同步注浆在盾构施工中的应用.pdf

1172011.04（上）在盾构法施工过程中，引起隧道变形的因素很多1,但主要是由于开挖引起土层损失从而导致地面沉降。及时充分地进行衬砌背后注浆,可有效地减少这种土层损失，提高隧道在盾构施工过程中的稳定性。在能自稳的地层中,注浆方式对填充率影响不大,但在不能自稳的地层中,必须采用同步注浆,才能在正常的注浆压力下保证注浆量,填充建筑间隙,防止地层向隧道方向移动,减小地层损失,控制地表沉降。在稳定性差的地层,采用土压平衡模式掘进时,同步注浆的重要性较为明显。目前盾构施工中壁后注浆的浆液材料可分为单液型和双液型，单液型浆液又可根据浆液的性质分为单液惰性浆液和单液硬（活）性浆液。对于地面保护要求不高的地段或较坚硬并有一定自稳能力的土体或岩层，可考虑采用单液注浆。从成本控制和操作的难易程度看，单液浆优于双液浆，惰性浆优于活性浆；从注浆效果看，双液浆优于单液浆，活性浆优于惰性浆。1 工程概况某盾构隧道设计为两条内径5.4m 的单线隧道，总长 2269.579m，隧道底板一般埋深在 10.82 12.35m（联络通道与废水泵房合建处埋深在21.29m），采用 2 台复合式盾构掘进。根据地质勘察资料，区间隧道通过的最硬岩层单轴极限抗压强度为 53.40MPa。洞口段主要为海陆交互相沉积的淤泥质土、砂、软-塑状粉质粘土和硬塑状基岩残积层组成，隧道洞身主要为残积类粉质粘土层和全、强风化岩层组成。2 同步注浆技术2.1 同步注浆目的盾构的刀盘开挖直径为 6280mm，管片外径为6000mm，当管片在盾尾处安装完成后盾构向前推进，管片与土层之间形成建筑间隙，快速采用浆液材料填充环形间隙的工艺即为同步注浆工艺。其目的在于：（1）防止和减少地层沉陷，保证环境安全；（2）保证地层压力较为均匀地径向作用于管片，限制管片位移和变形，提高结构的稳定性；（3）作为隧道第一防水层，加强隧道防水。2.2 同步注浆原理同步注浆的基本原理是将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位并在一定时间内凝固，从而达到充填空隙、阻止土体塌落的目的。2.3 同步注浆主要技术参数的确定（1）注浆压力。同步注浆技术在盾构隧道掘进中的应用樊姝芳（1 桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004）摘要 以某隧道工程施工为背景,介绍了同步注浆技术的应用。根据地层地质条件及地面构建物的情况，就同步注浆原理、目的、工艺、技术参数及浆液配比进行了论述，提出了各项质量保证措施。关键词 盾构；隧道；同步注浆；技术参数中图分类号 U455.43 文献标识码 B 文章编号 1001-554X（2011）04-0117-04Application of grout jetting while shield tunneling techniqueFAN Shu-fang收稿日期 2010-12-10通讯地址樊姝芳，桂林市建干路 12 号桂林理工大学843 信箱118注浆压力是注浆施工中的主要控制指标,理论上对于自稳性差的地层，注浆压力应与开挖面的水土压力之和平衡，实际上注浆压力应比理论值稍大。根据本工程始发地段的地质水文情况及隧道埋深，注浆压力应控制在 0.5MPa 左右。（2）注浆量。盾构在推进过程中，除了排出洞身断面上的土体外，还存在着其它方面的土体损失，这些土体损失主要来源于以下几个方面：一是盾尾管片安装后形成的空隙；二是曲线地段推进超挖引起的土体损失；三是盾构纠偏产生的土体损失；四是盾构蛇形运动产生的土体损失。这些额外部分的土体损失是通过同步注浆来获得补偿平衡的，同步注浆的注浆量由理论计算而得，即盾壳的建筑空隙体积乘以 1.5 2.0 的系数。每环同步注浆量计算2如下：Q=KVV=（D2-d2）L/4式中 K注浆率，取 1.5；D盾构机的切削外径，D=6280mm；d为管片外径，d=6000mm；L管片环宽度，L=1.2m。则 V=4.05m3，Q=6.07m3。注浆量应根据地表隆陷监测情况进行调整和动态管理。（3）注浆速度。同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环 1.5m 掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。（4）注浆结束标准。采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的85%以上时，即可认为达到了质量要求。3 同步注浆施工3.1 同步注浆方法与工艺同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆系统及盾尾内置注浆管，在盾构向前推进、盾尾空隙形成的同时进行，采用双泵四管路（8 个注入点，其中 4 个注入点备用）对称同时注浆（见图 1）。图 1 同步注浆示意图注浆可根据需要采用自动控制或手动控制方式。自动控制方式即预先设定注浆压力，由控制程序自动调整注浆速度，当注浆压力达到设定值时，自行停止注浆。手动控制方式则由人工根据掘进情况随时调整注浆流量、速度、压力等参数。为了防止施工中注浆管路被堵塞影响进度，注浆管路预留了备用注浆管。注浆工艺流程及管理程序见图 2，操作界面见图 3。3.2 注浆设备配置浆液由地面专用的浆液搅拌设备拌制，由浆液车输送至洞内储浆罐储藏，同步注浆采用配属于盾构的同步注浆设备进行注浆。每区间自行设计建造砂浆搅拌站一座，搅拌能力 20m3/h。同步注浆系统配备 SWING KSP12 液压注浆泵2 台（盾构上已配置），注浆能力 212m3/h，8 个盾尾注入管口（其中 4 个备用）及其配套管路。运输系统为自制砂浆罐车（8.0m3），带有自搅拌功能和砂浆输送泵。3.3 注浆方式采用盾尾同步注浆方式及时注入单液浆填充环形建筑空间，即在盾构推进时，通过安装在盾壳的 4 条内置式注浆管向盾尾的环形建筑空间注入填充浆液材料。每条管上有高压力表和阀门，该管通过软管分别与 4 台砂浆泵相连，砂浆泵可手动控制，也可自动控制。同步注浆完成后，利用声波探测，对未注满处利用管片吊装孔进行二次补注单液浆（在砂质地层中应尽量一次性注满），以增加注浆层的密实性,提高防水效果。1192011.04（上）合格正常注浆系统准备设定控制方式注浆工况分析注浆完毕综合评价采取补充注浆措施数据采集与管理、计划图表浆液配制注浆不符合要求符合反馈信息注浆效果检查开始浆液运输参数设计检测试验调整控制方式与参数下环注浆继续清洗设备和管路不合格不正常图 2 同步注浆工艺及管理程序图图 3 同步注浆控制系统界面3.4 注浆材料及配合比选择3.4.1 注浆材料3采用水泥砂浆作为同步注浆材料，具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。其中，砂作为填充料，水泥作为提供浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料，粉煤灰可以改善浆液的和易性，膨润土用以减缓浆液的材料分离,降低泌水率，减水剂作为水泥的润滑剂。3.4.2 浆液主要物理力学指标同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标4：（1）胶凝时间：一般为 3 8h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，从而缩短胶凝时间。（2）固结体强度：1 天不小于 0.2MPa，28 天不小于 2.5MPa。（3）浆液结石率 95%，即固结收缩率 5%。（4）浆液稠度：8 12cm。120（5）浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于 5%。3.4.3 浆液配比为保证浆液质量，施工中应根据始发时地层的实际情况选择浆液配合比，特别是和易性适宜的浆液，达到易于压送、不离析、不沉淀、不堵管。在施工中根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。根据经验，本标段工程同步注浆采用单液水泥砂浆填充管片外环形间隙，初步拟采用如表1所示的浆液配比（根据始发时的实际地质情况进行调整）。表 1 同步注浆材料配比 kg水泥砂粉煤灰水粘土减水剂150650400460405同步注浆浆液凝固时间为 6 10h。3.4.4 二次补强注浆浆液配比当发现注浆不足或注浆不理想时，采用二次补强注浆（见表2）以满足工程质量要求。根据始发时的地层情况选择材料、确定浆液配比及浆液性能指标。表 2 二次补强注浆每立方米浆液配比及性能水泥/kg 砂/kg 粉煤灰/kg 水/kg 膨润土/kg 减水剂/kg220750400300505凝固时间/h1 天抗压强度/MPa7 天抗压强度/MPa28 天抗压强度/MPa 10 0.5 2.5 103.4.5 注浆效果检查（1）注浆效果检查主要采用分析法，即根据 P（注浆压力）Q（注浆量）t（时间）曲线，结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断。（2）必要时采用无损探测法进行效果检查。4 同步注浆质量保证措施（1）在开工前制定详细的注浆作业指导书，并进行详细的浆材配比试验，选定合适的注浆材料及浆液配比。（2）制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序，严格按要求实施注浆、检查、记录、分析，及时做出 PQt 曲线，分析注浆速度与掘进速度的关系，评价注浆效果，反馈指导下次注浆。（3）成立专业注浆作业组，由富有经验的注浆工程师负责现场注浆技术和管理工作。（4）根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数和施工工艺，发现情况及时解决。（5）做好注浆设备的维修保养和注浆材料供应，定时对注浆管路及设备进行清洗,保证注浆作业顺利连续不中断进行。（6）环形间隙充填不够、结构与地层变形不能得到有效控制、变形危及地面建筑物安全或存在地下水渗漏区段，必要时通过吊装孔对管片背后进行补充注浆，以增加注浆层的密实性并提高防水效果。（7）根据经验值推断，盾构单线推进对地表影响主区域为轴线两侧 7m 范围内,约为洞径的2.2 倍；整个影响区域为轴线两侧 20m 内，大约为洞径的 6.2 倍。因此应对上述轴线两侧范围加强 监控。5 结束语同步注浆技术是盾构法施工中必不可少的关键性辅助工法,也是控制地面沉降的关键。在掘进过程中，如果建立的土压力不合理、注入率偏差大，会引起较大地表沉降或隆起。根据地层情况和实际地层损失调整注浆填充率，可以较好填充地层,有效控制地表沉降。该标段工程采用同步注浆技术提高了工效、降低了成本，具有良好的经济效益；由于同步注浆工艺和参数控制良好，注浆起到了良好的填充空隙、控制沉降和密封防水的作用，保证了施工的安全顺利进行。随着盾构工程的日渐增多，同步注浆技术也将日臻完善。参考文献1黄宏伟,张冬梅.盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控J.岩石力学与工程学报，2001，20（10）:1814-1820.2张凤祥，傅德明，杨国祥，项兆池.盾构隧道施工手册 M.北京:人民交通出版社，2005.3朱建春,李乐.北京地铁盾构同步注浆及其材料研究J.建筑机械化，2004，（11）:26-29.