多用途集成式盾构机壁后注浆系统与应用

王太平，张洪涛，朱英伟，郑国良

（中建交通建设集团有限公司，北京 100142）

多用途集成式盾构机壁后注浆系统与应用

王太平，张洪涛，朱英伟，郑国良

（中建交通建设集团有限公司，北京 100142）

地铁隧道注浆主要采用单液同步注浆、双液同步注浆、及时注浆与二次补浆等几种形式，这几种注浆形式所选用的设备与注入方式大不相同，浆液的凝固时间与注浆效果也存在着较大差异。文章根据各种注浆系统在盾构机上的使用经验，对其结构组成和功能的实现方式进行分析研究，进而设计出一种多用途集成式盾构机壁后新注浆系统。

盾构机；壁后注浆系统；集成化；应用

1 盾构机壁后注浆方式

1.1 单液同步注浆

单液同步注浆是通过盾构机同步注浆系统及盾尾注浆管，在盾构向前推进时盾尾后端管片与岩土形成空隙的同时进行单液浆注入。浆液在盾尾后端空隙形成的瞬间及时起到充填作用，从而使周围岩体获得及时支撑，可有效地防止岩体的坍陷，控制地表的沉降（图1）。

1.2 双液同步注浆

双液同步注浆的双液浆是由水泥砂浆等搅拌成的A 液与由水玻璃等组成的 B 液混合而成的浆液。A、B 液在进入盾尾前通过管路混合头混合后同步注入盾尾注浆管，在盾构机向前推进时盾尾后端管片与岩土形成空隙的同时进行双液浆注入。A、B 液迅速反应，浆液凝固时间可控，浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时起到充填作用，从而使周围岩体获得及时的支撑，可有效地防止岩体的坍陷，快速控制地表的沉降（图2）。当盾构选用双液同步注浆系统时，容易在施工过程中造成注浆管路堵塞或盾构在维修保养期间盾壳与浆液凝结，从而影响盾构施工效率，通常在地表沉降要求较高的软土地层或富含水地层施工时采用该系统。为了防止注浆管路堵塞需要配置管路自动冲洗装置，增加管路清洗作业工序。

1.3 及时注浆

图1 同步注浆示意图

图2 双液同步注浆示意图

及时注浆是通过管片上注浆孔将浆液注入管片壁后的方法，其浆液充填时间滞后于掘进的时间，一般运用于自稳能力较强的地层。双液及时注浆时，通常注浆作业与盾构掘进不是同步进行，即，通过盾尾刷后端管片的注浆孔或吊装孔向开挖岩土与管片外壁之间的空隙填充双液浆，由于注浆作业与盾构掘进不同步进行，往往每环注浆量不易控制，容易造成管片错台或盾尾刷失效。

1.4 二次补浆

二次补浆一般在管片与岩土间的空隙内填充浆液，可选用单液浆也可选用双液浆，多采用双液浆。二次补浆主要受设备配置与作业平台影响，其充填密实性差，致使地表沉降得不到有效控制。主要在需要纠偏、加固或抗渗漏，堵截盾构机后方的水源，减少喷涌发生的机会，保证盾构机进出站安全等情况下采用二次补浆。

2 多用途集成式盾构机壁后注浆系统

2.1 设计思路

根据上述几种壁后注浆方式的特点，结合目前几种盾构机型的注浆系统使用情况与适应性分析，将上述几种浆液与注浆形式合理集成化，让设备多用途化，以满足施工地层多样化，确定设计研究思路如下：

（1）总结各种注浆系统在盾构机上的使用经验，分析其组成结构和功能的实现方式；

（2）进行市场调研，了解一些非盾构机上使的注浆系统的使用情况、各种重要部件和注浆泵的种类和形式，同时分析掌握注浆用材料的配比方法以及浆液的凝固时间等方面的参数，为注浆系统的选型做好充分准备；

（3）将单液注浆系统与双液注浆系统、及时注浆、二次补浆系统合理集成，并对该注浆系统所用设备的空间布置、注浆管路的合理配置、注浆枪头（包括二次补浆枪头的功能化设计）、盾尾注浆装置的结构形式以及可操作性进行研究分析；

（4）将机械、电气、气动PLC 可编程控制等相关专业方面的设计贯穿于注浆系统的设计中。

2.2 注浆系统原理与系统构成

通过对上述几种注浆类型的作用与优缺点分析，结合对目前几种盾构机型的注浆系统的注浆形式与使用情况研究，将上述几种浆液与注浆形式合理集成化，并以满足施工地层多样化为设计原则，重新构思设计一套多用途集成式注浆系统。多用途集成式注浆系统 A 液泵选用 2 台 SCHWING 泵（1# 泵、2# 泵），B 液选用 2 个螺杆泵（3# 泵、4# 泵），并设置有单独的B液箱。A、B 液通过盾尾管路混合嘴或安装在管片注入孔处的混合枪混合后以背衬方式同步注入，通过 1# 泵、2# 泵、3#泵、4# 泵、注浆阀组 A（包含阀 A-1、阀 A-2、阀 A-3、阀 A-4）、注浆阀组 B（包含阀 B-1、阀 B-2、阀 B-3、阀 B-4）、阀组 a（包含阀 a-1、阀 a-2、阀 a-3）、阀组 b（包含阀 b-1、阀 b-2、阀 b-3）的切换，最终实现同步单液注浆、同步双浆液、及时注浆、二次补浆几种注浆形式的相互切换与使用。系统原理与构成见图3、图4。

2.3 注浆电气控制系统

多用途集成式盾构机壁后注浆电气控制系统主要由注浆触摸屏、注浆动力柜、注浆控制柜、PLC 系统及相应的控制软件组成，在远端中控室与近端注浆控制柜处都可对注浆系统进行操作。控制系统通过接收管路压力、流量等传感器传来的信号，根据 PLC 控制系统设计的程序与操作设定值算法，调整变频器的输出电流与流量控制阀的给定电流来控制注浆系统各管路设定的流量与压力，系统还设置了急停、报警等保护装置（图5）。

3 多用途集成式盾构机壁后注浆系统应用

3.1 调试运行

3.1.1 单液同步注浆

图3 注浆系统原理图

（1）先手动操作控制面板，后操作远程终端。先单个泵与阀动作测试，后联机测试运行。

图4 注浆系统构成示意图

图5 注浆电气控制系统

（2）单液同步注浆时，1# 泵与 2# 泵启动，阀组 A中阀 A-1 与阀 A-2 打开，阀 A-3 关闭。阀组 B 中阀 B-1 与阀 B-2 打开，阀 B-3 关闭。通过调节泵的动作频率来改变注浆流量，分别对盾尾内上左、上右、下左、下右4 管路进行注浆。

（3）为防止下部管路堵塞只选择盾尾上部 2 路管路注浆，可通过选择关闭底部管路对应的泵和阀门来实现。

（4）通过阀 A-3 与阀 B-3 的开断可切换注浆口位置，保证注浆点的注浆量得到有效控制。

3.1.2 双液同步注浆

A 液泵的操作与单液同步注浆操作相同，当采用双液注浆时需根据地层情况调节 A、B 液注入比率与注入流量来控制注浆效果。B 液泵 3#泵、4 #泵通过变频控制流量，盾尾混合嘴 1-1 与混合嘴 2-1 完成 A、B 液的汇合后，通过盾尾管路最终注入到管片与岩土空隙中。

3.1.3 及时注浆

（1）采用及时注浆时可灵活选用单液、双液，通常多为双液管路注浆。

（2）若注单液，其操作与单液同步注浆操作类似，只需启动 A 液泵。通过开启阀组 A 中阀 A-4 与阀组 B中阀 B-4，并关闭盾尾内截门向管片混合枪 1-2、混合枪2-2，便可实现单液浆的注入。

（3）若注双液浆，A 液操作按照注单液操作进行。B 液的注入通过阀组 a 中的阀a-1、阀a-2开启，阀a-3关闭，阀组 b 中阀 b-1、阀 b-2 开启，阀 b-3 关闭来实现。

3.1.4 二次补浆

为提高背衬注浆层的防水性及密实度，考虑前期注浆效果不佳以及浆液固结率的影响，根据地表沉降监测的反馈信息，必要时在同步注浆结束后进行二次补浆。二次补浆的操作与及时注浆的操作相同，采用及时注浆管路将注浆管路续接加长，注入点可根据监测结果来确定，通过压力与流量控制来实现浆液的注入。

二次注浆一般每 5 环注 1 次，形成有一定范围的环箍，从而限制隧道的变形和沉降。每 5 环注浆量一般约为 2 m3，并根据实际隧道沉降监测情况进行调整，以保证隧道线形在规范要求范围内。

3.2 施工控制

多用途集成式盾构机壁后注浆系统在实际施工过程应用中需根据地层特点与施工监测结果，合理选择单、双液浆及注入形式的切换来满足施工地层多样化的需求。在注浆施工控制过程中主要是对注浆施工参数的控制，包括注浆压力、注浆量、注浆速率、注浆时间和注浆点的选择，其中注浆量、注浆压力是注浆施工中的关键参数。实际上，这几个施工参数相互关联，比如注浆压力大，注浆速率加大，在同样的时间里，注浆量也大。一定量的浆液，注浆时间越短，其注浆速率越大，注浆压力也就越大。在注浆施工中，可通过 2 种方法对注浆控制，一是通过注浆压力的大小控制注浆施工，二是通过预设的注浆量的多少来决定注浆过程是否结束。因此，在注浆施工中，合适的注浆量及注浆压力是注浆质量控制的保障，同时，地质条件对于注浆材料的选择也具有决定性。

3.2.1 注浆材料的选择

浆液材料类型的选择与地质条件密切相关，同时也与掘进方式、施工条件和成本控制等因素相关：

（1）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；

（2）软弱地层和地面保护要求较高，特别是有重要建筑物或地下管线的地段，宜优先采用双液注浆，如果施工管理水平较高也可采用单液浆液，单液浆惰性大保水性强，能够约束管片，保持隧道的稳定；

（3）在富水地层中，优先选用凝结时间较短的双液浆，防止浆液被地下水稀释；

（4）在泥水盾构中，为防止盾尾浆液对切削泥水的影响和切削泥水的后窜而稀释浆液，宜采用双液浆。

3.2.2 注浆压力

注浆压力需克服地下水压力、土压力、盾构机管道的摩阻力，才能将浆液注入到开挖洞身与管片的空隙中，但应避免浆液进入盾尾密封、浆液前窜至开挖面、扰动周围土体、改变初砌管片受力等问题的发生。一般而言，注浆压力取 1.1～1.2 倍的静止水土压力（通常在0.2～0.4 MPa），略大于隧道拱底的水土压力，大于拱顶水土压力的 2 倍以上。

3.2.3 注浆量

影响注浆量的因素很多，在实际施工过程中往往根据工程经验和监测数据来确定注浆量的多少，以确保其建筑空隙得到足量的填充。每环的压浆量一般为建筑空隙的 1.2～2 倍，二次补浆一般为同步注浆量的 30%～60%。盾构机进洞始发时，盾尾进入洞门土体第 1～3 环时，要将注浆量加大，并采用早强注浆材料进行注浆，以防止洞口地面发生沉降。

4 结论

（1）多用途集成式盾构机壁后注浆系统将几种浆液与注浆形式合理集成化，让设备多用途化，满足了施工地层多样化需求，既加快了施工进度，又降低了隧道工后沉降量，同时也节省了单独的二次注浆设备与成品隧道后期堵漏成本。

（2）多用途集成式盾构机壁后注浆系统的操作简单方便，注浆方式易于切换，将会在盾构机注浆系统中得以广泛应用。

（3）单液同步注浆、双液同步注浆、及时注浆、二次补浆其特点与工艺各不同，需要根据具体的施工情况来选择注浆方式。注浆工艺根据需求既可选择单液浆，也可选择双液浆。

［1］ 王晖，力大勇，夏广红.盾构机盾尾注浆施工中存在的问题及其对策分析［J］.苏州科技学院学报（工程技术版），2004（1）.

［2］ 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）.

［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）.

［4］ 邹翀.广州地铁二号线盾构隧道同步注浆技术［J］.水利水电技术，2003（2）.

［5］ 李成学，张志贺，张卫勇.浅论盾构工法中的背后充填注浆技术［J］.铁道建筑技术，2004（6）.

责任编辑 朱开明

Application of Segment Inner Grouting System by Multipurpose Integrated Shield

Wang Taiping， Zhang Hongtao， Zhu Yingwei， et al.

Metro tunnel grouting mainly uses single liquid pipe synchronous grouting， double liquid pipe synchronous grouting， timely grouting and secondary fi ll slurry methods.These different kinds of grouting methods have different ways of selection of equipment and injection， and the slurry solidification time and grouting effect also have big difference.Based on the experience of the use of various grouting system by shield machines， the paper makes an analysis and study on the structure and function of the system， furthermore a new grouting system is designed.

shield machine， segment inner grouting system，integration， application

U451

王太平（1981—），男，工程师

2016-01-14