土压平衡盾构洞内超前注浆加固技术的应用

土压平衡盾构洞内超前注浆加固技术的应用

邵海清

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司  江苏省无锡  214105

摘要：由于隧道施工中存在软土地质条件差、地面难以进行加固的情况，提出了采用洞内超前注浆加固的新方法，以确保沉降。通过工程实例，阐述了采用土压平衡盾构法在不良地层中进行预应力注浆的施工工艺，并对其特点进行了分析，对其施工过程和操作要点进行了阐述。同时，对施工期间的不良地层地面沉陷进行了分析。希望能更好地解决设备安装和维护、注浆材料的准备和调试等技术问题。

关键词：盾构掘进；洞内；注浆；地层加固

引言

近年来，盾构法在城市轨道交通、城际铁路等隧道工程中得到了广泛的应用，对地下建筑的防护和地面沉降的控制提出了更高的要求。但在特殊的环境和场所，不能采用注浆法进行地基注浆，而二次注浆不能有效地抑制地面的沉陷，会给地面建筑物带来损害。本文以穗莞深城际前海至皇岗口岸段工程3#工作井（不含）~1#明挖段区段盾构隧道的盾构施工为实例，利用盾构机加载超前钻具，在洞口进行超前预注浆，对开挖后的地面沉降进行了有效的加固。

1、工程简介

穗莞深城际前海至皇岗口岸段工程3#工作井（不含）~1#明挖段区段盾构隧道，位于超级总部站至皇岗口岸站区间，线路沿福荣路与广深高速公路中间绿化带敷设，沿线穿越地铁9号线、竹子林立交、广深高速福田互通立交、相关民房、商业建筑等。区段左线总长3017.314m，区段右线总长3007.773m，区段平面线间距20.6～11.83m，最小平面曲线半径R=500m；区间最大纵坡为17.548‰，隧道埋深8.3～44.8m。

2、设备选型

由于地下通道的上层地面是跑道，地面钻孔灌注桩已不适合传统的井眼注浆加固，只能采取“洞口超前注浆法”。针对现场隧道场地狭窄的特点，选择的钻机在隧道中使用简单、功率大、性能好、移动方便、体积小、占地少。由于盾构机盾壳外侧有土压力，加之该处段围岩为粉质粘土和砂岩，注浆口易发生塌方，故采用 Doofor钻孔灌注一体化装置。这种钻机可以在泥浆中加入止浆塞，起到阻止泥浆倒灌的作用。

3、设备安装

该钻机是一套用于超前注浆施工的成套设备，其中1台是在装配机上进行的，主要用于钻孔上部和中部；2号钻机是在拼装机后面的一个支架上进行钻孔的。

3.1安装1号钻机

a.将拼装机的右肩转动到水平位置，将1号钻机的压入机的右肩部固定。

b.为提前钻进拖链内的管线进行安装。

c.将1号钻机运送到地道中，将拼装机的右肩部转动到下端，将1号钻机装好。在输送过程中，要对超前钻上的阀座进行安全防护。

d.1号钻机用导向链条折叠钻机固定在钻机的基础上。

3.2安装2号钻机

1号钻机完成后，将环梁和2号钻头送进隧道。

3.3设备调试

两套超前钻井一体化设备的机械部件安装完毕后，将管线与设备相连接，进行调试。

4、超前注浆施工工艺

在盾构机的前部设有钻井孔，1号钻机与2号钻机分别安装在管片组装机上，2号钻机固定在组装机后面的安装架上，通过无线电设备进行钻井，在钻井过程中，采用止浆塞和防喷装置，以防止泥浆及灌浆物料外泄。采用定量和定压标准来确定注浆终点的依据，保证了注浆桩的施工质量。

4.1施工工艺流程

4.2超前注浆施工

4.2.1注浆孔设计与钻孔施工

（1）注浆孔设计

为达到对软土进行钻孔灌注补强的目的，结合场地的土壤分布及盾构机的构造特性，提出在主拱180度和仰拱90度之间布置超前预灌浆孔，注浆孔环方向间隔不超过1.3米，灌浆孔倾角不超过10度，灌浆孔与刀盘之间的间隔应不超过3米，浆料的散布半径1.2米，每次灌浆区域均在4圈以内。

（2）钻孔施工

采用钻井一体化设备，采用“先外围，后拱顶，中间孔”的方法，实施了以下几个步骤：

a.在密封设备中插入一个堵漏塞，并且与球形阀门2相联结。将球形阀门2维持在闭合的位置，然后开启盾构式管道球形阀门1，然后将其整个推进到护罩管道中。

b.将与止料塞配合的密封件凸缘与球形阀门1的法兰相联结。

c.将钻具放置位置，并调节钻具的倾角，首先用倒立的方式将钻具与钻具进行倒置，再将钻具与钻具相衔接。然后将防喷装置和渣土收集阀门连接到止浆塞2上。

d.打开止浆器的球形阀门，使其进入指定的位置（具体的使用方式参见钻井设备的使用手册）。

e.将压缩气体经止浆塞的注水口注满，使其胀大，并将其封闭。

4.2.2注浆施工

（1）注浆量估算单孔注浆量按下式进行计算：

Q=πR2Hnα（1+β）

式中：Q—单孔注浆量m3；R—浆液扩散半径，取1.2m；H—超前注浆加固深度，取12m；n—黏土孔隙率，取35%；α—地层填充率，依据经验取黏土40%；β—浆液损失率，取20%；按照以上计算单孔注浆量Q=9.12m3。

（2）单孔注浆结束标准

在单孔灌浆结束时，采用了定量和压力控制，特别是：

a.定量准则：单棒（1.8米）的灌浆量粘土区段为2.4立方米，在单棒注浆量达到设计注浆量的1.5~2倍后，压力仍未升高，可通过调整浆液比例、改变注浆材料、缩短胶凝时间、间歇注浆等方法，将注浆压力降至设计极限；终止此注浆。

b.定压规范：预加固的最终压强值为：0.5-1.0 MPa，在最后一根柱注浆到达设定值后，将注浆压力保持在设计端，并保持5 min以上即可结束。

（3）注浆准备

a.注浆管路连接。

b.检查注浆量是否符合持续灌浆的需要，如果不能，必须等到灌浆量足够后再进行灌浆。

c.对灌浆装置进行压水检验，其压水压力是设计灌浆压力的1.2倍，以便检验灌浆设备的密封性能和是否良好，并对搅拌设备的运转情况进行检查，一旦发现问题，及时处理，以防止由于注浆时的机械故障而导致灌浆中断。

d.对堵头进行检查，如发现堵头不能起到有效的封堵作用，必须及时更换，避免影响施工。

（4）注浆

a.灌浆工作从钻机的注浆口开始，并在向后退杆的同时进行灌浆，直到距盾构刀盘的前端1.2米（这时大约5个）。

b.在钻机的注浆口注入膨润土的情况下，钻杆不断后退，以阻止泥浆通过成形孔进入盾构刀盘。

c.将钻头收回到集料阀中，将球阀2关闭，为下一孔的灌浆做好准备。

5、效果验证

在此基础上，盾构隧道的设计，提出了16 mm的预警值和20 mm的控制值。通过对下穿不良地段前100 m地面观测资料的整理和汇总，以证实其实际应用效果，从而调整施工参数和设备参数，为以后的施工提供依据。分析了左、右线前100 m的观测资料，分析结果表明，左线与右线淤泥区头100 m处的变形趋势基本一致，呈现出初期大、后期稳定的特点。

6、工法特点

(1)先期进行地下工程，克服了以往采用地面灌注桩的常规加固工艺，减少了工程对周边土壤和土壤的影响，特别是对地面设备的损害。

(2)利用钻孔、注浆机等施工机械，可在原有的盾构机等部位灵活地进行装配，并利用无线设备进行控制，实现了高度的机械化；确保了灌浆工艺的可靠、高效。

(3)使用堵浆塞及防喷器，能有效地阻止泥浆及灌浆物料的泄漏。

(4)采用定量和定压标准来判定灌浆，从而能有效地确保灌浆的有效性和稳定性。

7、结语

采用钻孔灌注补强技术，顺利穿过了软土和沙层，并将地表沉陷限制在5 mm以内，对其它区域的施工没有造成影响。通过在隧道中安装提前钻孔，利用盾构机具进行超前预注浆，可以对挖掘后的基坑进行加固，从而达到控制地面沉陷的目的。隧道中的管段安装顺利，没有出现不均匀沉降和渗漏现象。在隧道开挖过程中，采取了“土压均衡式隧道预应力灌注法”，可以有效地减少对周边环境的破坏，保证工程的安全性。在我国，这种方法的运用尚不多见，有必要进行深入的归纳与实践，为以后的工程建设工作的技术支撑。

参考文献：

[1]土压平衡盾构防喷涌装置与配套工艺研究[J].傅重阳.建筑机械化.2022(10)

[2]渣土泵送技术在土压平衡盾构机分体始发中的应用[J].熊栋栋,陈祥龙.城市轨道交通研究.2021(10)

[3]土压平衡盾构区段粉质黏土渣土改良技术探讨[J].孟宪雷.现代城市轨道交通.2020(02)

（1978.11）男，辽宁绥中，满族，本科，高级工程师，城市地下工程