大直径泥水盾构复合地层速凝浆液同步注入与注浆技术研究.docx
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大直径泥水盾构复合地层速凝浆液同步注入与注浆技术研究
大直径泥水盾构复合地层速凝浆液同步注入
与注浆技术研究
摘要：
在大直径泥水盾构施工中，由于大断面隧道所承受的浮力大和泥水对浆液的稀释及通过富水复合地层等不利条件，同步注浆效果大受影响。
本文结合正在施工的一盾构隧道施工情况进行研究分析，通过对盾构原有注浆设备和管路优化改造，由传统的同步注入单液水泥砂浆改造为同步注入复合浆液，达到了同步注入速凝浆液的目的，并通过在施工中加强过程控制和采取辅助措施，解决了因同步注浆效果差造成的管片上浮及开裂等技术难题，取得了很好的效果。
关键词：
大直径泥水盾构复合地层速凝浆液同步注浆管片上浮
1前言
随着国家基础建设步伐的加快目前，国内建成的大直径盾构隧道已经比较多，积累了很多成功施工的经验，但是任何一条隧道使用盾构工法施工，还是有各自不同的难点和特点[1]，可能都会出一些这样或那样的问题，需要我们在施工中不断分析研究来解决。
针对盾构隧道的管片背后注浆问题，很多专家学者已经做了大量的研究工作[2][3]，为后续工程设计和施工提供了很多的支持，但之前的很多研究应用到具体某个工程并不能完全解决所有问题。
本文主要针对大直径泥水盾构在岩石地层中管片背后的同步注浆问题、以及注浆质量在施工期间的重要作用展开分析和研究，找到了保证泥水盾构注浆质量的关键技术，并对施工期间注浆施工的技术细节进行了认真总结，为以后类似工程的施工提供了积极的借鉴意义。
2工程概述
某高速铁路水下隧道为双孔单线结构，采用4台泥水平衡盾构相向掘进施工，盾构开挖直径11.18m，管片外径10.8m，内径9.8m，环宽2.0m。
工程通过地层主要为第四系全新统软弱土层和白垩系基岩，在软弱土层和基岩过度带局部穿越上软下硬地层，基岩段岩性主要为泥质粉砂岩、砂岩等。
隧道通过多处断裂带和风化深槽，地下水包括第四系松散岩类孔隙水和白垩系基岩（红层）裂隙水，裂隙水为承压水，承压水头高度28～55m，隧道最大水压为0.67MPa。
地表主要为农田、鱼塘及江河。
3同步注浆工作原理
采用盾构工法施工的隧道，盾构掘进与管片拼装为连续作业，由于盾构开挖直径都大于管片的外径，此空间在管片脱出盾尾后应及时进行充填，以在管片脱出盾尾后能及时填充超挖空隙并固结管片，以达到防止地层松驰、地面下沉、管片上浮及阻止管片背后水流通道的目的[4]。
根据不同的地层情况所需填充的材料也不尽相同，目前所使用的一般为水泥砂浆等惰性浆液材料[5]。
同步注浆系统一般包括浆液存储罐、注浆泵、注浆管路以及相关控制单元组成。
浆液一般在洞外由专用制浆站拌制，用专用浆液运输车运到洞内，用泵倒入盾构后配套拖车上的浆液存储罐内。
在盾构掘进过程中、管片脱出盾尾的同时，浆液由注浆泵提供注入压力，通过多根联接管路及均匀分布在盾尾壳体内的盾尾注浆管，注入管片背后与地层之间的空隙，达到同步注浆填充超挖空隙并固结管片的目的。
密封边界的建立有两方面：
一是与前仓之间，主要靠盾壳与地层之间的自锁及仓内压力保持来实现；二是与盾尾之间，主要靠盾尾密封刷和注入油脂来实现。
具体同步注浆注入方式及原理见“图1”。
4大直径泥水盾构传统同步注浆的弊端
a.在施工保压过程中，盾构主机及其后面的部分管片环外围直接与外界泥水接触，且外界产生的浮力要远大于管片的自重；
b.受施工工艺影响，浆液凝固时间长，管片上部有浮动的空间或可压缩空间，靠浆液早期凝固强度不能及时遏制管片上浮[6]；
c.浆液容易受外围泥水的侵蚀，特别是在硬岩地层中，盾壳外围存在扩挖通道，浆液特性指标易发生改变，达不到设计要求；
d.在富水地层，或存在承压水，在前仓压力不平衡或出现漏浆的状况下，后部地下汇水很容易把浆液冲散，带至泥水仓或直接冲出，造成浆液流失；
e.单独的储浆罐不能直接注入速凝浆液，否则砂浆运输、储存及注入系统极易堵塞，不具备可操作性。
5现场施工情况
5.1注浆材料设备设计情况
本工程设计采用单液水泥砂浆，水泥砂浆通过单液同步注浆系统对管片背后的超挖空隙进行充填，以保证隧道的施工质量及防止地面下沉，施工过程为同步注入单液水泥砂浆。
盾构设备上配备了相应的单液同步注浆系统，在后配套拖车上安装了13m3砂浆存储罐和6台单液注浆泵，在盾尾内壁周围和盾尾壳体内分6个点位均匀布设了单液注浆管路，包括6根注浆管路及6根备用注浆管路，每环的浆液分别从此6个点位注入脱出盾尾的管片与地层之间的空隙。
具体的注浆管路布置见“图2”和“图3”。
结合本工程，掘进每环、管片背后理论的空隙（刀盘开挖直径与管片外径间的超挖空间）为13.12m3，按1.5倍的充填系数，每环的实际注浆量都在20m3以上。
设计要求水泥砂浆的主要性能指标见“表1”，后期设计又增加了抗分散要求。
表1设计要求水泥砂浆主要性能指标
指标项目
拌和物性能
力学性能（强度Mpa）
稠度cm
比重
胶凝时间t
倾析率%
结石率%
1d
28d
性能要求
8～12
1.7～1.8
3～10
＜5
＞95
≮0.2
≮2.5
5.2施工过程中出现的问题
5.2.1软土地层及上软下硬地层段注浆
在前期软弱地层和上软下硬地层施工中，一直采用的传统注浆方式，注入的也是普通水泥砂浆，刚始发阶段也出现了较大的管片上浮，并伴有规律性前高后低的错台。
后通过分析，主要是因为管片环间摩擦阻力不够，在环间抗剪力（或摩阻力）足够时，错台也自然消失，并且在上部覆盖[7]地层抗浮够的情况下，采取适当措施，上浮现象也会得到有效抑制（此方面的分析在其它文章已经进行了论述）[8]。
由于软弱地层自身的特点和客观施工参数的要求，在软土地层中，施工对注浆工艺和注浆材料等的要求并不需要太高，后文将进一步分析。
5.2.2岩石地层（基岩段）注浆
全部进入基岩段后还采用同样的注浆方式，逐渐发现脱出盾尾的管片又开始出现不同程度的上浮，并伴随着地层的转硬和开仓次数的增加，上浮量也进一步加大，而且一般在开仓前装的几环管片，管片在2:
00和10:
00（以钟表时针）以上位置易出现开裂，接缝出现漏水，螺栓孔漏水等现。
具体情况见“图4”。
本文也将主要针对基岩地层中的注浆问题进行研究和分析。
5.3
施工过程的调整改进措施
5.3.1初步调整阶段
⑴调整浆液性能，加大注浆量
当在基岩段发现上述问题后，现场首先从注浆材料上下功夫，在满足施工的情况下，把同步注浆水泥砂浆的稠度值调低、比重调高，以尽量缩短砂浆凝结时间；并进一步加大注浆量，把原来的1.5倍的填充量增加到1.8倍以上，每环的注浆量都达到了25m3，从而，来加强同步注浆对管片的早期约束力。
具体调整后的浆液配比和性能指标见“表2”和“表3”。
表2调整后砂浆配合比（m3）
材料项目
水泥
河砂
水
膨润土
粉煤灰
减水剂
用量kg
160
900
400
70
270
2.65
表3调整后砂浆性能指标
指标项目
拌和物性能
力学性能（强度Mpa）
稠度cm
比重
胶凝时间h
倾析率%
结石率%
1d
28d
性能要求
10.9
1.75
3:
40
2.3
97.7
0.86
5.2
⑵效果及分析
在对前期的浆液和注浆量调整后，通过监测和施工观察反映上浮量有一定减小，但没有根本性的改变。
分析原因可能存在，在岩石地层中采用泥水盾构施工，刀盘开挖后地层收缩慢，仓内泥水会通过盾壳外通道窜止盾尾，从而冲蚀同步注浆浆液，改变了浆液的性能指标，并可能大量带走浆液，造成注浆效果不佳。
⑶前期补救措施
在此种情况下，为满足工程质量的要求，施工过程中，及时对拖出盾尾后管片进行二次补强注浆，注浆采用水泥－水玻璃双液浆，水泥浆比重为1.5g/cm3，水玻璃为40°Bé、比重1.39，浆液凝结时间为40S。
采用管片二次补强注双液浆后，管片上浮及开裂渗漏水得到了很好的控制。
另外，并对前期出现问题的管片隧道区域进行了同样方式的补救。
但对于盾构隧道来说，由于盾构作业区域空间限制，二次补强注浆施工对盾构掘进和管片安装干扰很大，等到出后配套后再施工，距离盾尾太远就只能是被动补救了，而且，二次注浆施工的效率也很低，严重影响工程的整体进展。
因此，为加快工程的整体进展，并保证注浆质量的要求，主要还应在同步注浆上下功夫。
5.3.2试验调整阶段
由于前面做的部分调整，同步注浆还不能满足在基岩段的注浆质量要求，根据现场情况分析，盾尾内每根注浆管旁都并排有一根备用注浆管可以利用，考虑通过试验对注浆材料进一步进行研究，主要从改变浆液性能和注浆方式再进行调整，以达到浆液在注入盾尾空间后具有一定的抗分散性和抗冲蚀性，并能在最短时间快速（5min以内）凝固。
⑴添加絮凝剂型水泥砂浆
首先试验了各种配比的加了絮凝剂的砂浆，在原有浆液中加入不同的絮凝剂后，浆液很快变为絮状，但长时间没有什么强度，1～2个小时后又会开始出现淅水现象，因此，不符合目的要求。
⑵添加速凝剂型水泥砂浆
添加速凝剂型水泥浆液就是在水泥砂浆中加入速凝剂，采用液体速凝剂，但掺量加至水泥用量的10%时效果也不很好，初凝时间都在20min以上，而且强度上升时间也比较长，也不太符合要求，而且如果掺量过大，每方浆液增加费用都超过130元以上，不经济，可操作性也差。
⑶抗水分散型水泥砂浆
后来与科研院校合作，配制出了一种具有一定抗水分散性的浆液[8]，主要添加剂为纤维素、硅粉和减水剂，施工中也起到了一定的效果，但每方增加的费用在80元左右，而且也不是速凝型的浆液，凝固时间比较长，在压力波动的情况下，还是会造成浆液流失。
⑷添加水玻璃型混合水泥砂浆
添加水玻璃型水泥浆液就是在水泥砂浆中加入一定波美度的水玻璃溶液，通过试验，选用水玻璃：
水=1：
1的水玻璃混合溶液（比重1.2、24°Bé左右），与同步注入的水泥砂浆混合，掺量为水泥砂浆量的15～20%，在150s左右就能凝固，强度上升也很快。
按全部与水泥砂浆混合注入考虑，每方浆液增加的费用也在100元以上，但最符合预期的效果。
5.3.3现场改造、改进阶段
经过对盾构整个注浆系统的分析，并结合前面的试验，认为可以利用盾壳内与同步注浆管并排分布的6根备用注浆管，注入水玻璃溶液，在盾尾后面的填充空间内与同步注入的水泥砂浆混合，使同步注入浆液快速凝固。
但要对盾构注浆系统加以改造和补充相关设备，现场分析前方有增加相关设备的空间和改造条件，不会对盾构正常施工造成大的影响，并且施工操作简便。
具体做法如下：
在盾构注脂平台处增加一台150型注浆泵，在平台下面空间做一个水玻璃混合箱，水玻璃采用桶装型的，与油脂、管片等一同运进洞内，放入混合箱内加水混合。
在150型注浆泵出口连接盾尾备用注浆管分配阀（此阀为多通分配阀，一端连接注浆泵，另一端分别连接每根备用注浆管），分配阀可设为自动电磁阀，可按时间设置或手动分配每根管路的溶液注入量和注入时机。
在掘进同步注浆的同时，对每根管路循环注入水玻璃溶液，从而实现双液注浆的效果。
连接管路采用耐高压管路（压力在12Mpa以上），每根管路在与盾壳内管路连接处都安装一单向阀或闸阀，以防止返浆。
5.4后期施工情况
实际施工中，由于水玻璃溶液的成本较高，根据试验数据和监测结果确定水玻璃溶液注入的时间及数量，所以不考虑连续注入，采用间隔注入的方法。
如：
盾构每掘进200～300mm注入一次，每次注入量为0.2m3。
每环平均使用三桶水玻璃（40°Bé、比重1.4）、约840kg，稀释后为6桶，每环增加约750元，分摊到每方浆液中约30元左右。
在理想状况下，认为此种注浆方式可在管片背后形成间隔的骨架支撑和阻隔，可较好地支撑管片和阻止浆液流失；另外，施工中为保证同步注入混合浆液的能更好的快速凝固，增加了原水泥砂浆中的水泥，通过对水泥砂浆和混合凝固后浆液的各项性能指标的测试，各项指标都能满足设计的性能要求。
在后面的施工中，采用上面的同步注入速凝浆液的方法，有效的抑制了管片的上浮，管片开裂和渗漏水现象也得到了有效控制，进一步保证了隧道的整体质量。
6注浆施工其它关键技术分析
通过长时间对泥水盾构施工的摸索，对于注浆方面的认识也是一个逐步深入的过程。
从前期简单调整、增加注浆量，到后来的基础试验，又到后来的注浆系统改造和注浆方式改进，都是一种认识上的提升。
后来在施工中对注浆的认识也有了更进一步的提升，主要包括其它几方面的认识：
6.1泥水压力的设定
可能大家一开始都会认为泥水压力的设定只是为了稳定地层和保证泥水循环，在基岩段施工，从减少推进功率成本和减小盾尾密封漏浆风险等方面考虑，经常会想把压力降低，或者因尾刷损坏漏浆等必需降低，实际上这会对同步注浆造成很大影响，特别是在地下水比较丰富的地层中。
如果泥水压力低于外界水压，地层中的裂隙水或承压水就会源源不断地向仓内补给，最终在管片背后形成水流通道，施工过程中会把同步注浆的浆液带入仓内，或者直接从盾尾处漏出（这种情况危害更大，因为浆液失去了盾壳与地层的长距离自锁和阻隔，浆液的滑移角度更平，特别是漏浆点位于底部时，所以，对于尾刷的漏浆必需及时处理），造成大部分浆液都流失走了，此情况下，速凝浆液也不能抵挡，因为刚凝固的浆液还没有什么强度，或者根本也没有凝固的机会。
这样就要求泥水压力的设定应与外界自然或承压水压一致，并应保持泥水压的尽量稳定，防止压力波动造成盾尾前后地下水的流动，这是保证泥水盾构注浆质量非常重要的一点。
压力的设定，在没有承压水的情况下，可以通过地下水位高差计算，在有承压水情况下，可通过长时间停机时仓内液位不上升的保持压力来判断。
此压力设定的原则实际上也可用土压平衡盾构。
现在反过来分析在软土地层注浆质量容易保证的原因就好理解了，在软土地层中掘进，为了稳定上部地层，一般仓内压力设定都按水土合重计算，肯定会大于自然水压，再加上盾壳外围土体的自锁和阻隔，注浆效果自然也就容易保证。
6.2开仓降压的影响
在硬岩地层中掘进，由于刀具的磨损，开仓换刀是在所难免的，一般都采用常压开仓，而且降压开仓前很少特地等待砂浆凝固，特别是在开仓前掘进比较快的情况下，由于盾尾后面很多环的砂浆还没有强度或根本没有凝固，会造成大量的浆液流失。
对于开裂原因的初步分析认为，局部管片的开裂应与开仓前后管片受力的变化和浆液的流失有着直接关系，主要为管片上浮引必得起，在恢复掘进后，由于中上部管片背后没有支撑力，管片必然上浮，管片上部存在集中应力作用，从而造成管片开裂。
为防止上述情况的发生，施工中在开仓前应加强保压注浆，并对盾尾后面的1～2环管片采取整环二次注双液浆加强，等浆液有一定强度后再进行降压开仓作业。
6.3不同地段的浆液调整
实际施工应根据不同的地层情况对浆液做适当的调整[10]，如：
在软土地层中采用普通的浆液就应该可以满足要求；在硬岩地层中，且地下水非常丰富、或存在动水的情况下，应采用抗水分散型的水泥砂浆，能起到更好的效果；另外，一般使用的普通水泥砂浆中的水泥含量都比较低，通过理论分析和试验验证，水玻璃等促凝材料主要是与水泥砂浆中的水泥发生反应，采用混合浆液注入应适当调高水泥的用量。
6.4超量注浆的作用
在硬岩地层中，同步注浆的浆液应该是注不进地层中的，但为什么还要按理论注浆量的1.5～1.8倍注入呢？
其主要作用是利用多注入的较大稠度的水泥砂浆会沿盾壳向刀盘方向蔓延、而在盾壳外围形成一个阻隔环，从而在一定程度能起到阻断前仓泥水对同步注浆浆液侵蚀的作用，进一步保证同步注浆效果。
6.5二次注浆补充
在实际施工，尽管采用了多种措施，但经常还会因为各种不利因素的影响造成同步注浆的效果不，为盾构隧道留下质量隐患。
为保证管片背后注浆的全面到位、不留死角，在盾构掘进后方，应通过打开管片二次注浆孔或雷达探测等手段对背后注浆情况进行检查，对有空隙和渗水的地段进行二次注浆，二次注浆是对同步注浆有利补充，也是保证隧道注浆质量的最后一环。
7结语
对于盾构法施工的管片拼装式衬砌隧道，管片背后注浆的重要性是不言而喻，但如何保证其施工质量，还需要广大的从盾构施工的技术人员进行大量总结和研究。
本文通过对大直径泥水盾构在复合地层中注浆技术的初步分析和研究，主要提出以下几方面体会和建议：
⑴盾构设计时应考虑相关的注浆设备，实际很多盾构设计时就有双液的注浆设备，但很多情况下不很实用，不是设备配备不合理，就是管路布置方式不合理；
⑵施工过程中应根据不同的情况，认真进行分析和研究，选用合理的注浆方案，采取综合的措施，以保证注浆质量；
⑶对于管片开裂本文还没有能够全面的得出定量分析，还要进一步进行研究，找到真正根源，以便有针对性应对；
⑷注浆工作的好坏不光是影响隧道后期的整体质量，实际上对施工期的影响也很大，注浆质量好时，对开仓工作的影响就小，并可减小对盾尾刷的损坏，从而降低施工风险，可加快工程进展；
⑸本文主要是针对大直经泥水盾构的注浆技术进行研究和总结，实际上，很多技术都可推广到各种断面的泥水和土压平衡盾构的施工方面，从理论技术上都是联系相通的。
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