盾構施工注漿工法的應用

1、11:37盾構施工注漿工法的應用廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司廣州地鐵設計院盾構技術研究所王 暉wh3幻燈片 1wh3121212121王暉, 2004-11-111:37前 言盾尾注漿的概念：由于盾構機刀盤的開挖直徑大于管片外徑，管片拼裝完畢并脫出盾尾后，與土體間形成一個環(huán)形間隙，簡稱超挖間隙。超挖間隙如果不及時得到填充，勢必造成地層變形，使相鄰地表建、構筑物沉降或隧道本身偏移。填充超挖間隙、防止因超挖間隙的存在導致地層發(fā)生較大變形，是盾尾注漿的最重要目的之一。因此，盾尾注漿是盾構工法中必不可少的關鍵性輔助工法，合理的施工工藝選擇是盾構掘進施工安全順利的保證。11:37一、盾構注漿的目的二、盾

2、構注漿的分類三、漿液的選擇四、注漿設備五、注漿管理六、注漿施工中常見問題及對策11:37一、盾構注漿的目的：、減小地層損失所發(fā)生的變形盾尾脫離管片后，土體與管片存在著間隙，此時漿液迅速及時填充空隙，可立即彌補土層損失，從而減少地表的變形。盾構機超挖間隙11:37、提高隧道抗?jié)B性能盾尾注漿液凝固后，一般有一定抗?jié)B性能，可作為隧道的第一道止水防線，從而提高隧道抗?jié)B性能。、確保管片襯砌的早期穩(wěn)定具備一定早期強度的漿液及時填充盾尾間隙，可以確保管片襯砌的早期和后期穩(wěn)定。盾構隧道是一種管片襯砌與圍巖共同作用的結構穩(wěn)定的構造物，管片背面空隙均勻、密實地注入、充填是確保土壓力均勻作用的前提條件。11:374

3、、通過超前注漿預防地層變形。對于前方地質(zhì)軟弱或異常（如溶洞、土洞等情況），采用超前注漿等方式預先加固起到預防地層變形效果。也為開倉檢查創(chuàng)造條件。5、通過二次注漿起到以下作用：（1）糾偏、進一步加固或抗?jié)B漏效果。（2）堵截盾構機后方的水源，減少噴涌發(fā)生的機會。（3）保證盾構機進出站安全。11:37二、盾尾注漿系統(tǒng)分類1、根據(jù)盾尾注漿與盾構掘進的關系，從時效性上可將盾尾注漿分為三大類：（1）同步注漿：超挖間隙形成的同時，立即注漿，使?jié){液即時填充超挖間隙的方式。（2）及時注漿：掘進了一環(huán)或數(shù)環(huán)后，盾尾已存在大量間隙空間，才對超挖間隙進行注漿的方式。這種注漿方式由于不能迅速對超挖間隙進行填充，增大了對

4、土的擾動性，不利于地面沉降控制，而且由于早期管片脫出盾尾后處于懸空狀態(tài)，受力狀態(tài)較差，容易發(fā)生錯臺。因此，僅在地質(zhì)情況良好、對地表沉降要求較低時才能使用。（3）二次注漿：一次注漿效果不理想時，需要通過二次注漿對前期注漿進行補充。一般在隧道發(fā)生偏移、地表沉降異常及一些特殊地段使用。11:372、根據(jù)盾尾注漿的位置不同，可將盾尾注漿方式分為兩類：（1）通過安裝在盾構機盾尾上的注漿管注漿：這種注漿方式大多采用同步注漿，注漿管的埋設形式，從數(shù)量上有兩種。11:37日本盾構機在軟土地層的注漿管布置（凸出式）海瑞克盾構機的注漿管布置（內(nèi)嵌式）從注漿管與盾殼的關系上，分為兩種后體沖洗水可實施雙液注漿的同步注

5、漿系統(tǒng)同步注漿裝置清掃孔注漿材料活塞沖洗管開關千斤頂11:37同步注漿系統(tǒng)動作說明圖11:37沖洗時后體開注漿材料關注 漿 時沖洗水11:37B液箱閥單位B) 同步注漿系統(tǒng)同步注漿裝置水箱A液箱11:37只能實施單液注漿的同步注漿系統(tǒng)檢查、疏通孔 11:37盾構千斤頂盾構外板1管片2旋塞切換3A液B液盾構千斤頂盾構外板1管片2 3A液B液旋塞切換 盾構千斤頂A液B液（2）通過管片上的注漿孔注漿：這種注漿方式既可進行同步注漿，也可進行及時注漿和二次注漿。盾構外板1管片2旋塞切換3盾構千斤頂盾構外板1管片2 3A液B液旋塞切換 管片組裝掘進開始，諸如開始掘進40cm，注入旋切換掘進結束，注入結束比

6、較項目通過盾尾注漿管的注漿通過管片注漿孔的注漿適用性極軟地層，填充效果會受到限制。所有地層。并可用于糾偏、封堵盾尾水源、加固等注漿形式利用盾構機本身的注漿系統(tǒng)，多采用同步單液注漿，也可實施同步雙液注漿?？梢岳枚軜嫏C的注漿系統(tǒng)，也可以單獨配置注漿系統(tǒng)，多實施及時注漿或二次注漿，也可實施同步注漿。可操作性因注漿管路已安好，注漿操作容易。自動化程度高，施工控制相對簡單。每組裝一環(huán)管片，需要向管片注漿孔連接管路，拆除管路，操作困難。實施同步注漿的施工控制復雜。注漿效果可以通過調(diào)整不同注漿管的壓力和注漿量使?jié){液均勻地分布于地層中。漿液不易分布均勻。漿液的可選性多選用單液漿可靈活選用單液、雙液或聚合物等

7、。管片壁后注漿材料在管道內(nèi)堵塞，注漿困難。在軟弱地層中掘進，如果管片壁后注漿延遲，容易引起地層沉降超量。泥水平衡式盾構機，管片壁后注漿材料流向開挖面，引起土倉內(nèi)泥水劣化及泥水壓力變動。同左兩種主要注漿方式的比較11:373、根據(jù)漿液的輸送形式，盾尾注漿分為：（1）直接壓送式：由坑外拌漿設備直接把漿液壓送到管片等注入口處的注入方式。盾構直徑小、推進距離短時使用。（2）中繼設備式：由坑外辦漿設備把漿液壓送到放置在后方臺車上的中繼設備上，由裝在臺車上的注漿泵注入的方式。推進距離長、盾構直徑較大的場合使用。（3）坑內(nèi)運輸式：坑外拌漿設備壓入到放置在臺車上罐中，經(jīng)坑內(nèi)運輸，用坑內(nèi)注漿泵注入的方式。不用擔

8、心輸漿管堵塞和水清洗，適于定量注入。（4）坑內(nèi)拌漿：各種漿液材料搬到裝在坑內(nèi)后方臺車上的坑內(nèi)拌漿設備上，然后混拌注入。11:37三、漿液的選擇1、漿液的主材漿液指由主劑（主要原材料）、溶劑（水或其他溶劑）及各種外加劑按一定比例配制而成的混合液體。漿材分為化學漿材（水玻璃類及高分子類）、非化學漿材（水泥、粘土、砂、粉煤灰等）。幾種主材的物理特性及技術要求：（1）水泥：礦渣水泥較普通水泥中熟料含量比普通水泥多，早期強度低，后期強度高，但難以磨細，親水性差，泌水大。（2）膨潤土：分為天然膨潤土、改性膨潤土和活性膨潤土。天然膨潤土又分鈣基膨潤土和納基膨潤土。優(yōu)選納基膨潤土。根據(jù)法國隧道工程協(xié)會推薦：膨

9、潤土水泥漿液配比是每m3加入20-80kg，水泥100-700kg。應先將膨潤土與水混合，預膨脹后再與水泥攪拌混合。（3）水：不含過量的酸、堿、鹽（0.1%）、氯化物（0.5%）以及其他過量懸浮雜質(zhì)的水都能用來作為拌漿用水。11:37（4）砂：考慮耐久性、流動性、收縮和堿性反應等因素，要求級配均勻，最大顆粒不超過2mm，當送漿距離遠時，最大粒徑0.5mm。（5）水玻璃：又名硅酸鈉（Na2SiO3），是常見的水溶性硅酸鹽。水玻璃溶于水時發(fā)生水解反應，使溶液呈堿性。Na2OSiO2+H2ONaHSiO2+(m-2)SiO2aq通常市售水玻璃濃度50-56Be，而注漿需要的濃度多為30-45Be，因

10、此需要稀釋后使用。（6）高分子材料聚氨酯類：水溶性和油溶性兩類。聚氨酯類漿液遇水后發(fā)生水解反應，凝膠體體積迅速膨脹，同時發(fā)生連鎖反應，產(chǎn)生交聯(lián)形成泡沫凝固體?？勺⑿院谩?1:372、注漿液應具備的特性（1）充填性好，不易流失到盾尾空隙以外的其他區(qū)域。（2）漿液和易性好，不易離析，能長距離輸送。（3）漿液注入時不宜被地下水離析。（4）漿液填充后，早期強度均勻，能夠穩(wěn)定隧道。（5）漿液硬化后收縮率和滲透系數(shù)小。（6）無公害、價格便宜。最重要的要求是：充填性、流動性、和易性、凝固強度（早期強度）。11:373、漿液種類 ：（1）單液漿：由粉煤灰、砂、膠凝材料、水、外加劑等在攪拌機等攪拌器中一次拌合而

11、成。根據(jù)凝膠材料的加入情況，單液漿又可分為惰性漿液和硬性漿液。惰性漿液即漿液中沒有摻加水泥等凝膠物質(zhì)，早期強度和后期強度均很低的漿液。而硬性漿液即在漿液中摻加了水泥等凝膠物質(zhì)，具備一定早期強度和后期強度的漿液。（2）雙液漿：由水泥砂漿等攪拌成的A液與由水玻璃等組成的B液混合而成的漿液。根據(jù)凝結時間和固結形態(tài)，可以分為以下幾類：緩凝型：凝膠時間大于30s。可塑態(tài)固結區(qū)時間很短瞬凝型：凝膠時間小于20s。可塑態(tài)固結區(qū)時間較短可塑型：凝膠時間6-20s?？伤軕B(tài)固結區(qū)時間較長當A液中加入粉煤灰或礦渣時，可以適當延長膠凝時間11:37凝膠時間、固結強度、氣溫與漿材參數(shù)的關系水灰比：B液濃度一定時，A/B

12、液體積比一定時，水灰比越大，漿液的凝膠時間越長。11:37水玻璃濃度：其他因素不變時，水玻璃濃度增加，凝膠時間開始略有下降，最后略有回升。11:37A/B液體積比：其他因素不變，水泥漿與水玻璃體積比在1:0.3-1:1范圍內(nèi)，體積比越大，凝膠時間越短。通常A液流動粘度控制在25-35s，B液20s左右，27-30Be體積比8:1-14:111:37水泥用量與單軸抗壓強度的關系因此，調(diào)整漿液凝膠時間的最優(yōu)選擇，是調(diào)整水灰比，其次調(diào)整體積比。幾組注漿配比例子單液：水泥:砂:粉煤灰:膨潤土:水50:220:510:20:200:3；0:680:400:100:430;100:240:400:30:2

13、30;250:1330:150:100:300:2; 250:1330:0:30:420:14.1雙液：A液：水757：水泥382：膨55：穩(wěn)定劑1.47B液：硅酸91L 7sA液：水703：水泥400：膨133：穩(wěn)定劑2B液89.3 13sA液：水816：水泥367：緩凝劑2.9B液：11811-13sA液：水819；水泥260；膨潤土30；緩凝劑0.9B液：水玻璃80；11:376-11s 30-40min，4MPa材料名稱A液B液水泥P.O32.5粉煤灰膨潤土水水玻璃水價格3401204003610311:37A、B液價格比較四、注漿設備盾尾注漿設備基本上由材料貯藏設備、計量設備、拌漿機

14、、貯液罐、注漿泵、注入管、注入控制裝置、記錄裝置等構成。材料貯藏設備：縱型筒倉和橫型筒倉兩種。計量設備：多采用計量重量和容積這兩個參數(shù)。拌漿機：多以攪拌式為主，有單槽、橫雙槽、上下雙槽型等。貯液罐：多用帶攪拌器的罐，容量多按1-2環(huán)標準注入量計。注漿泵：有適于壓送漿液和適于注漿兩種，漿材改變，泵的使用條件也改變。泵要求的噴射壓力與輸漿管直 11:37。徑11:37注入輸漿管：輸漿管直徑不同，漿液類型不同，管的阻力也不同。雙液漿的混合裝置：多采用簡單的Y型管混合注入。但這種混合方式的效果不好，容易出現(xiàn)A、B液倒流現(xiàn)象。注漿控制系統(tǒng)：由千斤頂速度測定裝置、注入量調(diào)節(jié)裝置、自動注入率的設定裝置、變速

15、電動機、壓力調(diào)節(jié)裝置、記錄裝置、報警顯示裝置、A/B液注入比例設定裝置等構成。11:37管路混合器實例：11:37雙液注入方式的背后注入系統(tǒng)圖實例11:37五、注漿管理1、注入量Q=VV: 空隙量：V=/4(D22-D12)L+V：注入率，它的選擇對于注入量至關重要。與 1、2、 3、 4等因素密切相關1：注入壓力決定的壓密系數(shù)壓密現(xiàn)象與漿液組成、有無凝膠能力及凝膠時間長短、有無可塑狀固結及保持時間的長短、注入壓力的高低及其他施工條件密切相關。2：土層情況：3：施工損耗系數(shù)：漿液運輸、泵送注漿的過程中，在運漿車、輸送管路或貯漿罐中均會發(fā)生損耗，輸送距離越長，損耗越嚴重；另外，向掌子面和盾尾的流

16、失等。4：超挖系數(shù)：因刀具選用、土層特性、有無曲線段及其他施工條件不同而有很大差異轉彎半徑越小，超挖量越大，土體損失最大百分比為：式中，l為盾構長度，R為曲率半徑，r為隧道半徑。2、注漿壓力為使盾尾間隙能夠得到有效補充，必須以一定的壓力壓送漿液，才能使?jié){液均勻地分布于管片周圍。正常掘進時，壓力設定等于土層阻力加上0.050.15MPa之和。注漿壓力的設定，還要注意以下參數(shù)：（1）不大于盾尾密封壓力的警戒值（2）不大于管片能承受的最大壓力（3）根據(jù)管片脫出盾尾后的變形監(jiān)測成果判斷。一般情況下，管片脫出盾尾后會發(fā)生上浮或下沉。通過調(diào)節(jié)上下注漿管壓力可以起到一定效果。（4）地表建筑物沉降情況。11:

17、378l(R+a)Vw% =11:373、注漿位置11:374、注漿管理（1）注漿管理日報每日均應對環(huán)序號、注入位置、注入壓力、注入量等參數(shù)記錄，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比。（2）材料管理每天檢查注入材料的使用量，避免材料不合理分布，另外檢查配合比是否異常。（3）注漿機械檢修每天注漿結束都應檢查泵、拌漿機、其他機械、器具是否存在異常，以便及時維修調(diào)換。（4）輸漿管檢查不僅僅是水沖洗，還應投放疏通球疏通，另外對于接頭滲漏做好檢查。（5）安全文明施工配比(kg/100L)流動度(s)析水率(%)配置順序水泥膨潤土水50781.44.33.5WBC50781.43.830.6WCB11:375、施工控制注意事

18、項1）單液漿（1）根據(jù)系統(tǒng)的自動控制程序：同時注意采用壓力與注漿量的雙重控制。（2）漿液拌制：若有膨潤土，應提前一天制成溶液，再與其他原材料混合。（3）注意漿材混合順序的正確性。11:37（4）根據(jù)施工掘進情況，嚴格控制拌漿時間。漿液拌好后，注入砂漿運輸罐，運輸、儲存時間不宜過長（小于初凝時間），若需運輸、儲存時間長時，考慮加緩凝劑。（5）砂漿未到前，清洗注漿管路，安裝傳感器。（6）向貯漿罐中輸入砂漿時，應同時啟動砂漿攪拌器，防止砂漿固結。（7）同時對4個注漿孔進行壓注，在每個孔出口設置分壓器，對各孔注漿壓力和注漿量進行檢測與控制。（8）作業(yè)完畢，攪拌機、運輸罐、泵、注漿管路一定要及時清理干凈

19、。（9）應配備專用注漿管路清洗機：水洗和活塞型。（10）應配備備用管路，避免堵塞后無法注漿。11:372）雙液漿（1）混合形式：距離（2）注漿系統(tǒng)清洗：a攪拌站和計量器：每天b貯漿罐：防止附著在槽內(nèi)壁的漿塊落入槽中堵塞c運輸管道：備用管道d控制閥和注漿孔閥之間的軟管：每注完一環(huán)清洗一次e（3）A、B液壓力差注意A、B液壓力表顯示。正常情況B液較A液壓力高，如果相反，有可能B管中殘留空氣或滲漏，要停止注漿全面檢查。（4）清洗時管中漿液的利用運輸距離越長，A液管中殘留漿液越多，清洗時會造成很大浪費，盡量利用管中漿液。11:37六、注漿施工中常見問題及對策1、注漿造成地表沉隆超限1）造成地表沉降過大

20、的原因（1）軟土地層中沒有進行同步注漿。采用管片注漿孔同步注漿的施工過程，如果沒有嚴格的過程控制，或者注漿液初凝時間設定不合理，往往做不到真正意義的同步注漿。（2）掘進過程僅以注漿量為控制指標，限定每環(huán)的注漿量范圍，導致注漿量偏少，不能有效地對盾尾間隙進行填充。這種情況大多發(fā)生在以下情況：某些特殊地段或較小的轉彎半徑上，土層損失加大；是由于地質(zhì)條件或其他特殊原因，掘進過程某環(huán)出土量劇增，而沒有相應增大注漿量；地層特性變化，卻沒有相應調(diào)整注漿量，如從粘土變?yōu)樯巴?、從粘土變?yōu)榱严端S富的風化巖層等情況；盾構機在粘性較高的粘土層掘進時，盾殼外壁會附著一層較厚的固結土體，與盾構機同步前進，無形中增大了

21、盾尾間隙。11:37（3）漿液強度過低，或漿液和易性差，易離析而滲透到地層中，發(fā)生漿液損失。漿液拌和時的投料順序也可能對漿液強度造成較大影響。（4）某些漿液凝結后，自身收縮量較大；或者雙液漿過早初凝，未能有效填充盾尾間隙。（5）漿液流動性太好，隧道管片最重要的頂部出現(xiàn)無漿液填充；或者雙液漿混合不充分，在土中逐漸流失。（6）沒有與監(jiān)測緊密結合，以監(jiān)測成果指導施工。從盾構機掘進過程的地表沉降規(guī)律來看，一般盾構機前方地表沉降量在5mm內(nèi)時，盾尾穿越這個位置時沉降不會超出規(guī)范允許的30mm。因此，當監(jiān)測結果顯示前方沉降量超過5mm，又沒有及時采取有效注漿措施，沉降超出規(guī)范允許范圍的可能性相當大。的滲漏

22、。11:372）造成地表隆起的原因（1）注漿壓力過大，注漿量偏高。主要在土質(zhì)軟弱的地層出現(xiàn)。（2）隧道頂部有滲水通道連至地表。如原地質(zhì)勘探孔，如果沒有封堵或封堵效果不佳，漿液會沿著該孔噴出或滲出，不僅嚴重污染地面環(huán)境，還可能造成地表隆起。2、注漿液從盾尾流入或從進入土倉（1）注漿壓力大時，漿液會沿著盾殼流入土倉中，進而從螺旋輸送機輸出；而注漿壓力一旦大于盾尾密封的承壓能力，將擊穿盾尾密封。如果沒有及時對盾尾密封注入油脂，漿液在盾尾刷中凝固后，會使盾尾密封失效，嚴重影響施工安全。（2）管片構造不合理，也會造成注漿液11:373、管片上浮、錯臺管片脫出盾尾后上浮的原因有：（1）地質(zhì)情況。從南京地鐵

23、盾構施工情況看，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的上浮量大于砂層，而從廣州地鐵盾構施工情況看，中、微風化巖層管片上浮量較大。（2）長細比很大的柔性構件的偏心受壓。（3）漿液選型不當，漿液早期強度偏低，不能及時與圍巖土體形成共同作用。（4）漿液初凝時間控制不當，沒有及時填充盾尾間隙或填充效果不佳。（5）注漿位置選擇不當，采用管片注漿孔注漿時，以中下部注漿孔為注漿孔位。（6）盾構姿態(tài)較差，千斤頂編組壓力差過大。隧 道 軸 線 高 程（mm）B點128mmA-70-80-90-100-110-120-130-140A區(qū)間盾構隧道NO.160NO.290襯砌發(fā)生了上浮，最大上浮值為128mm，其中NO.260NO.2

24、80環(huán)間上浮均值為97mm。該區(qū)間隧道主要穿越高富水砂層，掘進的盾構和隧道如同水中的潛艇，特別是自重輕的隧道極易上浮。同步注漿采用了惰性漿液，24h強度很低，飽和漿液反而加大了對管片的浮力。施工單位試圖加大上部注漿壓力壓下隧道，效果不明顯。因為注漿壓力為注漿管口的壓力，如果漿液不凝固，一定距離后漿液壓力趨向于相同，此時無異于將隧道泡在惰性漿液中，在盾構機掘進振動和隧道內(nèi)電瓶車運動振動下，惰性漿液材料很可能被有上浮趨勢的管片擠到隧道底部。11:371301201101009080706050403020100-10-20160-30-40-50-60柱狀圖C隧道上浮值曲線B貫通前復測值290脫出

25、盾尾值11:374、管片后期沉降二次注漿糾偏處理5、注漿系統(tǒng)管路堵塞管路堵塞是注漿過程最常見、最易發(fā)生的問題。注漿系統(tǒng)管路包括注漿管路堵塞、輸漿管路堵塞等，主要是由于漿液初凝時間偏短，強度高，工序銜接不合理等原因造成。采用長距離管路輸送的，尤其容易發(fā)生管路堵塞現(xiàn)象，漿液在管路中的損失量較大。解決方法：調(diào)整合理漿液配比，添加緩凝劑；配置高壓沖洗裝置；通過盾尾內(nèi)的可拆卸口進行機械疏通；盾構機停機前用膨潤土等將注漿管充滿，以防漿液回流而堵塞注漿管 。6、噴涌由于地下水位高，注漿液被稀釋或未完全填充，在一段距離以后，匯聚在管片外側的水在壓力作用下流到掌子面，造成噴涌。解決方法：調(diào)整漿液配比，高強、不易

26、離析；通過二次注漿封堵后部水源。11:377、小曲線軸線偏移小區(qū)率半徑部位施工時，如果不立即固定土體，則無法得到合格的盾構推進反力，因此帶來管片的變形、隧道位移，最終使隧道軸線發(fā)生偏離。解決措施：提前加固小曲線段地層；使之能夠提供足夠反推力；注入早強的漿液，急凝砂漿或雙液漿；采取防盾尾滲漏的措施。8、管片注漿孔滲漏從管片注漿孔進行注漿時，如果處于砂層、流塑狀淤泥質(zhì)地層或地下承壓水較高的地層中，開孔時，外部的水土很可能涌入而造成隧道偏移，地表沉降。解決措施：在管片注漿孔設置逆止措施、在注漿管設置逆止措施。11:37結 語通過不同注漿方式的優(yōu)劣、常見問題的分析，盾構機注漿控制措施盾構機注漿控制措施主要在于以下幾個方面：1、盾構機設計制造時，應根據(jù)地層情況，選擇不同的盾尾注漿方式。在條件允許的情況下，盡可能采用通過安裝在盾尾的注漿管進行同步注漿的方式，注漿工藝應既可選擇單液漿，也可選擇雙液漿，注漿過程應設計為自動控制，而將通過管片注漿孔注漿作為備選注漿方案或補充應急方案。2、合理選擇