盾构同步注浆材料技术探讨

摘要：结合广州地铁隧道工程实际，介绍了膨润土掺加方式对制定坍落度指标控制体系的影响、管路堵塞的关键技术、同步注浆坍落度指标的有效控制与管理在地表沉降控制中的关键作用。针对大型盾构开发出具有优良性能、稳定性和可协调性的NP系列同步注浆外加剂，可显著提升工程应用的经济效益。

关键词：盾构；同步注浆；膨润土

1、引言

随着我国城市化进程的迅猛推进，轨道交通日益成为解决城市交通拥堵的有效和主要途径之一，近10年来盾构施工在城市轨道交通建设已经逐步成为安全、快速的手段。盾构法开发至今，逐渐形成了各具特色的系列盾构工法：气压盾构、挤压盾构、土压盾构、泥土加压盾构、泥水盾构等，其中以土压盾构和泥水盾构工法最为常见。

当盾构机外壳脱离管片后，管片与土体之间形成一定的环形建筑空间，将导致以下不良后果：

(1)增大管片渗漏可能性；

(2)管片在千斤顶作用下缺乏有效约束而变形错位；

(3)土体坍塌引起地表沉降。

因而，注浆技术是控制地表沉降、轴线偏移以及隧道防水的重要措施。

我国地铁采取主要的注浆方式有后方注浆、即时注浆和同步注浆，广州地区主要采用同步注浆法施工。同步注浆工艺要求浆液具有优良的工作性和力学特性，即“泵送性+稳定性+可塑性+固结性”。因而，实现同步注浆材料体系配合比的科学设计和有效，是大型盾构施工的关键环节和核心技术。

2、大型盾构同步注浆材料体系设计

2.1  同步注浆材料体系特征及开发方向

国内对多种类型的浆液均有使用，并且在单液浆体系中逐渐形成了惰性浆、缓硬浆和活性浆。双液注浆由二套贮浆桶和注浆泵等组成，凝结行为发生较快，利于尽早发挥注浆的功效。然而，注浆设备和工艺相对复杂，堵管时不易清理，施工管理要求较高。单液注浆系统较简单，但对浆液的性能要求较高，凝结过快容易堵塞注浆系统且充填效果不理想，凝结过慢容易导致隧道轴线变形和额外地表沉降。同步注浆材料体系主要有两大类：以日本为代表的亚洲，泥水平衡盾构的同步注浆主要采用双液浆液，其主要材料为水泥、膨润土、水、水玻璃等；以法国、德国为代表的欧洲，主要以惰性浆液为主的单液浆。

从成本控制及可操作性的角度来看，单液浆相比双液浆具有一定的优势。通过辅助胶凝材料及其矿物激发剂的引入，结合高性能同步注浆化学外加剂的开发，单液浆可以实现良好的注浆效果。

2.2 目前同步注浆材料体系发展方向

综合现有单液注浆技术存在的不足，以高性能同步注浆化学外加剂为开发重点，结合辅助胶凝材料及其矿物激发剂的协同效应，有机统一同步注浆材料早期强度和施工需求之间的矛盾特性，实现地表沉降、管片防水以及隧道耐久性的有效控制。

3、试验结果及分析

3.1 高性能同步注浆化学外加剂研制

通过大量的实验，对比市场比较认可的同步注浆专用外加剂(上表中序号1的外加剂X)，分析外加剂作用下，净浆流动度的大小以及2 h和1 d的泌水情况。从表中数据可以

看出，序号5、6、7的效果比较理想，可构成NP系列同步注浆外加剂，对应代号为NP1、NP2和NP3，其主要由润滑组分A2和稳定组分B1构成。

下面通过NP系列同步注浆外加剂和x型同步注浆专用外加剂的对比试验，进行关键性能指标的比较，基准配合比见表2，X型和NP系列外加剂用量分别为3．2 kg／m3 、2．4 kg／m3。

3.2 工作性

图2显示了NP系列同步注浆外加剂和X的工作性效果对比图。从砂浆初始流动度来看，NP系列外加剂工作性要好于X。从24 h流动度来看，NP系列外加剂的工作性保持效果要优于X。

3.2 体积稳定性

同步注浆材料的体积稳定性和管路堵塞存在密切的关系，同时也是控制隧道轴线偏差和地表沉降的关键环节。从图3数据可以看出，NP系列配制的砂浆1d后离席程度均比X要小，其具有良好的保水效果。

3.4 力学性能

图4显示了NP系列同步注浆外加剂和X同步注浆专用外加剂作用下材料体系14 d的无侧限抗压强度。NP3的强度比X要大，NPI与NP2比X略小，但同步注浆材料14 d强度已经远远大于原状土自身的无侧限抗压强度(根据地质勘察报告，工程沿线②0～⑤3原状土无侧限试验结果显示：qu<150 KPa)。

4、工程应用

下面结合广州地铁9号线某段隧道工程试应用进行说明。NP对同步注浆的浆液状态的改变非常灵敏，可以使浆液由塑态向流态转变，润滑效应非常显著。取样观察发现，NP配制的同步注浆浆液1天泌水情况比X略有减轻。监测数据表明，沉降量很小，同步注浆体系起到有效作用。

4.1 对匹配材料的配伍性的

在同步注浆材料制备过程中，存在一个关键的环节就是膨润土的掺入，其掺加方式分为干混或预水化。从图5可以看出，膨润土掺加方式对同步注浆材料坍落度的变化规律影响很大。干混方式下坍落度1h损失为6 cm(27．3％)；预水化方式下坍落度1 h损失为2 cm(12．5％)。因此，同步注浆坍落度指标控制体系需要密切结合膨润土的掺入方式，这也是控制管路堵塞的关键环节。

4.2 对地表沉降的

因施工管理不到位，在盾构推进过程中某一掘进段同步注浆材料坍落度较大，达到22 cm，严重偏离设计的16 cm指标。图6选取了盾构机经过的两个位置(处于这两个位置的同步注浆材料的坍落度分别为16 cm及22 cm)不同时间点的地表沉降情况(负值表示盾构机经过之前的时间)。

尽管地表沉降不完全取决于同步注浆材料坍落度，但坍落度是一个核心的影响因素。从图6中可以看出，在坍落度为16 cm条件下，地表呈现出轻微的沉降；在坍落度为22 cm条件下，地表沉降显著增强，6 d左右就快速接近预控限值。同步注浆材料体系中游离水含量随坍落度的增大而增加，体系孔隙水压力随时间的延续逐渐消散，引起土体固结并发生沉降。因此，同步注浆坍落度指标的有效控制是减少地表沉降的关键技术措施。

5、技术经济效益

工程应用中，X型和NP系列外加剂的掺量(对粉体的质量百分比)计算如下：

X (％)=W/(W消石灰+W粉煤灰+W膨润土)=3．2／(100+460+54)= O．52％

NP (％)=Wp(W消石灰+W粉煤灰+W膨润土)=2．4／(100+460+54)= 0．39％

在性能相似的条件下，NP系列外加剂掺量为X的75％；在化学外加剂单价相同的情况下，NP系列外加剂的成本可以降低25％。同时，NP系列同步注浆外加剂可根据工程实况，即环境气温的变化和同步注浆材料工作性保持时间，进行外加剂成分的微调。

6、结论

(1)根据膨润土掺加方式制定合理的坍落度指标控制体系、提高同步注浆材料体系的保水性是管路堵塞的关键技术。

(2)同步注浆坍落度指标的有效控制与管理是减少地表沉降的关键环节。

(3)NP系列同步注浆外加剂具有显著的性能稳定性和环境因素可协调性，具备优良的工作性和保水性，工程应用具有显著的技术经济效益。