论膨胀土地层盾构同步注浆配合比及材料选型论文_王立霞

摘要：介绍了合肥地铁1号线5标工程项目所属地质情况、项目简介及膨胀土地层特性，盾构法施工中同步注浆原理、工艺、注浆参数，根据膨胀土地层特性对同步注浆浆液的材料及配合比选型，通过施工过程中不断优化配合比进而对地表、管片姿态的有效控制。

关键词：膨胀土；土压盾构；同步注浆；硬性浆液；配合比；注浆材料

引言

在城市轨道交通盾构施工中，由于盾构主机的外径大于管片的直径，当盾构机外壳脱离管片后，管片与天然土体之间将存在一定的建筑空隙，这种空隙的存在会引起地层变形，通过同步注浆可以确保管片的稳定和受力均匀，提高隧道的抗渗性，能够较好地约束管片，防止隧道上浮。同步注浆浆液分为惰性浆液及硬性浆液两种，常规的浆液配合比掺合料包括水泥、粉煤灰、砂、膨润土、水，根据不同的地层，相应的浆液配合比需进行优化。下面以合肥地铁1号线5标工程项目所属地质情况为例，通过对膨胀土的各项性能进行试验，谈谈膨胀土地层盾构同步注浆配合比及材料选型。

一、工程概况

合肥市轨道交通1号线一、二期工程土建5标段盾构区间施工起讫里程为K11+009.799～K14+152.612，三个区间：太湖路站～水阳江路站区间、水阳江路站～葛大店站区间、葛大店站～望湖城站区间，区间隧道采用盾构土压平衡法施工，为两条单线圆形隧道，隧道开挖直径6.28m。隧道侧穿高架桥桩91根，其中与区间净距在1～3m的为42根，下穿管线密集，地面建筑物较多，其中还包括一座66m宽水位埋深2.7m景观湖。隧道主要穿越粘土②、粘土③层，隧道覆土深度4.5m～15m，左右线线间距12～15m，最小曲线半径为350m，区间线路最大坡度为26.471%。

二、地质概况

（一）区间隧道穿越土层特性如下：

第四纪全新世冲洪积层（Q4lal+pl）：

粘土②层：灰黄色～褐黄色，硬塑，中压缩性，含氧化铁、少量铁锰结核，切面光滑、有光泽，干强度高，该层连续分布。粉质粘土②层：褐黄色，硬塑，中压缩性，含少量铁锰质结核，切面较光滑，稍有光泽，干强度中等，该层透镜体形式分布。该大层连续分布，层底标高15.78～26.77m。

第四纪晚更新世冲洪积层（Q3al+pl）：

粘土③层：灰黄色～褐黄色，硬塑，中压缩性，含铁锰结核，局部铁锰结核富集，切面光滑、有光泽，干强度高，该层连续分布。粉质粘土③层：褐黄色，硬塑，中压缩性，含少量铁锰质结核，切面较光滑，稍有光泽，干强度中等，该层透镜体形式分布。该地层连续分布，层底标高10.03～12.02m。

（二）地下水的类型及赋水条件

地下水类型为上层滞水（一），水位埋深1.63m～4.60m，水位标高为21.26～30.08m，含水土层主要为粉质粘土填土①层，杂填土①层。

三、膨胀土特性

（一）沿线分布的粘土②层、粘土③层具有弱膨胀潜势，膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形性能，即使在荷重作用下仍能浸水膨胀，产生膨胀压力，同时膨胀力还具有胀缩变形的可逆性，在吸水膨胀、失水收缩后，有再吸水再膨胀、再失水再收缩的特性，在膨胀力及其反复收缩变形条件下，易造成地下结构发生开裂。在盾构掘进过程中，由于施工揭露，围岩土体含水率发生变化，造成膨胀土变形加剧；盾构机浆液、管片壁后注浆也会使土层产生膨胀变形，容易产生较高的膨胀力，从而对盾构管片的稳定性产生较大危害。因此盾构掘进过程中应采取有效措施，增强土体的排出能力，并及时填充盾尾空隙，防止围岩土体遭受长时间暴露、失水等。

（二）为了更好的了解膨胀土地层特性，试验人员在车站深基坑开挖过程中从不同深度的地质土层取样进行试验，具体试验成果见表1：

土工试验成果表 表：1

图1 图2

（三）结合土工试验成果，为了确定同步注浆浆液用水量，以及更好的了解同步注浆对土层产生的膨胀变形，在室内进行了膨胀土在不同含水率情况下的膨胀量对比分析试验，具体试验数据见表2：

表：2 膨胀量对比分析表

表：3 膨胀量对比分析曲线表

通过分析，膨胀土在不同含水率的情况下与膨胀量是成正比（见表3），为了减小管片壁后注浆对土层产生的膨胀变形，从而更好的控制盾构管片的稳定性，故在浆液用水量方面需做很好的控制。

四、同步注浆目的、原理及参数

（一）同步注浆目的

由于盾构主机的外径6280mm大于管片的直径6000mm，当盾构机外壳脱离管片后，管片与天然土体之间将存在一定的建筑空隙，这种空隙的存在，将导致以下不利后果：

（1）地层变形

（2）确保管片的稳定和受力均匀

（3）提高隧道的抗渗性

（4）能够较好地约束管片，防止隧道上浮。

（二）同步注浆原理

同步注浆的基本原理就是将有具有长期稳定性及流动性，并能保证适当初凝时间的浆液（流体），通过压力泵注入管片背后的建筑空隙，浆液在压力和自重作用下流向空隙各个部分并在一定时间内凝固，从而达到充填空隙，阻止土体塌落。

（三）同步注浆参数

（1）注浆压力

最初的注浆压力是根据理论静止水土压力确定的，在实际掘进中将不断优化。最终注浆压力一般控制在0.25～0.33MPa，设计要求为0.2～0.4MPa，满足设计要求。

（2）注浆量

根据本标段的地质及线路情况，注浆量一般为理论注浆量的1.3～1.8倍，并应通过地面监测数据分析进行相应调整。

（3）注浆顺序

同步注浆通过管片注浆孔压注，在每个注浆孔出口设置压力传感器，以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而实现对管片背后的对称均匀压注。为防止注浆使管片受力不均产生偏压导致管片错位造成错台及破损，同步注浆时对称均匀的注入十分重要。

二次注浆应先压注可能存在较大空隙的一侧。

五、同步注浆材料及配合比选型

根据本工程地层的特殊性，为了降低膨胀土膨胀变形及产生膨胀力对管片、地表的不稳定影响，故考虑使用具有一定凝结时间的硬性浆液作为本项目同步注浆材料。

（一）注浆主要材料

（1）水泥 复合硅酸盐P•C32.5，胶凝材料，相对P•O42.5水泥节约成本；

（2）粉煤灰 F类Ⅱ级，为了节约水泥用量，控制造价成本；

（3）砂 细河砂，细度模数：2.2-1.6，注浆固结体的细集料；

（4）膨润土 钠基Ⅱ级，防止浆液离析，避免浆液沉淀，增大浆液稳定性；

（5）水 自来水。

（二）浆液的性能

根据盾构区间的地质条件、工程特点以及盾构机械的型式，浆液应具备以下性能：

（1）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，凝结时间控制在初凝：3~5h，终凝：4~12h；

（2）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，1d不小于0.2Mpa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28d不小于2.5Mpa（略大于强风化岩天然抗压强度）；

（4）浆液在地下水环境中，不易产生稀释现象，稠度8-12cm，倾析率小于5%；

（5）浆液固结后体积收缩小，泌水率小，固结率＞95%，即固结收缩率＜5%；

（6）浆液无公害，价格便宜。

六、浆液室内试验

为选出性能优良，且满足设计和施工要求的砂浆配合比，通过室内进行了一系列正交试配试验，并测试了各配合比的相关性能指标，具体见表4。室内配合比所用材料均以干燥状态为基准，在实际施工时要严格按有关要求准确称量各种材料，并根据实际含水情况换算成施工配合比。考虑到施工现场条件与室内条件之间的差异等因素，实际施工选用配合比时应根据实际情况作适当调整。

室内配比统计表 表：4

通过对比分析：（1）水胶比越大，浆液凝结时间越长；（2）浆液的水灰比与稠度并不一致，水灰比大，不一定稀，浆液太稀容易离析，也容易堵管，通常控制在8-12cm为好，考虑到膨胀土吸水膨胀，故砂浆在用水量上不宜过大，尽量控制到最小；（3）从9组配合比来看，砂浆的固结收缩率都能满足要求，故砂浆的填充性较好；（4）砂浆的倾析率较好，都能满足要求；（5）从试验对比分析来看，强度基本都能满足要求，水泥用量方面还可以进行调整优化，达到很好的经济效益；（6）通过对比分析，5号配比在各种指标满足要求的前提下，水泥用量合理，浆液指标还可以继续优化，故选择其作为理论指导配合比。

七、施工浆液优化

室内配合比在葛望区间左线始发时，得到了充分应用，在1-200环作为对配合比整体效果的摸索，发现土体基本稳定，管片姿态都在±10mm范围内，但是浆液在拌料及运输过程中不同的出现了砂沉淀及浆液凝结而堵管，使注浆工作不是很顺利，故通过降低水泥用量，将水灰比增大，延长浆液凝结时间，减少砂用量，提高粉煤灰掺量，调整后配比见表5：

表：5

此配比浆液基本性能符合要求，初凝时间在原指导配比3-5h增涨为6-8h，暂未出现堵管及沉淀现象。由于水泥量的减少，粉煤灰及用水量的增加，区间在掘进220-350环后，管片姿态出现了不同程度的变形，详见表6：

葛望区间左线隧道圆环高程线位置对比表 表：6

通过对比表不难看出，管片均出现不同程度的上浮现象，通过分析发现浆液凝结时间过慢，长期处于游离状态会导致浆液离析，浆液离析一部分水分被土体吸收，使管片周围土层密度发生了改变，导致管片姿态出现变形，为了稳固浆液，通过掺不同量的消石灰对浆液的分层度进行对比分析，具体见表7：

不同配合比分层度对比分析表 表：7

图3 图4

通过对比分析，得出现场目前施工配比A相对指导配比E分层度较大，设计配比浆液较稳定，在现场施工配比的基础上掺不同量的消石灰，得出掺入量越大，分层度越小，浆液越稳定，消石灰掺量等于消石灰除以所有材料用量（不含水用量）。通过试验最终确定在指导配合比的基础上掺入一定量的消石灰来改良浆液性能以达到凝结时间快、稳定性好的目的。最终现场配合比见表8：

表：8

该浆液稠度10.8cm，初凝时间在3-5h，分层度0.3 cm，固结收缩率1.20%。

八、结论

通过不断在施工过程中调整浆液水灰比、胶砂比等一系列手段，最终得出具有较快凝结时间、用水量少、稳定性好的浆液配比，进而在后期的盾构掘进施工中得到了很好的应用。根据后期的监测及测量数据表明，在膨胀土地层对同步注浆材料选择、配合比设计与试验研究最终是富有成效的，选用具有一定凝结时间、稳定性好的浆液是可行的。同步注浆浆液配合比不是一成不变的，要随着不同的施工环境及气候条件随时对浆液进行微调，竟而达到理想的注浆效果。

参考文献：

[1]《盾构技术理论与实践》，主编：鲍绥意，中国建筑工业出版社，2012年出版。

[2]《广州地铁三号线北延段盾构隧道工程施工技术研究》，主编：王晖，2012年8月出版。

[3]《地下铁道工程施工及验收规范》 GB50299-1999，国家质量技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布。

[4]岩土工程勘察报告，北京城建勘测设计研究院有限责任公司，2010年8月。

[5]《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009

论文作者:王立霞

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/30