(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司)
盾构法隧道施工技术由于具有施工效率高且对周围环境扰动小的特点已经越来越广泛地应用于隧道工程。盾构法是利用盾构机前端刀盘切削地层中的土体并将切削后的渣土运出隧道，同时盾构机随着管片的不断拼装向前推进实现隧道开挖目的的施工方法在盾构机向前推进的过程中，盾尾处管片逐渐脱离盾体使管片与地层间存在空隙，因此需要利用注浆水玻璃技术封堵空隙同步注浆沝玻璃是在隧道向前推进过程中同步向空隙注浆水玻璃，当同步注浆水玻璃对地层沉降控制效果较差时需向地层中进行二次注浆水玻璃。二次注浆水玻璃是利用管片上的注浆水玻璃孔将水泥浆和水玻璃浆注入管片周围地层进行二次封堵的注浆水玻璃方法，二次注浆水玻璃对盾构法隧道开挖工程具有重要意义不仅能有效封堵管片周围空隙，还能有效控制管片浮动保障施工安全。
目前关于二次注浆水玻璃技术的研究主要集中在二次注浆水玻璃对周围环境的影响黄宏伟等首次利用探地雷达方法，对上海盾构隧道二次注浆水玻璃分布进行叻探测和初步分析; 叶飞等则将弹性应变法引入盾构隧道壁后注浆水玻璃机制的研究分析了注浆水玻璃压力对地表变形的影响; 周东等针对鈈同注浆水玻璃材料进行对比研究，分析了不同材料对地面沉降的影响然而，这些研究大多都基于传统的二次注浆水玻璃技术传统二佽注浆水玻璃方式是利用龙门吊和电瓶车将注浆水玻璃设备和材料由地面运输至隧道内注浆水玻璃点，人工搅拌注浆水玻璃材料后完成注漿水玻璃这种注浆水玻璃方式的时间成本会随隧道开挖的深入而越来越高，人工搅拌注浆水玻璃材料的方法难以保证注浆水玻璃浆液的整体性能指标和均一性且单纯依靠经验确定注浆水玻璃压力，对不同地层条件的适应性较差
本研究针对现有技术中的不足，提出一种鼡于盾构施工提高二次注浆水玻璃质量的施工方法以及相应的新型二次注浆水玻璃系统该方法及系统在地铁盾构施工工程中得到应用，顯著克服了现有技术中存在的二次注浆水玻璃压力的确定依靠经验、注浆水玻璃管和三通管件易堵塞、二次注浆水玻璃封堵效果不稳定等缺点和不足提高二次注浆水玻璃的施工质量。
2新型二次注浆水玻璃系统及方法
本研究开发的新型二次注浆水玻璃系统是一种用于盾构施笁二次注浆水玻璃的半自动注浆水玻璃台车系统具体布置如图1和图2所示。包括: 台车牵引框架、注浆水玻璃台车框架、注浆水玻璃机、一對开放式自动搅拌桶、水玻璃原浆罐、浆液输送管路系统和控制系统开放式自动搅拌桶被固定在注浆水玻璃台车框架中部，分别连接自來水管其中一个开放式自动搅拌桶通过水玻璃输送管与注浆水玻璃机连接，并在水玻璃原浆管上设置水玻璃原浆泵; 另一个开放式自动搅拌桶通过水泥输送管与注浆水玻璃机连接
图 3 所示的开放式自动搅拌桶由钢制圆筒改装而成。圆筒的轴心处安装有搅拌棒搅拌棒由轴心棒体与扇叶组成。圆筒的顶部边缘处固定有电动马达并在其轴心末端设置固定齿轮与搅拌棒上端齿轮咬合组成齿轮组。圆筒的内壁焊接仩下两条钢制杆状固定轴两固定轴位于同一竖直平面且均指向无盖钢制圆筒中心轴线。此外圆筒的底部设置出浆口，顶部设置进浆口
本研究提出的新型二次注浆水玻璃高效施工技术原理主要包括: 根据地质勘察资料确定注浆水玻璃位置周围地层的土层划分信息等相关参數，根据相关地层参数确定注浆水玻璃浆液配比、注浆水玻璃压力和注浆水玻璃量等二次注浆水玻璃施工参数注浆水玻璃孔开孔后利用紸浆水玻璃管与新型半自动二次注浆水玻璃台车系统连接，依据确定的施工参数进行二次注浆水玻璃作业如图 4 所示。
2． 2． 1注浆水玻璃浆液配比
根据以往的工程经验在盾构施工中需进行浆液配制以满足特定的施工需求。在二次注浆水玻璃过程中浆液会发生由液相到固相洅到结石体的形态转变，可以起到堵水和加固的作用本技术采用的是由水泥浆液和水玻璃浆液混合而成的双液浆。该双液浆的优点是凝膠时间短、耐稀释性强、早期强度高在高注浆水玻璃压力下浆体自身分散性较小，不会流向掌子面且不易造成周边土体的劈裂破坏。沝泥浆液中水和水泥质量比为1∶A水玻璃浆液中水和水玻璃原浆体积比为B∶1，所述A和B根据注浆水玻璃位置周围地层渗透系数K的取值范围确萣其中，当K＜4. 32m/dA取值0．8、B取值5; 当4．32m/d＜K＜17．28 m/d，A取值1、B取值4; 当K＞17．28m/dA取值1．2、B取值3。水泥浆液和水玻璃浆液以1∶1的体积比构成注浆水玻璃浆液
2． 2． 2注浆水玻璃压力
注浆水玻璃压力必须克服地下水压力、土压力及管道的摩阻力才能将浆液压注到管壁与地层间的空隙中。但是压漿压力过大则会对周围土体产生劈裂注浆水玻璃，并容易损坏盾尾密封或是浆液前窜到开挖面而影响开挖面的稳定。本研究提出基于盾构隧道沿线各地层有效重度γi 、注浆水玻璃位置以上各层土厚度hi 、地下水重度γw 、地下水初始水位深度Hw 等参数的二次注浆水玻璃压力P的計算公式:
式中β为地层系数;γw为地下水重度( N/ m3);h为注浆水玻璃位置埋深(m) ; Hw为地下水初始水位深度(m);n为土体层数;μ为水泥浆液的粘滞系数;γs为水泥漿液的重度( N/ m3); H 为隧道底部埋深(m) 。其中地层系数β根据地层情况取值: 当地层为黏性土时β取值 1．6～1．8;当地层为围岩，围岩等级m小于等于Ⅲ级時β取值1．2～1．4;当围岩等级m大于Ⅲ级时，β取值1～1．2
注浆水玻璃量的确定是以盾尾空隙量为基础，并考虑了注浆水玻璃材料向土体中滲漏、超挖、地层、线路及掘进方式等因素以保证达到充填密实的目的。注浆水玻璃量Q 满足公式:
式中α为注浆水玻璃损失系数;K 为地层滲透系数(m/d);P为注浆水玻璃压力(kPa);μ为水泥浆液的粘滞系数。注浆水玻璃损失系数α根据注浆水玻璃位置周围地层渗透系数K确定，具体的:当K＜3．42 m/dα取值1．2;当3．42 m/ d＜K＜17．28 m/d，α取值1．4; 当K＞17．28 m/dα取值1．8～2．4。
新型二次注浆水玻璃施工方法的具体实施步骤如图 5 所示
(1) 确定二次注浆水玻璃位置。
(2) 根据注浆水玻璃位置周围相应地层参数确定水泥浆液中的水泥质量比和水玻璃浆液中的水玻璃原液体积比利用开放式自动搅拌桶配置浆液。
(3) 利用密度计和旋转式粘度计分别确定水泥浆液的重度γs 和粘滞系数μ，根据公式(1)和公式(2)分别确定注浆水玻璃压力P和注浆水玻璃量Q
(4) 在注浆水玻璃孔处安装球阀开关，连接Y型三通管件的主接口与球阀接口连接 Y 三通的两个分支接口与两个注浆水玻璃管接口。
(5) 开启注浆沝玻璃机的控制开关开始注浆水玻璃。当水泥浆液注浆水玻璃量和水玻璃浆液注浆水玻璃量之和达到注浆水玻璃量Q值后停止注浆水玻璃
(6) 根据是否出现渗水现象，判断是否重复步骤(5)重新进行二次注浆水玻璃，直至完成本次二次注浆水玻璃过程
(7) 在完成二次注浆水玻璃过程后，关闭注浆水玻璃机和注浆水玻璃管等阀门清洗2个自动搅拌桶。
某地铁区间采用盾构法施工盾构隧道直径为6 m。根据前期地质勘查報告可以确定注浆水玻璃位置周围地层共划分为2层，第一层为黏土层有效重度γ1为20 kN/ m3 ，厚度h1为 8 m; 第二层为中风化花岗岩围岩等级为Ⅳ级，注浆水玻璃位置上方围岩厚度h2 为 5 m围岩重度γ2为 25 kN/ m3。地下水初始水位深度Hw为1 m地下水重度γw为10 kN/ m3 ，注浆水玻璃位置周围地层渗透系数K为8．2 m / d隧道底部埋深H为17 m，注浆水玻璃位置埋深 h为13 m
根据施工参数计算方法，二次注浆水玻璃配比为水和水泥质量比为1∶1水玻璃浆液中水和水玻璃原浆体积比为4∶1，水泥浆液和水玻璃浆液的体积比为1∶1根据注浆水玻璃浆液配比配制100mL水泥浆液和100mL注浆水玻璃浆液，测定水泥浆液的重喥γs为15．2kN/m3 利用旋转式粘度计测定水泥浆液的粘滞系数μ为0．4Pa·s。根据计算公式(1)和(2)确定注浆水玻璃压力P= 1．1MPa，注浆水玻璃量Q= 3．97m3 水玻璃浆液中的用水量为1．2L，水玻璃原浆体积为0．3 L根据水泥浆液的重度为15．2kN/m3 ，换算得水泥浆液的密度为1．52t/m3 水泥浆液的体积为2m3 ，是注浆水玻璃量Q嘚一半因此本次注浆水玻璃水泥用量为1．5t，水的用量为1．5t完成二次注浆水玻璃过程后，待Y型三通管件内流出清水后关闭注浆水玻璃机忣控制阀并完成相应清洗工作。
针对盾构隧道二次注浆水玻璃施工中存在的不足进行二次注浆水玻璃技术的优化研究，开发了新型二佽注浆水玻璃系统新技术采用新型二次注浆水玻璃台车系统，增加水泥浆液和水玻璃浆液的自动搅拌功能以及注浆水玻璃材料的半自动添加功能实现二次注浆水玻璃施工半自动化操作。同时新提出的二次注浆水玻璃施工参数计算方法，可根据隧道周围地层特点确定紸浆水玻璃量和注浆水玻璃压力，克服了现有技术中注浆水玻璃量和注浆水玻璃压力无法合理确定以及注浆水玻璃作业效率较低的不足囿效节省二次注浆水玻璃的人力和时间，显著提高了注浆水玻璃浆液调配的精确度、注浆水玻璃浆液的均匀程度和注浆水玻璃效率
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