顾铭峰
中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司，上海 200071
摘要：近年来，上海地区的地铁盾构法隧道开始全面推行使用新型同步注浆浆液（俗称厚浆），本文结合工程实例，对厚浆的配比、性能要求、注浆设备选择、注浆工艺等方面来介绍厚浆的应用技术，并详细讲述了盾构法隧道施工中不同阶段的注浆方法。
关键词：盾构；地铁隧道；厚浆；关键技术
1前言
盾构法地铁隧道在施工过程中，管片与周围土层之间会存在空隙，需要及时填充，以防止地表沉降。在过去的施工，比较常用的填充物质是双液浆、惰性浆以及其他薄浆，近年来，在上海地区，已经开始全面采用新型缓凝型同步注浆浆液（厚浆），这种浆液更适用于软土地质下的地铁盾构施工，能更有效地保持隧道稳定、减少地面沉降、满足保护环境的要求。
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图1 盾构开挖外径与衬砌之间的间隙
2厚浆的性能要求
对新型同步注浆浆液具有如下性能要求：
（1）流动性及稳定性符合要求，在远距离运输及盾构施工过程中，浆液能保持流动性和稳定性；
（2）充填性能满足施工要求；
（3）能尽可能早的获得高于盾壳周边土体的早期强度；
（4）抗地下水稀释分散性能强，在地下水的作用下不易产生稀释现象；
（5）泌水率小，固结后的体积收缩率小；
（6）原料经济，来源广泛，便于实施施工自动化。
3厚浆的材料组成
厚浆浆液由膨润土、砂、石灰、粉煤灰、添加剂和水组成，以上材料按一定比例进行拌制，其中黄砂作为浆体中的填充料，提供砂浆的强度；膨润土起到降低泌水率、减缓材料分离和防渗的作用，同时对注浆管有一定的润滑作用；石灰应选用消石灰，可提高砂浆的和易性和保水性，提高浆液粘度，且有一定的固结作用；添加剂主要是减水剂，起控制水化的作用。为保证厚浆的性能，对原料的选用上必须严格控制，黄砂应严格选用中细砂，禁止使用粉细砂，膨润土应选用钠基膨润土。
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4厚浆拌制及转驳运输设备的选择
厚浆的拌制采用HZDJ25小型搅拌站即可满足要求，此外，还需设置贮浆池来存放拌制好的浆液。每次从贮浆池中向转驳车中灌输浆液前，应提前充分搅拌贮浆池中的浆液，保证灌输的浆液中各项材料混合均匀。
转驳车采用挤压泵形式，浆料箱容量要求≥4m3，并带有搅拌装置。在运输过程中，应保持搅拌装置开启，并控制行进速度，确保行驶安全。
5盾构注浆系统的选择
5.1注浆泵
根据理论分析，注浆泵出口处的压力应略微大于盾构周边的水土压力，这样才能将浆液顺利注入。根据计算，同步注浆压力，可控制在0.5~1.0MPa。注浆时以控制注浆量为主，同时考虑注浆压力来进行注浆操作。实际注浆施工时，还应结合地表沉降监测数据和隧道埋深来进行相应的调整。
注浆泵采用德国造SCHWING泵，该泵有两个独立柱塞泵，每个泵出口对应两个注浆点，由气动球阀控制每个注浆点开闭，可实现逐点或多点连续注浆。SCHWING泵最大可调输出为12m3/h，按盾构推进速度为60mm/min，每环管片的注浆时间在20min内进行计算，SCHWING泵的输出能力可满足施工的要求。
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图2 同步注浆示意图
5.2同步注浆管路的清洗
盾构法隧道在施工过程中，不可避免地会遇到短时间或较长时间的停机状态，此时，需要对注浆管路进行清洗，以避免管路中残留的浆液中的黄砂因离析而堵塞管路。如停机时间较长，则可用膨润土浆通过SCHWING泵直接置换掉残留在注浆管路中的浆液；盾构机各注浆点增设1条通径不小于50mm的备用浆管并配置球阀及堵头，应急使用时，要求堵头可在注浆压力的作用下脱离；另外可相应缩小盾尾处注浆包管乌龟壳的体积尺寸。
6复杂环境下盾构施工“厚浆”应用关键技术
上海轨道交通12号线某标段，采用盾构法进行区间隧道施工，盾构刀盘外直径为6340mm，管片长度为1200mm，厚度为350mm，管片外径为6200mm，内径为5500mm；区间隧道主要位于淤泥质粘土地层，属于流塑性且灵敏度较高的地层，土体受到扰动后沉降较大，且沉降持续时间较长。盾构穿越区域管线较多，部分建构筑物基础较差，抗沉降变形能力较差。在盾构掘进过程中采用新型缓凝浆液进行隧道同步注浆。
6.1盾构掘进始发段同步注浆
（1）盾构始发段有一段长度约为6m的土体加固区，该加固区土体自立能力强，强度高，地表沉降较小，同时为了防止注浆压力太大，破坏洞门密封圈，所以始发段的同步注浆应在盾构脱出土体加固区时再开始注浆。
（2）盾构机在掘进出土的同时进行注浆，注浆点从盾尾上方的两点注入。在盾构机停止掘进，进行管片拼装的时候，对应部分的千斤顶会松开，这时候必须停止注浆，以免因注浆压力造成管片移位和变形。
（3）在施工的同时，应加强对地表变形情况的监测和分析，调整同步注浆量。
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图3 盾构始发段同步注浆示意
6.2盾构掘进正常段同步注浆
（1）注浆流程应能满足施工的连续性。在每环掘进开始前，盾构机注浆罐中应有足够一环使用的浆液量，当掘进开始后，确保搅拌系统和转驳车的正常运行，保证注浆罐中的浆液能够满足正常施工的要求。
（2）严控浆液质量和注浆量。施工人员应该严格按照配比进行配浆，确保浆液性能合格。在注浆过程中，需及时根据地表沉降监测数据来分析并以此调整注浆量，确保地表建筑物安全。
（3）注浆压力需严格控制。过大的注浆压力会使得浆液劈裂周边土体，产生跑浆，从而进一步扰动土体而造成更大的沉降；而过小的注浆压力则会降低填充速度，填充量也不够，起不到支撑土体的作用，所以要选择合适的注浆压力。
（4）由于管片是在盾构机内进行拼装的，管片本身与盾构机内壁存在空隙，所以在管片脱出盾尾约5环后，需对管片与土体之间的建筑空隙进行壁后二次注浆，注浆间隔为5环，注浆量根据地表变形监测信息进行确定。
6.3盾构掘进在微承压水砂性土层中的同步注浆
在微承压水砂性土层中，受承压水及砂性土性质的影响，盾构施工有着特殊的风险：
第一，砂性土相比于粘性土，它的早期沉降速率更迅速，在2~3天内即可达到最大沉降值，后期沉降变化则比较微小。盾构在砂性土层中掘进时，对注浆材料的性能要求更加高，不仅要满足长期填充的需要，更需要极高的临时填充功能，要有足够的早期强度，能在早期及时控制土体沉降，否则极易因为砂性土的特性，导致沉降在几天内迅速发生，地表建筑物受到较大的影响。经研究表明，采用厚浆进行同步注浆，能够达到预定的效果。
第二，砂性土受扰动容易发生液化现象。液化后的土体具有一定的流变性，土颗粒较细，在土体稳定后则会变得比较密实。在盾构在微承压砂性土层掘进过程中，砂性土体首先被破坏失稳，待盾构机推进过后，失稳的砂性土体在承压水的作用下会迅速填充盾壳的间隙，同时形成新的平衡，在此过程中，由于盾壳间隙被迅速填满，会导致同步注浆压力变大，若注浆压力超过盾尾密封系统的临界压力，则会产生尾部浆液泄露，地层损失扩大，盾尾密封刷也会被破坏，导致恶性循环，反之若注浆压力过小，浆液则难以注入。
对此，采取的主要措施有：
（1）推进时做到勤调勤纠,杜绝过量调整；
（2）推进的主导思想是保持持续、稳步推进，减少长停、强推等状况。对于出现的管片渗漏现象尽快处理修补；
（3）采取可靠措施防止盾尾漏浆；
（4）降低盾构掘进速度，严格做到边推进边注浆，真正做到同步注浆，严禁无浆液推进；
（5）增大注浆量；
（6）考虑二次注浆补强。
6.4盾构穿越建筑物及重要管线的同步注浆
地层沉降对于地表建筑物和管线的影响通常是不可逆的，或者需要花费极大的代价去补偿维修。盾构施工在穿越建筑物及重要管线时，必须坚持预防为主的原则，做好各项准备工作及应急预案，极力控制好地表沉降，尽量降低施工对地表建筑物和管线的影响。
首先，在穿越施工前，对建筑物的桩基及基础类型、埋深、结构形式、建造年代进行详细的调查；对管线的直径、材质、埋深、线路走向等进行详细的勘查，并会同设计单位及管线产权单位研究确定管线的最大允许沉降值，设置报警值。
其次，仔细研究地质勘查报告，并结合以往类似地区类似土层的施工经验，考虑是否存在未能勘查到特殊地层，比如“透镜体”等的存在，必要时可做进一步的详勘，以此确定地层参数，结合地表建筑物及管线的现状调查情况，综合确定盾构穿越时候的注浆参数。
在盾构施工时，同步注浆的浆液可能无法完全填充建筑空隙，且浆液的凝固收缩变形也会导致地表沉降，因此在施工时，需要根据地表监测数据，必要时进行壁后二次注浆，二次注浆的浆液视情况可采用单液浆或双液浆。浆液通过拼装好的管片上的注浆孔进行注入，并在施工时采取推进和注浆联动的方式，若注浆效果未达到理想状态，则盾构机暂停掘进，以防止扩大土体变形。根据施工中的地表变形监测数据，及时调整同步注浆量及注浆参数，同时亦调整壁后二次注浆量，从而使地层变形量减至最小，达到保护地表建筑物和管线的目的。
6.5大坡度段同步注浆
盾构在大坡度段施工时，由于盾构机外壳为刚性，在坡度较大时，盾壳与土体会形成较大的夹角，导致盾尾某些部位容易出现漏浆现象，尤其在下坡的时候。当出现漏浆现象时，可采取以下措施解决：
（1）当发现漏浆现象时，首先应立即中止同步注浆，改为压注盾尾油脂及时进行填充。同时，在漏浆处塞上海绵条等防漏材料，待漏浆现象结束后再进行推进，在后续推进中可适当加大注浆量，弥补漏失的浆液，同时，根据地表监测报告来决定是否需要进行壁后二次注浆。
（2）当盾尾油脂压注到位但仍有漏浆现象发生时，此时的漏浆大概率是因为注浆压力过大或注入速度过快造成，这时候可以通过控制推进速度，调整同步注浆压力及流量，防止浆液击穿盾尾而漏浆。
（3）当漏浆现象发生后，且需要进行壁后二次注浆时，采用的二次注浆材料宜采用早期强度较高，体积变化较小的瞬结型材料。
6.6盾构掘进接收段同步注浆
接收段的同步注浆施工除了填充建筑空隙，控制地面沉降以外，还应配合盾构轴线控制，采取灵活多变的注浆方式，确保盾构顺利接收。当盾构机靠上盾构基座后停止同步注浆，待盾构机进入完全停靠在盾构基座上，洞门封死后再进行洞门处的补压浆，以防止水土流失。
6.7壁后二次注浆
在施工过程中，当出现管片渗、漏水等现象时，需要根据渗、漏水的实际情况，确定注浆方法和材料，进行补充注浆，这称为壁后二次注浆。注浆时需指定专人负责，对注浆位置、注浆量、注浆压力值作详细的记录，并根据地表变形监测数据及时进行调整，确保二次注浆的施工质量。壁后二次补注浆浆液配比如下表：
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图4 二次补浆示意图
7厚浆的现场应用效果
施工中通过地表监测数据对新型同步注浆浆液和一般可硬性浆液的注浆效果进行对比。在管片脱出盾尾后，起初使用一般可硬性浆液进行同步注浆的地面单次沉降一般在2.0mm，二天后该点地面单次沉降收敛至约0.5mm；而采用厚浆进行同步注浆的地面单次沉降一般在1.0~1.4mm，二天后该点地面单次沉降收敛至约0.2~0.3mm。可见，采用新型缓凝型同步注浆浆液后，地面沉降收敛情况比较好。
与一般可硬性浆液相比，厚浆长时间搁置不易产生材料离析，流动性好，泌水率小，固结后的体积变化小，和易性、可泵性好，充填性能极佳。与一般惰性浆液相比，厚浆不仅具备抗地下水稀释分散的性能和良好的充填性能以外，厚浆在固结后还具有高于地层的浆体强度，能有效的减小管片成环后隧道及地面的后期沉降。
8厚浆的优缺点
通过新型缓凝厚浆在工程中的使用情况，可以发现该浆液有如下优点：
（1）具有良好流动性，固结后体积变化小，泌水率小，浆液具有良好的稳定性，长时间搁置不会产生离析现象；
（2）浆液终凝时间达到21小时以上，可以较长时间搁置，减少因浆液终凝造成浆液失效的浪费；
（3）隧道成环后地面沉降变化较小，收敛快，可以减少二次注浆量；
（4）隧道成环后同步浆液形成的凝固体具有较高的强度，能够与隧道共同承受荷载减少。
除以上优点外，厚浆尚有以下缺点需要改进：
（1）堵管现象比较严重。造成该现象的原因有很多，如设备、材料匹配不精准及操作过程不规范等。
（2）对设备的要求高，需要拌浆设备、转驳设备和注浆设备性能良好，投入费用比传统注浆设备高。
（3）厚浆施工对工人的操作要求高，从拌浆、驳浆到压浆一系列过程都需要操作人员严格按照规章和流程进行。
9结束语
盾构掘进同步注浆工艺是软土地层盾构法地铁隧道施工中极其重要的一个环节，同步注浆的质量直接影响了工程的成败。新型同步注浆浆液以其优异性能势必在今后的盾构法地铁隧道中得到进一步的应用，其施工工艺也将会今后的运用中不断地得到改良。
参考文献：
[1]郄向光, 王涛, 乔国刚,等. 盾构同步注浆类型选择及地层适应性研究[J]. 市政技术, 2014(2).
[2]陈海丰. 软土地层地铁盾构穿越建(构)筑物安全控制研究[D].