地铁盾构隧道掘进中的同步注浆施工技术探讨

地铁盾构隧道掘进中的同步注浆施工技术探讨

陈天平

中电建南方建设投资有限公司，广东深圳，518000

摘要：盾构法作为一种常用于城市地铁区间隧道施工的重要方法，不仅施工速度快，而且施工安全性更有保障，因而得到了广泛应用。基于此，本文将对地铁盾构隧道掘进中的同步注浆施工技术进行分析。

关键词：地铁隧道；盾构法；同步注浆技术

1 同步注浆施工技术简介

盾构施工同步注浆的具体步骤包括盾构掘进、浆体注入、脱出盾尾、浆体失去流动性。作为暗挖法中的施工形式之一，在实际施工过程中，盾构同步注浆技术的实施必须借助盾构掘进机才能顺利完成。与其他施工技术相比，在地铁工程项目建设中应用盾构同步注浆施工技术，具有十分显著的优势，首先，全机械化的施工过程能够大大提高施工效率，减少施工人力的投入，降低整体工程项目成本的同时，也有效保障了施工人员在盾构隧道掘进过程中的人身安全；其次，因为地铁工程项目的施工场所大多是在市区，人群十分密集，施工过程中，如果产生比较剧烈的振动或者噪音就会严重影响到人们的日常工作生活和休息，盾构隧道掘进过程中，同步注浆技术的应用，就能够有效解决上述问题，因为同步注浆施工技术施工过程中大多是在竖井口的位置附近产生的，施工阶段对噪音和振动的管理控制工作更容易；最后，盾构隧道掘进过程采用同步注浆施工技术，会根据实际情况和不同的埋深控制注浆压力及注浆量，进而有效控制整体施工成本。除此之外，同步注浆技术的应用，能够有效减少盾构隧道掘进过程中的施工风险，保障施工安全。

地铁盾构同步注浆技术作为一种先进施工技术，所采用的机械主要为掘进机，保证整个施工过程处在全机械化的水平层面上，具体可按照掘进、注浆等各个流程进行科学设置，减少对地面交通的影响，并且使用此技术还能有效减少施工噪声，缓解地表沉降，控制地下水渗漏的程度，准确契合工程费用管控的需求，降低施工风险。

2 同步注浆技术的原理和作用

盾构施工是暗挖工法的其中一种，是一种集机械、土木、信息、自动化等许多学科为一体的现代化地下工程施工方法。地铁隧道施工过程主要有隧道掘进、拼装管片、注浆、盾尾脱出及浆液硬化等重要施工步骤。城市地铁建设过程中采用盾构施工，既不影响地面正常交通，又能控制地下水渗透、施工噪声、地表沉降和井口附近的振动，隧道深度对工程造价没有影响，地铁建设过程中安全性高。

通过分析盾构隧道的实际施工发现，盾构机刀盘的直径要比管片衬砌外径大，当施工步骤进行到盾尾脱离时，地层结构与管片之间就会产生空隙，此时的地层结构没有支撑，容易产生位移，造成地表沉降，带来施工隐患，威胁施工安全。因此，采用壁后同步注浆技术可以很好地解决这一问题，降低地表沉降保障施工安全。

同步注浆技术在盾构施工中作用：1）同步注浆可以减少盾尾空隙，降低或者减轻地表沉降，减少地铁施工对周围环境的影响。2）壁后同步注浆可以提高衬砌结构的密闭性，通过同步注浆，可以填补盾尾空隙，从而降低管片上浮等问题的发生率。3）同步注浆技术可以提高结构整体的防水性能，这是由于隧道掘进过程中会穿过地下高压富水层，所以施工过程中对防水也提出更高要求，而同步注浆可以提高盾构的防水性，保障施工安全。4）注浆层可以充当管片结构的加强层，有助于提升隧道结构的整体稳定性。

3同步注浆施工技术的具体作用分析

在地铁盾构隧道掘进工程施工阶段，极易出现管片上浮以及工程项目施工地面出现沉降等方面的问题，该部分情况主要是由于盾构设备的尾部具有一定的空隙存在。若是在具体的施工过程中管片自身的重量低于浮力，则会使得管片极有可能通过盾尾部的空隙内浮出来。同时在掘进的过程中进行同步注浆施工时可以令盾尾所出现间隙的问题得到有效地控制，使得管片衬砌得到有效地控制，并且还能够使得盾尾间的空隙得到及时有效地填补。除此之外，岩体内部还有衬砌在保持密实的状态下，则地铁隧道的可靠性将会得到有效地提升，同步注浆施工技术的合理应用可以有效降低地铁隧道施工作业过程中的施工安全风险，同步注浆技术的应用在此过程中能够在一定程度上加强衬砌。在同步注浆的过程中，浆体对盾尾内的空隙予以了有效地填补，能够实现对地面上已经存在的建筑物实现有效地保护，从而尽可能避免地铁隧道的施工过程中对原有地面建筑造成严重的影响，同时该种施工技术能够有效降低地面沉降问题的发生概率。地铁盾构掘进过程中对于同步注浆技术的应用能够有效利用浆体对施工区域中的岩体提供良好的支撑，从而为地铁工程项目的施工的安全性与稳定性提供有效帮助。同步注浆施工技术的应用在地铁隧道盾构掘进的过程中在防水方面以及抗渗水方面也具有重要的影响，从而使得地铁工程施工质量得到有效地保障，同步注浆施工技术的优越性能够有效满足高压富水地铁隧道施工环境。

4注浆施工技术要点

壁后注浆能提高隧道的止水性能和确保管片衬砌的早期稳定性，是充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少后期变形的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。注浆方式主要分为同步注浆和二次注浆。

4.1同步注浆

4.1.1注浆压力

最初的注浆压力是根据理论的静止水土压力确定，在实际掘进中根据试验段注浆参数及所处地层情况不断优化。如果注浆压力过大，会导致地面隆起和管片变形，还易漏浆。如果注浆压力过小，则浆液填充速度赶不上空隙形成速度，又会引起地面沉陷。一般而言，注浆出口压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，本区间注浆压力一般为0.8~2.0bar，最大不超过3bar。

由于从盾尾圆周上的不同位置注浆孔注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将适当调整，并保持合适的压差，以达到最佳效果。其形式如图4-2-4：

盾构同步注浆示意图

4.1.2注浆量

注浆量主要取决于注浆环间隙和相应地质裂隙情况，一般可按下式计算注浆量：

Q=π/4×λ×L×(D2-d2)

Q——环注浆量（m3）；L——环宽（m）

D——开挖直径（m）；d——管片外经（m）；λ——填充系数1.3~2.5

根据上经验公式，带入本区间盾构相关数据可得：

V=π/4×（1.3~2.5）×1.5×（6.472-6.22）=5.24~10.07m3

即每环实际注浆量范围为5.24~10.07 m3。

一般情况下填充系数取1.5~2.0，在裂隙比较发育、地下水量大的地段，填充系数一般取2.0~2.5。根据经验，本区间注浆量一般在强风化泥质粉砂岩、强风化砂砾岩中填充系数取1.6~2.0，在中风化泥质粉砂岩、中风化砂砾岩中取1.5~1.8。实际施工中根据试验段参数和地面监测情况综合考虑，适当调整。

4.1.3注浆速度

注浆速度应与掘进速度相匹配，注浆泵的性能要满足掘进速度的需求，做到“掘进即注浆，不注浆不掘进”，通过确定掘进速度和注浆量双重标准来控制注浆速度。

4.1.4注浆结束标准及注浆效果检查

同步注浆采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计或规范值时，且沉降监测符合要求时，即可认为达到质量要求。

注浆效果检查主要采用分析法，根据注浆压力-注浆量-时间曲线，结合地表及周边建筑物测量结果进行综合评价。

根据地面监测情况对未满足要求的部位进行补充注浆。

4.2二次注浆

盾构机穿越后考虑到环境保护和隧道稳定因素，如发现同步注浆有不足的地方，通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，补充以前注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机通过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力，提高止水效果。

4.2.1注浆压力

二次注浆使用专用的液压注浆泵，注浆前凿穿管片吊装孔外侧保护层，安装专用的注浆接头。二次注浆一般根据情况选择使用单液或双液浆，注浆压力一般为0.3～0.5MPa。

4.2.2注浆设备

管片壁后注浆设备因施工规模、注浆方式等呈现出各种各样的形式。本工程以同步注浆系统为主，二次注浆系统为辅，施工所需的主要设备如下：

（1）砂浆拌和站：以单条隧道最大日掘进量每天10环，每环注浆填充系数最大取200%时（即每小时最大注浆量8m3）。在始发井右侧修建一座JS500砂浆拌和站，生产能力25m3/h，满足施工需要。

（2）同步注浆系统：配备砂浆搅拌罐一台、液压注浆泵2台，通过盾尾注入管口及其配套线路进行同步注浆。同步注浆泵有相应流量参数、压力参数等控制器，并与盾构操作系统相联系，由专业注浆人员控制，根据盾构机掘进状况决定注浆速度和注浆压力。

（3）二次注浆系统：由1台气动注浆泵、A液储存箱和B液储存箱及其配套线路组成，注浆可根据情况选择使用单液浆或双液浆。

4.3注浆材料及配比

（1）注浆材料

在地铁盾构隧道掘进施工阶段采用同步注浆技术时，应当充分注重注浆材料的选择，注浆材料的质量与防水能力存在着相对较为紧密的联系。在进行地铁盾构隧道掘进同步注浆的过程中应当充分考虑到注浆材料的稳定性以及流动性还有注浆材料的强度等方面因素，并且在进行同步注浆选取材料的过程中还应当对其浆液的凝固时间进行有效地测定，从而使得浆体凝固时间能够处于施工所允许的时间范围内。

同步注浆采用水泥砂浆，在掘进过程中同步进行。主要采用水泥、粉煤灰、膨润土、中砂作为主要注浆材料，所注水泥砂浆应具有结石率高、结石体强度高、耐久性好的特点。水泥采用PO42.5级硅酸盐水泥。粉煤灰采用Ⅱ级，膨润土为200目，砂粒径不大于5mm，生活用水拌和。

二次注浆主要采用水泥浆及时回填空隙，减小地面沉降，可选择水泥浆或水泥-水玻璃双液浆。水泥采用PO42.5级普通硅酸盐水泥。

（2）浆液配比及主要物理力学指标

通常情况下，在同步注浆施工过程中需要浆液保持流动的状态，在这种情况下注浆结果不完全受控，浆液在流动期间不能有效地保证各个区域得到有效的填充。除此之外，因为隧道都是在地下进行施工，在施工期间地下水还会对浆液造成直接影响，乃至会被地下水稀释，如果施工位置具有大量的水资源就会提升浆液离析的可能性，这种情况就会直接影响到注浆后的强度，严重的会使浆液不能有效凝固，隧道上方的土体在缺乏支撑的状况下就会出现明显的沉降情况，在施工过程中主要对浆液的性能有以下几个方面的要求。1）较强的和易性，可降低搅拌的难度，同时还能保证浆液运输的完整性，并且还能降低浆液出现不良情况的概率。2）较小的收缩率。虽然浆体出现了凝固情况，但是其产生的体积收缩比较小，也能有效地规避地表变形的情况，从整体方面来看可减少浆液固结收缩率的5%。3）浆液需要具有一定的强度。浆液在凝固之前需要具备一定的强度，以便于保证地表不出现下沉的现象，固结体强度1d一般要大于0.2MPa，28d要大于2.0MPa。

根据类似工程盾构施工经验，同步注浆使用配合比结合现场实验室砂浆配合比和前期试验段注浆参数综合选择。

4.4注浆质量保证措施

壁后注浆主要是填充管片与土体之间的空隙，一般应具有较好的流动性，凝固后具有的一定的强度。包括同步注浆和二次补充注浆。

1）做好各种施工机械设备的保养、检修工作，保证施工过程中机械设备的正常运转；

2）选定合适的注浆材料及浆液配比，保证所选浆材配比、强度、耐久性等物理力学指标符合设计要求。

3）根据现场地层情况及时优化注浆参数，施工中严格控制注浆量及注浆压力。

4）技术人员按照相关要求编制同步注浆施工方案及技术交底书，并交底到施工现场的作业人员。

5）隧道内及时二次补浆及设置双液浆环箍：加工与管片吊装孔相配套的带球阀注浆头，按技术要求进行注浆作业。

6）严格控制同步注浆工艺，保证浆液匀速、均匀、连续的压注，防止推进尚未结束而注浆停止情况发生。

7）注浆完成后，为防止浆液在注浆系统中硬化，应定时对浆液设备进行清洗。

4地铁盾构隧道施工工程同步注浆施工分析

4.1施工工程案例

深圳地铁12号线机场东车辆段出入线位于深圳市宝安区广深公路（107国道）下方，线路大致显南北走向，盾构隧道的上覆地层主要由人工填土、全新统冲洪积软土、含有机质砂、粘性土、砂土、圆砾、卵石等组成；表层为人工填土较厚，填筑材料主要为块石、粘性土及砂砾；下伏基岩主要为加里东期片麻状混合花岗岩。隧道范围穿越地层主要为硬塑状砂质粘性土、全~强风化混合花岗岩，局部有砂层、中等风化以及微风化混合花岗岩等倾入隧道范围。正线区间在右线YDK24+332~YDK24+592约260m长度范围内，出入段线上穿钟黄区间右线隧道，两者净距较小。

盾构隧道与钟黄区间右线位置关系图

4.2施工方案简述

4.2.1上穿钟黄区间隧道保护措施：

1)钟黄区间先施工，以减小后掘进的盾构区间带来的变形影响，

2)出入线盾构隧道施工时，钟黄区间右线隧道设置临时内撑，右线上半断面3m范围内用水泥浆加固土体；

3)加强注浆，包括同步注浆和二次注浆，加固地层；

4)加强管片的配筋，提高结构的承载力；

5)加强施工监测，并根据监测的结果对盾构掘进参数进行修正，动态信息化施工。

出入段线上穿钟黄右线隧道预处理示意图

4.2.2钻机施工

首先，在进行钻机施工阶段应当进行钻机定位，从而使得钻注一体设备可以在隧道全断面尺寸内展开旋转实现注浆工作的有序开展，因此，在施工的过程中应当采用对装置前后形成进行补偿以及推移。在进行地铁盾构隧道掘进的过程中应当结合已经完成拼装的管片孔位展开对钻机旋转角度的合理调整。在完成钻机定位工作以后应当处理好钻杆的回收工作，通过钻机角度的合理调整，将钻杆转移至管片预设位置同时进行钻杆的有效延伸。在采用凿岩机钻孔定位的过程中，应当先通过钻杆倾斜固定，在完成长度调整以后开展钻孔工作。钻孔主要是结合预设的数据开展钻孔作业，在具体的施工过程中为了有效防止出现卡钻的情况，往往是采用稀泥浆护壁的形式开展作业。

4.2.3注浆施工

    工程施工过程中，针对地层注浆作业来讲其主要作用在于填充，同时实现地层强度的有效提升，从而有效避免盾构隧道施工过程中产生盾构设备沉降等方面的问题。在此次地铁盾构隧道的建设过程中，注浆施工阶段重要的施工工艺主要涉及到注浆孔顺序的确定以及注浆过程中所采用的方法以及注浆参数的选择等方面。在具体施工过程中出现注浆压力相对较大的情况下应当选择间歇性的注浆方式进行注浆作业，通过间隔一定的时间从而使得浆液可以在地层得到有效地扩散，以此方式由于注浆压力过大从而导致地表出现严重隆起等方面的情况。在进行注浆参数的具体选择过程中通过结合此次工程项目施工现场地勘资料，从而采用复合型浆液进行注浆。并且在具体的施工过程中施工过程中应当根据地层内相关物质的具体分布情况展开对注浆配比以及注浆压力的合理调整。根据此次工程项目地质勘测结果进行分析，该工程项目施工现场地质主要为粉质黏土，因此在具体的施工过程中为了使得施工质量得到有效的保障，在各个地层注浆施工过程中都应当结合地层参数进行注浆压力的合理调整。在进行同步注浆的过程中应当注重注浆材料配合比的处理，在同步注浆过程中所采用的注浆材料为单浆液，在具体的施工过程中应当确保浆液在注入的时保持良好的流动性。因此在具体的施工过程中参与施工的相关工作人员应当综合考虑同步注浆材料的配比问题，通过采取合适的配比保持浆液的流动性，从而有效降低浆液搅拌难度以及尽可能防止施工过程中出现沉淀与离析等方面的问题。

5 结束语

    综上所述，地铁盾构施工关键是注浆技术，它既可控制地表变形，又可以提高隧道整体稳定性与防水性。因此要结合工程实际，选择合适注浆材料和注浆方式，调整注浆压力和注浆量的大小，提高施工质量，保障工程安全。

参考文献：

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