盾构隧道同步注浆技术及工艺优化措施

盾构隧道同步注浆技术及工艺优化措施

蔺忠平

蔺忠平

中铁三局广东建设工程有限公司身份证号码：62052319870121169X

摘要：随着近年来大量盾构隧道工程的兴建,盾构法施工技术也逐步趋于成熟和完善。文中主要介绍了同步注浆的目的及原理，通过分析注浆材料的选择，详细介绍了盾构施工的注浆工艺，并提出了几点施工工艺的优化措施，以供同行参考。

关键字：盾构法；注浆工艺；隧道施工；工艺优化

引言

在盾构法施工过程中，引起隧道变形的因素很多，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。盾构施工同步注浆技术是盾构工法的关键性环节，是控制隧道结构稳定和周围环境保护的关键。盾构同步注浆工艺是在盾构掘进的同时，通过注浆泵的泵压作用，把填充材料注入盾尾的管片环外空隙之中，达到填充管片环外空隙、固定管片环位置、减小地面沉降、充当环外第一道防水层等目的。

1.同步注浆的目的和原理

1.1同步注浆目的

盾构的刀盘开挖直径为6250mm，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：防止和减少地层沉陷，保证环境安全；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；作为隧道第一防水层，加强隧道防水。

1.2同步注浆的原理

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,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.注浆材料的选择

2.1良好的和易性

浆液和易性包括流动性、黏聚性和保水性。浆液和易性关系到浆液在拌制、运输、泵送及后期注浆效果，是浆液材料最重要的指标之一，其控制参数一般采用坍落度(稠度)、常压泌水率进行测定。

2.2适当的初凝时间

鉴于盾构法隧道的施工特点，浆液在地面(或拌站)拌制后，需要经过一定时间与距离进行运输、储存，因此，要求浆液必须具备较长的可使用时间，以满足盾构施工需要。根据施工工况条件的不同，对浆液的可使用时间也不尽相同，一般单液浆的初凝时间应达到10h以上，其控制参数一般采用坍落度(稠度)经时损失进行测定。

2.3较高的早期强度

浆液材料的及时填充以及形成的早期强度，决定着地表沉降控制及管片结构上浮的控制效果。由于浆液材料在注入管片壁后的受力形式主要为土体作用于管片结构的剪切力，因此，其控制参数一般采用抗剪切屈服强度来进行评价与测定。目前广泛采用的抗剪型单液浆即具备该特性，其特点为大密度、低稠度、高抗剪。

3.同步注浆工艺

3.1注浆压力

注浆要求充分填充盾构施工产生的地层空隙避免由此引起的地表沉陷，避免过大的注浆压力起地表有害隆起或破坏管片衬砌，影响地表建筑物与地下管线的安全，防止注浆损坏盾尾密封。因此，注浆压力最佳值应在综合考虑地基条件、管片强度、设备性能、浆液特性和土仓压力的基础上来确定。

3.2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Q=Kπ（D2-d2）L/4：

D是指盾构切削外径。d是指预制管片外径，L是指预制管片每环的长度。但有几种特殊情况。

（1)在松散地层时,注浆压力很小而注浆流量却很大时,应考虑增大注浆量,直到注浆压力超过控制压力的下限,此时的空隙因士体坍塌而比往常要大。

（2)管片下部因地基软弱导致部分管片下沉错台时,可从下部注浆,此时注浆量不受限制,只受压力限制。

（3）盾构出洞和进洞时,洞口部位有较大的空隙,此时的注浆量应根据实际需要量确定。

3.3注浆时间和速度

在不同的地层中根据需不同凝结时间的浆液及掘进速度来具体控制注浆时间的长短。做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间。注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。

同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。注浆结束标准及注浆效果检查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。

注浆效果检查主要采用分析法，即根据压力-注浆量-时间曲线，结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。对拱顶部分采用超声波探测法通过频谱分析进行检查，对未满足要求的部位，进行补充注浆。

3.4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。

4.工艺优化

随着盾构法隧道施工的发展以及工况条件的变化，施工工艺依然存在一定的不足，有待完善与进一步优化。

4.1浆液材料配比系列化

特殊工况条件下，单液浆的缓凝特性并不能很好地满足与适应施工要求，例如盾构进出洞、近距离穿越建构筑物、超大直径盾构管片上浮等，针对不同工况要求，尚未形成单液浆配比系列化，相应的施工方案也较难制定；另一方面，受施工地域影响，所采购的原材料品质也存在较大差异，同一配合比采用不同原材料所拌制的浆液，其性能指标差异也较大，给盾构的正常施工带来困难，如堵管、隧道的上浮、沉降控制效果差等问题频繁发生。因此，有必要研究浆液材料配比系列化产品，为不同工况条件下的盾构施工提供技术储备与应对方案。

4.2设备磨损改进

由于抗剪型单液浆材料高含砂率、低稠度的特点，在浆液的拌制、输送、储存及泵送过程中，对于设备的磨损较以往浆液材料要大得多，特别在中等直径盾构隧道施工中，浆液水平运输过程中对于螺杆泵、挤压泵等设备磨损极大，如何选择适应于单液浆特点的配套设备，对于降低施工成本及提高施工效率有着积极的意义。

4.3堵管快速解决

同步注浆施工过程中的堵管问题，是盾构法施工中的一项老、大、难问题，浆液一旦堵管不仅造成施工速率的延误，严重时甚至导致盾构无法正常推进，给施工造成极大的风险。堵管一旦发生，不仅要耗费大量的时间与人力进行清理，若清理不彻底更会导致连带反应，造成后续施工频繁堵管，甚至注浆管路的损坏与失效。堵管问题的解决，需要从盾构设计、施工操作以及快速通管措施三方面着手，其中合理有效的快速通管措施是一项亟待研究的课题。

4.4“双控”模式建立

注浆压力与注浆量的双控是抗剪型同步注浆施工的核心理念，但实际施工中尚未建立起完善的双控模式，具体表现在：每台盾构机的构造不同，工况条件不断变化，如何判断实际注浆压力与测定注浆压力之间的关系，目前只能依靠施工经验定性而论；注浆量的采集只能依靠注浆泵活塞冲程计算得出，实际注浆量往往少于测定注浆量，并且该测定值随着浆液材料坍落度以及注浆泵磨损程度的不同而存在一定的差异，只能通过检测数据对参数进行不断修正。根据不同盾构机及工况条件差异，建立起一套完善的同步注浆双控模式体系，是降低施工风险，提高施工质量的有效途径。

5.结论

同步注浆工艺是盾构法隧道施工过程中的一道关键工序，同步注浆的好坏直接关系到盾构隧道的稳定性和地表环境的安全性,同时对其施工进度也有一定的影响。其施工质量的好坏直接关系到隧道结构稳定、周围环境保护、防水抗渗、盾尾保护、施工进度等方面，随着盾构工程的日渐增多，同步注浆技术也将日益完善。