浅谈盾构施工中同步注浆

2020-10-20高建森

砖瓦世界·下半月 2020年2期

关键词：管片浆液砂浆

高建森

摘要：文章对于盾构施工中同步注浆施工工序进行了探讨，通过对检索文献中相关经验的总结，并结合工程实践，对注浆工艺、注浆量的计算提出了经验性成果和方法。

关键词：同步注浆盾构施工;注浆压力

一、同步注浆的目的

盾构同步注浆就是在隧道内将具有适当的早期及最终强度的材料，按规定的注浆配比、注浆压力和注浆量在盾构掘进的同时填入盾尾空隙内。其目的是：

（一）尽早填充地层，减少地基沉降量，保证周围环境的安全性。

（二）确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密实性。

（三）作为衬砌防水的第一道防线，提供长期、均质、稳定的防水功能。

（四）作为隧道衬砌结构的加强层，使其具有耐久性和一定的强度。

同步注浆是通过同步注浆系统及盾尾的注浆管，在盾构向前推进、盾尾空隙形成的同时进行，浆液在盾尾空隙形成的瞬间及时填充，从而使周围岩体及时获得支撑，可有效地防止岩体的坍塌，控制地表的沉降。同步注浆的基本原则是要保证有足够的浆液能很好的填充管片与地层之间的空隙。

二、注浆材料与配比

（一）浆液的基本要求

1、浆液特性

盾尾注浆所要用的浆液与地基加固注浆浆液不同，普通地基加固浆液最主要的是浆液的渗透性，即灌注时要求浆液浸入地基岩土起固结岩土作用，而管片外部充填材料最基本的特性是填充性及其紧密相关的流动性和流失性，同时要求浆液硬化后具有很好的固结性。

注浆材料分惰性材料和胶结性材料。惰性浆液流动性好，不易产生堵管，但注入后长时间不凝固，难以起到防水层的作用，同时对已拼装管片的约束小，盾构推进过程易导致管片位移、变形;而胶结性浆液（砂浆）凝固后能在管片外形成一个保护层，加强防水效果，但易产生堵管。显然，采用胶结性浆液更有利于提高工程质量。

（二）浆液的基本要求

1、为了顺利地进行盾尾注浆，要求浆液满足：

1.1浆液流动性好，易泵送，浆液稠度控制在7～9cm范围;

1.2浆液注入空隙后尽快固结硬化，其早期强度应约等于原状土，28d长期强度：土层约1.0～2.0MPa，岩石约3.0～4.0 MPa;沙层约2.0MPa。在满足注浆施工的前提下，尽可能早地获得高于地层的早期强度。

1.3浆液固结后要有一定的动强度，能满足地震基本烈度7度条件下不液化的要求;

1.4浆液固结后的体积收缩率和渗透率小;

1.5浆液稳定性好，不离析，不易受地下水稀释;

1.6注浆结束后残留在注浆管内的浆液易于清洗;

1.7浆液无毒无害无刺激性气味，原料来源广，价格低廉。

2、为了保证壁后注浆的填充效果，施工中结合现场条件和盾构机自身注浆系统的配置，选取了两种单液浆组成以便进行对比优选：

2.1.以水泥、粉煤灰为主剂的常规单液浆a

成分：水泥、粉煤灰、细砂、膨润土和水;

同步注浆材料为水泥砂浆，由水泥、砂、膨润土、粉煤灰和水组成，并根据凝结时间要求添加外加剂，材料要求：

砂要求采用细度模量1.6～2.3的细砂，不允许夹杂有5mm以上的豆石或杂物，需要时需对砂子进行过筛处理;

水泥、膨润土不能有结块现象

砂浆凝结时间控制在5-8h。通过试验，同步注浆浆液采用如下配比效果较好：

备注：①表中C表示水泥，F表示粉煤灰，S表示砂，B表示膨润土，W表示水;

②外加剂为RH1100CA引气剂（兼有缓凝作用）。

2.2以生石灰（增加浆液的粘度，并有一定的固结作用）、粉煤灰为主剂的惰性浆液b

成分：生石灰、粉煤灰、细砂、膨润土和水。

浆液组成a以水泥作为提供浆液固结强度和调节浆液凝聚时间的材料，浆液组成b以粉煤灰作为提供浆液固结强度和调节浆液凝聚时间的材料。其中浆液组成b中使用的粉煤灰可以改善浆液的和易性（流动性），生石灰能增加浆液的粘度，并有一定的固结作用，膨润土用以减缓浆液的材料分离，降低泌水率，还具有一定的防渗作用。引气剂通过物理作用在干粉砂浆引入稳定的微气泡。这使湿砂浆的密度降低，施工性更好，并且提高了湿砂浆的产量。引气剂的掺量随干粉砂浆种类和引气剂种类的不同而不同，但引气剂的掺量通常很低，一般只有水泥质量的0.002%-0.01%，不超过水泥质量的0.05%。砂在两种浆液中都作为填充料。

与水泥浆液相比，以生石灰、粉煤灰为主剂的浆液的凝聚时间较长，在10～12小时左右。考虑到盾构掘进过程中一些不可避免的停机，若浆液的初凝時间较短，则增加了停机期间发生堵管的可能性，增加额外的清洗工作，并影响盾构的继续掘进。水泥浆液的流动性略优于惰性浆液。但两类浆液随时间的变化趋势略有不同，水泥浆液的流动性随时间推移下降幅度较大，而惰性浆液的流动性保持平稳。

3、砂浆的拌制

砂浆拌制采用全自动搅拌系统，根据砂浆设计配比计算出每方砂浆中各种材料含量，将数值输入搅拌站控制面板后，搅拌系统即可自动称量各种材料。每次只能称量一方砂浆，若要拌制多方砂浆，需多次称量，称量完后再进行搅拌。

制浆时的注意事项：

3.1对于制浆材料要把好质量关，选用供货质量稳定的供货商。拌制浆液时，不能投入固结的生石灰和膨润土，砂料应是粒径2～4mm的细砂（为达到要求粒径，砂浆搅拌站上料口铺一层筛网，筛网规格为0.4cm×0.4cm），如果砂料粒径控制不到位，粒径过大，将会将注入泵堵塞;含泥量不能超过标准，不得混有杂物和大粒径石子，粒径过大会导致同步注浆泵的堵塞，会耽搁宝贵的盾构工期;

3.2浆液搅拌要充分，拌和要连续，不能间断，如果搅拌不充分或者搅拌过程中间断过长的时间，会导致砂浆的离析或者沉淀，在泵送过程中导致泵的补浆泵的堵塞，严重时可能导致电机车上砂浆灌搅拌叶片电机烧掉;

3.3定期检查计量系统，保证按配比生产浆液;

3.4根据拌制的第一罐浆液的性能指标，合理调整各骨料和水的加量，保证浆液的性能最终满足要求;

3.5按规定对设备进行日常维护保养，使设备经常处于良好的工作状态。冬季施工，要对浆液搅拌站的关键部位做好保温工作。

3.6缩短供货周期，尽量缩短原料在施工现场的存放时间，减少材料的板结现象。如用含水量较大的细砂，应相应地调节水的加量。

四、浆液运输

（一）若浆液运输距离较长，直接泵送至盾构机浆液罐内容易发生堵管现象，应采用浆液罐车运输，缩短泵送距离，减少堵管现象的发生;

（二）在浆液站向罐车内泵送浆液的过程中，应保证罐车在连续搅拌，防止浆液离析;浆液运送到后配台车后，应及时泵入到储浆罐中，由储浆罐继续进行搅拌;

（三）罐车泵送完浆液后，及时进行清洗;

（四）检查从注入孔到泵的输浆管接头的好坏;

（五）定期清理注浆管及注浆孔。

五、同步注浆系统

盾尾同步注浆系统，包括储浆罐、注浆泵和控制面板三部分。储浆罐容积为6m3，可容纳盾构掘进1环注浆所需的浆液。浆罐带有搅拌轴和叶片，注浆过程中可以对浆液不停的搅拌，保证浆液的流动性，减少材料分离现象。配套设置的2台注浆泵，可以同时对4个加注口实施同步注浆，2台注浆泵每个冲程大约打出0.041方浆液，3.1方砂浆大约要76次打完，按每分钟3次计算大于需要25分钟.注浆系统具有手工、自动两种操作方式，自动模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。浆液在搅拌站配置好以后，由砂浆运输车运注浆站，通过软管抽送至砂浆存储罐内，至连接好注浆管路，并在设定压力、流量后进注浆。

六、注浆压力

根据注浆的目的和要求（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降影响地表建筑物与地下管线的安全;避免过大的注浆压力引起地表有害隆起或破坏管片衬砌，防止注浆损坏盾尾密封），同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压力及土压力之和，做到尽量填补同时又不产生劈裂。在综合考虑地质条件、隧道埋深、管片强度、设备性能、浆液特性和土舱压力的基础上注浆压力确定为2～3bar。隧道底部注浆管注浆压力取3bar左右，隧道上部注浆管注浆压力取2bar左右。注浆压力过大，管片周围土层将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆;而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，会使地表变形增大。

注浆量

注浆量的确定是以盾尾建筑空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑适当的饱满系数，以保证达到充填密实的目的。根据施工实际，在以粘土、粉砂、中粗砂为主的软弱地层中，注浆量饱满系数为1.3～1.8。本标段盾构区间地质主要为细、中砂，取饱满系数1.5。

同步注浆量经验计算公式：

Q=V*λ

V=理论充填体积

λ─饱满系数，λ=1.5

V=π（D2-d2）L/4

D─盾构开挖外径（m），取6.18m;

d─管片外径（m），取6m;

L─管片环宽（1.2m）。

计算得出每环注浆量为：Q=3.1m3

在曲线段时，为满足转弯要求，盾构开挖有一定的超挖量，因此在曲线段注浆量需适当提高。在没有特殊情况下注浆量尽量维持在3.1方，避免注浆量出现较大的波动，造成管片错台的出现。施工中假如发现注入量持续增多时，必须检查超挖、漏失等因素。而注入量低于预定注入量时，可以考虑是注入浆液的配比、注入时期、盾构推进速度过快、管路堵塞或机械出现故障所致，必须认真检查采取相应的措施，一般可采取加大注浆压力或在盾构掘进后进行二次补浆。

七、注浆速度

注浆速度由注浆泵的性能，单环注浆量确定，注浆应与掘进速度相适应。如注浆过快易造成盾尾漏浆，如注浆过慢则注浆充填效果不易达到。盾构机推进开始注浆，推进完毕注浆结束。注浆尽量均匀按每环4.5方的注浆量算，注浆手还要根据注浆压力适时调整注浆速度即压力的小时加快速度增大注浆量。

八、注浆顺序

同步注浆通过盾尾预留注浆孔在盾构机推进的同时压注，在每个注浆孔出口（我们盾构机测得的注浆压力实在机内操作平台左侧压力表测得）设置压力传感器，以便對各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而实现对管片背后的对称均匀压注。为防止注浆使管片受力不均产生偏压导致管片错位造成错台及坡损，同步注浆时必须对称均匀的注入。补强注浆应先压注可能存在较大空隙的一侧。

（一）注浆施工工艺

注浆工艺是实现注浆目的、保证地面建筑物、地下管线、盾尾密封及衬砌管片安全的重要一环，因此必须严格控制，并依据地层特点及监控量测结果及时调整各种参数，确保注浆质量和安全。

（二）同步注浆施工工艺

为了使环形间隙能较均匀地充填，并防止衬砌承受不均匀偏压，同时对盾尾预置的4个注浆孔进行压注，在每个注浆孔出口设置分压器，以便对各注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而获得对管片背后的对称均匀压浆。同步注浆施工艺流程见图1。

（三）注浆结束标准

同步注浆结束标准为注浆压力达到设计压力，注浆量达到设计注浆量的80%以上。壁后注浆的效果好坏，关键在于浆液在管片与地层间的间隙是否完全充满及浆液填充后地层沉降是否得到有效控制。对注浆不足或注浆效果不好的地方进行二次补强注浆，以增加注浆层密实性，提高防水效果。

（四）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（注浆时间）曲线，并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：打开管片吊装进行探测，察看管片背后的注浆厚度和注浆凝固的强度。

3、在砂土地层，注浆压力很小而注浆量较大时，增加注浆量直至注浆压力达到注浆压力的下限。九、质量保证措施

1、按照《质量计划》要求，注浆是按特殊过程控制程序进行控制：人员须培训后上岗;所用设备、计量器具等需经过鉴定;所用各种原材料的检验执行《采购产品的检验和试验控制程序》;施工过程施行连续监控，并形成记录。

2、注浆前进行详细的浆液配比试验，选定合适的注浆材料及浆液配比，保证所选浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标符合设计施工要求。