆液组成b中使用的粉煤灰可以改善浆液的和易性（流动性），生石灰能增加浆液的粘度，并有一定的固结作用，膨润土用以减缓浆液的材料分离，降低泌水率，还具有一定的防渗作用。砂在两种浆液中都作为填充料。
2.2.3. 浆液配比及性能测试
在确定浆液配比时，先根据相关资料，确定了两种浆液的各种材料的基本用量，然后结合浆液站调试，每种配比生产一定方量，并对浆液性能进行相关的性能测试，从而对配比单进行筛选，保留能够生产出合格浆液的配比，以便今后用于施工。按测试配比拌制出的浆液送到试验室进行了主要性能指标的测试。根据配比单和浆液配合比试验报告中的测试数据，绘制出浆液流动度、稠度和分层度随时间变化的对比曲线。
由图2-2中可知，水泥浆液（配比1、2、3）的流动性略优于惰性浆液（配比4、5、6、7、8）。但两类浆液随时间的变化趋势略有不同，水泥浆液的流动性随时间推移下降幅度较大，而惰性浆液的流动性保持平稳。
图2-2流动度—时间曲线图
同样由图2-3、图2-4可以看出，浆液的稠度和分层度也具有类似的规律。
图2-3分层度—时间曲线图
图2-4稠度—时间曲线图
根据测试结果还可得知，与水泥浆液相比，以生石灰、粉煤灰为主剂的浆液的凝结时间较长，在10～12小时左右。考虑到盾构掘进过程中一些不可避免的停机（如管片拼装、连接电缆、风管安装、机器维护保养、盾构机临时停机、电路故障等），若浆液的初凝时间较短，则增加了停机期间发生堵管的可能性，增加额外的清洗工作，并影响盾构的继续掘进。因此，浆液合理的初凝时间应与盾构掘进施工一个工班的时间接近，这样可以在每班结束时再安排浆液输送管路的清理工作，既不影响盾构连续施工，又保证能及时清理管路，避免堵管现象的发生，选用惰性浆液更为可靠。
惰性浆液在主要成分加量不变的情况下，只需调节添加剂的加量就能有效地控制、调节浆液的性能。在施工过程中，可以比较方便地对浆液的性能进行调整，以适应不同地层、不同掘进进度对浆液性能的要求，见图2-5、图2-6、图2-7。
图2-5石灰配比强度—时间曲线图
图2-6水泥配比强度—时间曲线图
图2-7稠度、流动度—外加剂加量曲线图
通过上面的分析比较，试验段施工最终选定采用以生石灰、粉煤灰为主料的惰性单液浆作为盾构施工壁后注浆的材料。
2.3注浆工艺参数的确定
2.3.1注浆量的计算
壁后注浆量Q，通常可按下式估算：Q=Vα
式中，V为理论空隙量，α为注入率。
北京地铁五号线试验段采用的土压平衡盾构机刀盘直径6.20m，而预制钢筋混凝土管片外径为6.0m，则理论上每掘进一环，盾构掘削土体形成的空间与管片外壁之间的空隙的理论体积为：V=0.25×π×（6.22-62）×1.2=2.298m3。
注入率α的主要影响因素包括注入压力决定的压密系数α1、土质系数α2、施工损耗系数α3和超挖系数α4。
则α=1+α1+α2+α3+α4
每环实际注浆量可根据地层和施工损耗等情况选取相应的注入率。
2.3.2注浆压力的确定
北京地铁五号线土压平衡盾构机在盾尾处设有四个浆液注入点，盾尾同步注浆的压力因浆液注入点位置的不同而不同。盾尾四个注浆点的位置和相互关系如图2-8所示（图中尺寸仅为示意）。
经计算得出盾构拱顶水土压力，管道中的压力损失在盾构机厂内组装时已测定，则A1、A4点处注浆压力理论计算值为
拱顶水土压力+管道中的压力损失
最大注入压力为
（拱顶水土压力+管道中的压力损失）×1.25
最小注入压力为
（拱顶水土压力+管道中的压力损失）×0.75
A2和A3点处注浆压力理论计算值为
拱顶水土压力+管道中的压力损失+侧压力系数×γ’×H+γ水×H
则最大注入压力为：
（拱顶水土压力+管道中的压力损失+侧压力系数×γ’×H+γ水×H)×1.25
最小注入压力为：
（拱顶水土压力+管道中的压力损失+侧压力系数×γ’×H+γ水×H）×0.75
实际操作过程中，可根据以上理论计算所得结果分别设定A1、A2、A3、A4点的注浆压力。
2.3.3注浆量和注浆压力的控制
壁后注浆的注入量受浆液向土体中的渗透、泄露损失（浆液流到注入区域之外）、小曲率半径施工、超挖、壁后注浆所用浆液的种类等多种因素的影响。虽然这些因素的影响程度目前尚在探索，但控制注入量多少的基本原则是不变的，就是要保证有足够的浆液能很好的填充管片与地层之间的空隙。
一般每环浆液注入量为3～4m3，施工中如果发现注入量持续增多时，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时，可以考虑是注入浆液的配比、注入时期、盾构推进速度过快或出现故障所致，必须认真检查采取相应的措施，一般可采取加大注浆压力或在盾构掘进后进行补浆。
注入压力要考虑不同地层的多种情况，注入压力一般是2～4bar，由于考虑在砂质或砂卵石地层中浆液的扩散，所以注入压力要比在粘土中的注入压力小一些。
北京地铁五号线试验段的地层条件复杂多变，隧道开挖面土体可分为粘土层、砂性土层、砂卵石层三种。在粘土层盾构施工过程中，浆液实际注入量2.7～3.0m3左右，约为理论计算量的104～117%，与我们预计的基本相符。而在砂、砾石层区段进行的注浆，由于浆液的渗入深度较大，在4～10cm左右，浆液固结体厚度一般在20cm以上，浆液用量相应有所增加，在3.7～4.5m3左右，为理论计算量的161～195%，略超出预计值。
在壁后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，我们采取的是以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法。
3盾构壁后注浆在生产实践中的应用
3.1注浆设备简介
3.1.1浆液站简介
为配合北京地铁五号线盾构试验段土压平衡盾构机掘进施工，我公司从国外引进了浆液搅拌及泵送系统（图3-1）。该系统由搅拌和泵送两大部分组成，其中搅拌系统、泵送系统由德国引进，储料罐等钢结构件由国内配套加工制作。搅拌系统的连续生产能力可达到10m3/h，泵送系统的最长水平泵送距离可达到1km，可以满足盾构施工对浆液生产和输送的要求。
搅拌系统由砂料储料、计量及上料装置，3种各自独立的干粉料的储料、计量及上料装置，水和一种液体添加剂的储料、计量及上料装置，还有搅拌机和控制室等组成。该系统的最大优点是采用了连续式计量装置，可以实现连续生产；控制系统采用了可靠性较高的PLC控制系统，可以实现自动、手动两种功能，并具有自动采集、存储、打印数据的功能。此外，在两种采用散装罐车加料的储料罐上安装了除尘装置，具有较好的环保性能。
泵送系统由动力包、搅拌罐和柱塞泵等组成，该系统采用的是液压驱动，具有体积小、可靠性高的优点。泵送系统可以单独控制，也可以在搅拌站控制室进行联动控制。
3.1.2盾尾注浆系统简介
盾尾同步注浆系统，包括储浆罐、注浆泵和控制面板三部分。储浆罐容积为5m3，可容纳盾构掘进1环注浆所需的浆液。浆罐带有搅拌轴和叶片，注浆过程中可以对浆液不停的搅拌，保证浆液的流动性，减少材料分离现象。配套设置的2台注浆泵，可以同时对4个加注口实施同步注浆。该套系统具有自动、手动两种功能，可以根据要求在盾构机控制室内对盾尾注浆的最大和最小压力进行设定，从而实现对注浆量的控制。由于在系统的相应部位安装了传感器和压力表，在控制面板上可显示盾尾的注浆压力、泵的工作压力及注浆泵的冲程数等参数，以方便对注浆泵的操作、控制。
3.2地铁五号线盾构试验段壁后注浆工艺
3.2.1前60m始发阶段掘进
由于现场条件的限制，此阶段盾构后配套台车位于地表，浆液由浆液站拌制好后直接通过地表管路泵入到后配套台车的注浆罐中，再经泵送至盾尾浆液注入点注入地层。盾尾注浆压力设定为3～3.5bar，采用盾尾上方A1，A4两点注入。
在此段盾构施工过程中，盾构掘进出土时进行同步注浆，以控制注浆压力为主兼顾注浆量（图3-2 ）。由于当时施工条件所限，盾构每掘进一次时只能出土一斗。土斗装满后需返回竖井口，将土斗吊出倒空再放回平板车上，开至螺旋输送机口下继续掘进下一斗土。在等待土斗的这段时间内，如果注浆压力在掘进结束时未达到要求，那么应持续注浆，直到注浆压力达到要求为止。在拼装管片时，停止注浆，以免拼装时千斤顶部分松开时注浆会造成管片移位、变形。每天在掘进当天最后一斗土时，将注浆罐中残余的砂浆放掉，由浆液站重新拌制一定方量的膨润土液打入注浆罐，在掘进最后一斗土的过程中用注浆泵泵送，这样从地表台车到盾尾的胶管内以及盾尾注浆管路内即充满了膨润土液，原管路内存留的砂浆被膨润土液挤入地层。停机后，清洗注浆罐、注浆泵，盾尾则在停机6～7小时后再用高压清洗设备清洗。通过采用这种方式注浆，避免了停机造成注浆管路和盾尾堵塞，也减少了清洗管路的工作量，保证施工能够连续进行。在此段施工过程中，一方面由于浆液泵送距离较短，另一方面采取的注浆工艺比较合理，在施工过程中基本未出现堵管现象。
3.2.2掘进60m至150m正常段施工
盾构掘进60m后，盾构后配套台车全部下入隧道，注浆泵与盾尾之间的注浆胶管缩短，但浆液站至注浆罐的浆液输送管路随盾构的推进不断延长，浆液输送阻力日渐增大，同时浆液在输送管路中停留的时间较长，浆液中砂沉积较多，堵管现象逐渐出现，经常出现在管路中的变径处。此时采取的注浆工艺和前60m相同，只是由于盾构推进进度较快，为保证施工进度，常常等不及拌制膨润土液，造成管路清洗工作量加大。100m至150m左右，浆液罐车暂时未加工完毕，仍采用管路将浆液从浆液站泵送至隧道内盾构后配套台车上的注浆罐中的方式。由于管路较长，浆液较稠，泵送阻力很大。同时由于要降低成本，将浆液配制材料中的钠土改为了钙土，在不加外加剂的条件下，拌制的浆液流动性不好，浆液易发生固液分离现象，砂沉淀较快，造成管路极易堵塞，稍不及时清理就会造成清洗极度困难，有时甚至停机10多个小时来清洗管路。此时一方面尝试添加适当的添加剂来改善钙土的性能，保证拌制出的浆液的流动性和减少浆液的材料分离，利于泵送；另一方面采取特殊的泵送方式来减少堵管。具体方法参见图3-3。
每环开始推进前，先拌制足够一环使用的砂浆打入注浆罐。当开始掘进后，随着砂浆的消耗不断向注浆罐内补充砂浆，即让浆液站基本不间断泵送浆液，保持浆液在管路中处于流动状态。这样在一环掘进结束时，注浆罐内仍还有够一环使用的砂浆。从拼装本环管片到下一环掘进结束这一段时间，浆液站不需再泵送浆液，可以用清洗球和清水进行清洗管路的工作，及时疏通浆液泵送管路，减少堵管的可能。这种方法取得了较好的使用效果，即使泵送较稠的浆液，堵管的次数也大大减少，保证了施工的连续性。
图3-3 盾构掘进60m～150m同步注浆示意图
3.2.3掘进150m以后的施工
盾构掘进150m以后，浆液罐车加工完毕运至现场投入使用，基本解决了堵管问题，施工进度得到保障。此时盾构机逐渐进入砂层，我们对浆液配比进行了一定的调整，以保证注入的砂浆既能充分充填管片与地层之间的空隙，又不至于流失太大。这一段时间内有时会在注浆泵与注浆胶管之间的变径处出现轻微堵塞。由于此段为24小时不间断施工，停机时间很少，基本不再采用最后注入膨润土的方式，只是进行正常的清洗，盾尾在周末停机后再用高压清洗机清洗，参见图3-4。
图3-4盾构掘进150m后同步注浆示意图
3.3注浆质量控制
3.3.1浆液搅拌
制浆时的注意事项：
1）对于制浆材料要把好质量关，选用供货质量稳定的供货商。拌制浆液时，不能投入固结的生石灰和膨润土，砂料应是粒径2～4mm的细砂，含泥量不能超过标准，不得混有杂物和大粒径石子；
2）浆液搅拌要充分，拌和要连续，不能间断；
3）定期检查计量系统，保证按配比生产浆液；
4）根据拌制的第一罐浆液的性能指标，合理调整各骨料和水的加量，保证浆液的性能最终满足要求；
5）按规定对设备进行日常维护保养，使设备经常处于良好的工作状态。冬季施工，要对浆液搅拌站的关键部位做好保温工作。
6）缩短供货周期，尽量缩短原料在施工现场的存放时间，减少材料的板结现象。如用含水量较大的细砂，应相应地调节水的加量。
3.3.2浆液运输及注入
浆液运输及注入过程中的注意事项
1）若浆液运输距离较长，直接泵送至盾构机浆液罐内容易发生堵管现象，应采用浆液罐车运输，缩短泵送距离，减少堵管现象的发生；
2）在浆液站向罐车内泵送浆液的过程中，应保证罐车在连续搅拌，防止浆液离析；浆液运送到后配台车后，应及时泵入到储浆罐中，由储浆罐继续进行搅拌；
3）罐车泵送完浆液后，及时进行清洗；
4）检查从注入孔到泵的输浆管接头的好坏；
5）注意观察注入压力、注入量；
6）定期清理注浆管及注浆孔。
4注浆效果的检测
壁后注浆的效果好坏，关键在于浆液在管片与地层间的间隙是否完全充满及浆液填充后地层沉降是否得到有效控制。施工中可以有选择地在部分管片上打检测孔，对注浆效果进行探查、检测，见图5-1。
北京地铁五号线盾构试验段工程施工中在盾构机经过北新桥车站时中采用了“先盾构掘进过站、后基坑开挖并拆除既有成型隧道”的盾构过站方式，其施工方式在国内上属首次。它的应用为后续盾构施工提供了新的思路，同时也为检验我们壁后注浆技术措施及材料的的应用效果提供了难得的机会。
在既有隧道的管片拆除施工中，从开挖出的170.8m长的隧道外部进可以看到壁后注浆凝固后形成了一圈质地非常均匀的壳体，壳体的平均厚度达到150mm以上。
在拆除范围内，拱顶部分通过的地层有粘土层和砂土层，下部为砂土层及卵砾石层。通过观察可以看出，沿隧道纵向粘土层外部浆液充填较厚，砂土层外部浆液充填稍薄，但差别很小。在同一环面上纵向浆液填充厚度几乎无差异。从拆除管片时隧道断面可以看出，隧道上部浆液充填最厚，平均可达250mm，最厚处可达300mm；其下部浆液充填较薄，平均厚度约为100mm，最厚可达140mm。这种现象主要是由于注浆孔布置的位置及盾构施工中的开挖特点所产生的。从砂浆断面可以看出浆液凝固后呈青灰色，颗粒非常细腻、均匀，同时其
壳体没有任何接缝或接茬的痕迹。说明其注浆效果是连续、密实的，见图5-2。
对现场壁后注浆凝固后的砂浆，进行取样并制成试块。共分段选确并制作了80个150×150mm的试块，委托试验室对其进行抗压检验。通过实验报告中最大抗压强度值13.5Mpa，最小抗压强度值4.3Mpa，平均抗压强度值可达6.75Mpa，且各试块抗压强度差别不大。管片四周浆液充填良好，有的部位浆液厚度可达320mm。建成的隧道基本无渗漏，管片基本无错台。根据地表沉降观测报告，沿线地表沉降都控制在-17.5mm之内。
通过上图可以看出选用的注浆材料、配比和采用的注浆工艺是合理的，注浆效果良好。
5总结
我们结合北京地铁盾构试验段工程的实际情况，通过试验对比最终研制出了采用生石灰和粉煤灰作为主料的惰性浆液（发明专利申请号：02158588.1）作为盾构隧道壁后注浆的浆液。生产实践证明，在北京盾构隧道壁后注浆中采用我们研制的浆液是完全可行的。
总体而言，北京地铁五号线试验段采用的壁后注浆浆液不仅减少了堵管的发生，提高了工效，降低了成本，具有良好的经济效益；而且由于壁后注浆工艺和参数控制良好，壁后注浆起到了良好的填充空隙、控制沉降和防水的作用，保证了施工的安全顺利进行。其注浆的效果证明了这种惰性浆液的性价比明显优于其他浆液材料。其凝固效果相当理想，非常适合土压平衡盾构施工。可以说在北京盾构施工中进行的同步注浆取得了成功，在类似北京地质条件下，其应用是值得大力推广的。
