盾构施工中的注浆管理

【摘要】盾构施工成型隧道曲线是关系到工程成败的关键，是质量控制的核心内容，同时在掘进过程中对于地表建筑构筑物的保护，控制地表隆起和沉降也是盾构施工技术的重要指标。这些关键要素需要在精确掌握地质水文资料预先选择合适的盾构掘进参数基础上，并根据实际掘进状况做出有利于施工的修正进而指导施工，成就一件精品工程。除盾构掘进参数这一关键要素外，盾构施工的注浆管理也是决定以上各项的重要因素之一。

【关键词】盾构，施工，注浆管理

【 abstract 】 shield tunnel construction shape curve is related to the success or failure of engineering, quality control is the core content, and in the process of building for excavating the surface structures of the protection, control surface uplift and subsidence of shield is an important index of the construction technique. These key factors need to master the accurate geological hydrological data to choose the appropriate in advance of shield tunneling based on parameters, and according to the actual situation of the construction of the tunneling favour correction and guide the construction, the achievement a excellent project. In addition to shield tunneling of the key elements to the parameters, the shield tunnel grouting management is also decided to the above one of the important factors.

【 key words 】 shield, construction, grouting management

中图分类号：TU71文献标识码：A 文章编号：

所有经验总结不是一成不变的，永远只有相似，没有相同；只有借鉴，没有复制。盾构施工亦是如此。动态管理贯穿盾构施工始末。

1、盾构施工的注浆管理可分为以下几类：

1.1、根据注浆的时机分为同步注浆和二次（多次）注浆

同步注浆是伴随盾构掘进掘进同步注入浆液的一种注浆形式，现阶段国内采用的盾构掘进机都配备有同步注浆系统。二次（多次）是在盾构掘进拼装完成后注入浆液的一种注浆形式，二次（多次）注浆系统是施工方自己根据工程施工的需要设计配备的注浆系统。

1.2、根据注浆的作用可分为回填固定式注浆，加固式注浆，止水式注浆

回填固定式注浆是通过对衬砌（盾构施工中多指管片）和土体开挖面之间的空隙注入浆液，固定管片，防止管片发生侧移的一种方式；加固式注浆主要是指对土体注入浆液使其固化，达到稳定土体的目的。止水式注浆是指通过对开挖面土体或是对管片和土体开挖面之间的空隙注入浆液，以达到截断水流或降低水压的目的，保障诸如控制盾构进洞，出洞的水土流失；盾构开仓换刀作业或是截桩、孤石处理等特殊工况下的安全管理。

1.3、根据对结果的影响分为预见性注浆和补救性注浆

同步注浆多是回填固定式注浆，预见性注浆；二次（多次）注浆多是加固式、止水式注浆，补救性注浆。同步注浆和二次（多次）注浆交互使用，相辅相成。

2、盾构施工的注浆管理的材料选用

2.1、同步注浆选用

水泥，细砂，膨润土，粉煤灰，水的混合液，配合比各有不同，稠度约在10--18之间。通常在施工中由于原材料的性能的不稳定（如：细砂的粒径和含水发生变化，粉煤灰的级别等变化），需要对浆液做出适时调整，保证浆液的可泵性和运输过程中不离析沉淀。

2.2、二次（多次）注浆选用

2.2.1、纯水泥浆水泥：水=（1：1或1：0.8）；

2.2.2、水玻璃和纯水泥浆的混合浆；

2.2.3、其它专业性化学浆液（如水溶性聚氨酯，速效胶凝剂）。

3、盾构施工的注浆管理的主要设备选用

盾构施工的注浆管理的设备多采用活塞式气动注浆泵和活塞式电动注浆泵，有立式和卧式之分；立式搅拌机。

4、盾构施工的注浆管理系统的参数

4.1、注浆量

4.1.1、业内同步注浆的注浆量以管片和土体开挖面之间的空隙经计算，经验考虑土体渗透系数130%--200%得来，计算公式如下：V=δπL（D2-d2）/4 ；

δ土体渗透系数130%--200%；π取3.14；L衬砌(管片)的宽度，D为土体开挖直径，d为衬砌直径；

以我公司所采用的海瑞克盾构机，广州市城市轨道交通普遍采用的隧道设计和管片尺寸为例：

L=1.5m;D=6.28m;d=6m; δ取150%；

V=150%*3.14*1.5*（6.28*6.28-6*6）/4=6.07 m3

这里没有考虑有超挖的情况。

4.1.2、二次（多次）注浆的注浆量多以注浆压力为主

考虑衬砌（管片）的抗压强度，通常在衬砌管片空隙V范围内的注浆压力不大于0.5mpa；衬砌管片空隙V范围外1米以上每增加1米压力增加不大于0.2mpa;

4.2、浆液凝结时间

浆液凝结时间根据不同的地质条件和选择不同的作用效能而定，通常同步回填固定用砂浆初凝时间在12h，纯水泥浆的初凝时间在14h,水玻璃和纯水泥浆的胶凝时间根据需要选择配合比，使用时间通常在8s到2min不等；其它专业性化学浆液胶凝时间在10s到20s左右；

5、不同地质条件下施工中的注浆管理

5.1、全断面硬岩

这里指的硬岩是微风化层和完整性好、节理不发育的中风化层。盾构施工在这种地层中掘进，没有超挖，浆液也不容易渗透，在考虑盾构掘进机盾尾止浆板密封效果良好的情况下，同步注浆量可以这样计算，δ取130%，V=130%*3.14*1.5*（6.28*6.28-6*6）/4=5.26m3，同时在硬岩良好的密闭空间内，同步浆液12h的初凝时间，管片所受到的浮力是大于管片自重的，很容易上浮，所以，在管片掘进拼装后脱出盾构掘进机三环到五环内必须采用在拱顶管片手孔注入水玻璃和纯水泥浆混合浆进行二次注浆，胶凝时间在12s左右，每相间1环（每环1.5m，即3m）注一次，可选择：“1”点位和“11”点位“之”字型交替注浆。经验参考：1：1纯水泥浆，所用水泥在8包（400kg）既可以达到0.5mpa的压力。

5.2、上软下硬（软硬不均）地层

软硬不均地层是复合地层的基本特征，上软下硬地层（主要以侵入隧道开挖面下部是微风化层或中风化层，上部是强风化层或全风化层为主）是盾构掘进施工技术控制的难点。在这种地层中施工，盾构掘进速度相对缓慢（这种“缓慢”根据硬岩强度和侵入隧道的比例不同可以理解为速度（进尺）小于15mm/min），盾构机刀盘对土体的扰动大，超挖很难避免，地表沉降明显，有的甚至出现塌陷，造成重大事故。注浆管理在此掘进条件下尤显重要。这种地层盾构掘进施工，同步注浆不以砂浆注入量为标准，而以注浆压力为主，压力通常控制在0.5--0.7mpa，参照土体超挖的量，尽可能多的注入。若土体超挖的量在2m3以内，则在二次（多次）注浆的方法选择上同全断面硬岩二次注浆，但注浆压力同样达到0.5mpa所使用的水泥增加到35包。若土体超挖量大于2m3，则选择在土体超挖的相应里程管片采用小导管注浆。小导管注浆是将一寸的镀锌钢管经加工，通过管片手孔，打入衬砌管片外土体，向土体注浆的一种施工工艺。根据打入土体小导管的长度，选择不同的浆液和其性能指标。小导管进入土体的长度由打击导管的力控制，由经验判断是否已进入原始土体。（这种打击小导管的力和操作的人以及地层的力学性能密切相关，很难精确量化统计，在这里没有明确的标准）根据自身的施工经验，小导管进入土体的长度h

5.3、软土地层

软土地层掘进大多掘进速度较快，速度最大可达到80mm/min，高速掘进一般速度大于50mm/min，同步注浆的注入量就很难满足管片脱出盾尾“同步”填充空隙的要求，若地层是强风化层或全风化层,则可以采取适当控制掘进速度，速度在30―45mm/min为宜，以保证同步注浆的饱满，同时加大注入量，δ取180%，V=180%*3.14*1.5*（6.28*6.28-6*6）/4=7.29m3，同时采用同硬岩的二次（多次）注浆方式；若是淤泥质地层或是地下水丰富，则不宜降低推进速度，否则会导致超挖量很大。则二次浆液就应及时补注。方法同硬岩二次注浆，注浆量增大，实际使用水泥在25包（1.25t）--50包(2.5t) 不等才能达到约0.5mpa的压力；特别提出的是，在地下水丰富的地层，需要在每隔20环（30米）左右，进行管片环向封堵，防止管片背后汇水形成水系，造成施工困难。尤其是为土压平衡盾构掘进机防喷涌漏渣提供有效解决方案。掘进过程中截水的环向封堵（以下进出洞的环向封堵有不同），采用对相邻两环管片，每环六个手孔（广州地铁管环由六块拼装组成）中选择三个（两环共六个），错点位（梅花型布置）注入水玻璃和纯水泥浆混和浆，胶凝时间20s 左右，压力0.5mpa，形成良好封闭，实现截水减水。此法在全断面硬岩且地层节理发育，有断裂带而地下水丰富的地层掘进过程中有效减小盾构掘进机土仓汇水，防止喷涌漏渣效果显著。也可采用注入水溶性聚氨酯止水，但经济成本较高。

5.4、穿越砂层

5.4.1、隧道拱顶较小覆土厚度外有砂层

盾构掘进之前需要精确计算对推进过程中的土仓压力进行控制，即不能过高击穿覆土连通砂层也不能由于压力过小造成覆土塌陷连通砂层，此时同步注浆压力和土仓压力关系密切，某种程度上已经成为联通器。所以，同步注浆压力也应低于经计算的覆土击穿压力。这种地层盾构掘进刀盘低转速，慢速推进，尽量保证设备对周围土体最小扰动，土仓压力均衡无较大波动。二次注浆以每10环环向封堵为主，并综合考虑不得大于覆土击穿压力；待此段砂层全部过完后，在进行拱顶多次的水玻璃和纯水泥浆的回填注浆。

5.4.2、砂层不同程度侵入隧道

砂层侵入隧道尤其是富含水砂层（流砂）是隧道盾构法施工面临的世界性难题。土体冷冻法是被普片采用的方法。但操作复杂，经济成本和工期成本较高。这里介绍的盾构过砂层侵入隧道的地层的经验基于砂层侵入隧道高度不大于1m（隧道直径D=6m）。这种地层盾构掘进刀盘低转速，土仓高压力（土压平衡掘进机在进入砂层前土仓中几乎已被泥水填满），高推力，以能保证的最快速度推进（通常情况下，盾构掘进将面临结泥饼的高风险，这是特殊地层给盾构法施工两难选择的瓶颈），尽量保证设备对周围土体最小扰动。这种地层中，在盾构掘进机未进入砂层前，从地面进行单液浆（纯水泥浆）或砂浆在隧道范围内及拱顶加固（可采用袖阀管注浆），压力可在1.0--1.5mpa。若地表周边有重要建筑构筑物，则地面加固风险性不可估量，为确保万无一失，需要再做进一步保守施工。具体施工如下：在盾构机前盾和中盾钻孔，按照钟表点位，根据盾体设备配备位置，选择钻孔位置，尽量错位钻孔（前中盾共计约20个孔，以期不影响盾体整体的抗压强度为宜），安装球阀。首先，保证同步注浆尽可能多注；然后在盾构掘进至砂层时，先从前盾开始，通过不同点位预留孔注入水溶性聚氨酯，注入压力达0.3mpa即可。前盾一圈注完后，在通过这些孔打入小导管，管长750mm，导管实际进入砂层约450mm，注入速效胶凝剂，压力约0.4mpa。此前盾注浆属于一个循环。然后，盾构向前推进1000mm，在前盾和中盾预留孔重复前盾注浆循环，如此边推进，边注浆。往复循环直至砂层过完。

5.5、盾构推进拼装管片，喷射豆粒石过矿山法

盾构推进拼装管片喷射豆粒石过矿山法的注浆管理主要是防止管片上浮。以我公司广州地铁所用海瑞克盾构机为例，盾构机刀盘开挖面D=6.28m，隧道直径d=6m，盾构隧道验收规范要求成型隧道轴线偏移水平+-100mm；垂直+-100mm，为控制成型隧道在垂直方向上下沉超限，在对盾构推进拼装过矿山法的导台施作时，轴向中心线高程抬高40mm，保证最大下沉不大于100mm。盾构法推进拼装管片过矿山法的导台保证了成型隧道在水平及垂直方向上下沉的有效控制。所以，盾构推进拼装管片过矿山法豆粒石的填充和浆液回填是控制的主要内容，而注浆管理是有效控制管片上浮的关键。实际施工中，采用平均每环同步注浆量2m3，二次注浆采用在拱顶“1”点位和“11”点位打开手孔注入水玻璃和纯水泥浆混和浆，胶凝时间约8--12s，每个点位注入量约20包（1t）压力约0.3mpa,起到固定管片的作用，防止管片上浮。待到矿山法管片拼装成型隧道以后，再通过手孔分批注入纯水泥浆，前后需要3--4次，实现成型隧道衬砌管片空隙填充饱满，管片上浮得到有效控制。

5.6、特殊工况下注浆

5.6.1、盾构始发进洞、出洞

盾构始发进洞完成盾体完全进入完成管片拼装，在没有拆除洞门止水橡胶帘布以前，对洞门利用水玻璃和纯水泥浆进行环向封堵。通常对洞门四环，每环全手孔（每环六个）全部打开注入，胶凝时间20s左右，注浆压力达到0.5mpa。注浆效果以实际为主，根据实际止水情况可多封堵几环。盾构出洞的施工和进洞大致相同，在最后几环，至少四环进行每环全手孔注浆，但是注浆完成应在盾体完全脱出止水橡胶帘布之前或是确认最后一环管片脱出盾尾后能超出洞门，并能被止水帘布密实包裹，能提高安全性。

5.6.2、开仓作业

开仓作业的注浆管理主要以防止管片背后汇水涌入盾构机土仓，导致作业环境恶劣，影响作业人员在土仓内的工作效率和人身安全。注浆封堵的形式通常以实际盾构掘进的地质水文条件为依据，可选择在盾尾第四环第五环两环进行环向封堵，施工方法同5.3施工掘进过程中截水环向封堵；若地质裂隙特别发育，涌水特别严重（主要考虑管片背后汇水），可考虑在中前盾注入水溶性聚氨酯进行环向封堵，以弥补盾尾第四环到前盾范围内地层汇水的封堵不足。点位选择在盾体中上部，尽量左右对称布置，前盾和中盾交错注入。每孔水溶性聚氨酯的注入量约30kg。

5.6.3、隧道曲线超限修正

隧道曲线的超限修正注浆管理是根据测量的结果，针对具体里程对应管环进行注入水玻璃和纯水泥浆混合浆，依靠注浆压力，使管环向隧道设计曲线趋近。注入量以注浆压力为主，兼顾考虑修正效果和管环的整体抗压强度。例如：管片测量结果：105环106环107环108环水平偏差分别为（-108mm；-105mm；-102mm；-109mm），则注浆选择在105环，107环或106环108环坐标极轴负方向两腰点位（即通常所说的管片拼装7点到11点位置的手孔,用钻机钻透原同步砂浆或二次浆液在管片外侧的“保护层”）注入水玻璃和纯水泥浆混合浆，一般压力不大于0.7mpa,可以实现30―80mm的修正。

5.6.4、地表建筑物构筑物沉降甚至塌陷补救

塌陷补救以地面塌陷地点回填为主，兼顾隧道内相应里程位置回填加固注浆。此回填加固注浆与控制地表沉降方法同5.2方法相同。

实际回填注浆成功案例：

广州轨道交通三号线北延段三标左线1#洞同和站方向盾构掘进施工，当盾构机掘进至822环时遇上硬岩，比地质资料显示的832环提前了10环。地质资料显示，地表为白云山制药厂仓库,隧道拱顶覆土厚度28.8m,掘进832环隧道断面内开始侵入燕山期花岗岩中风化带，其上部为燕山期花岗岩强风化带，而燕山期强风化花岗岩遇水极易崩解，自稳性差，是典型上软下硬地层的特例。而实际掘进渣样分析看，此段下部为燕山期花岗岩微风化带，此燕山期微风化花岗岩抗压强度最大达160mpa。此前盾构机更换刀具在709环，到822环以掘进113环，在推进823环和824环时，刀具磨损严重，掘进速度Avr2--3mm/min,推力MAX=27000kn,盾尾铰接压力20mpa,出渣记录统计显示共多出土约30m3。825环油缸行程750mm时，几乎没有速度，决定带压开仓检查刀具，压力设定0.26mpa。实际地质隧道范围内下部一半为微风化花岗岩，上部一半为强风化花岗岩，遇水崩解，硬岩为逐渐增多的趋势。盾构机刀盘切口环顶部有高约2m的锥形空洞，上部岩层不断掉下，空洞不断扩大。遂提高带压作业压力到0.28mpa,快速更换刀具。刀具更换完成后，空洞高度达到3.5m，加大同步注浆量，向前掘进，掘进参数没有很大变化。掘进至828环，用时3天，拼装4环，刀具磨损严重，再次没有速度，决定再次带压开仓，压力设定0.26mpa。开仓实际地质为全断面微风化花岗岩，通过盾构机刀盘切口环向盾尾方向看，可以发现盾体上方有一高约5m,长约5m,宽约3m（体积V=1/3*5*5*3=25m3）的空洞，盾体上有锥形堆土。带压作业完成后，继续掘进，决定对此处进行小导管回填加固注浆，盾构掘进823环和824环多出土时刀盘对应开挖面里程对应管环位置为827环，828环。

注浆数据具体如下表：

纯水泥浆水泥：水=1：1

砂浆水泥：砂：膨润土:粉煤灰：水=72:350:24:252:282

无砂混合浆水泥：膨润土:粉煤灰：水=72:24:252:282

上表显示小导管进入土体呈三角锥形分布，对应最高点管环注入量最大，实际施工与理论逻辑相符；

注浆结果：盾构施工中及注浆前后1月内，地面仓库房屋监测控制点累计最大沉降3.1mm，房屋没有任何变化。

盾构掘进施工注浆管理以预防为主，以控制微小形变为根本出发点，这需要高频精确的测量数据做指导，同时应当以现场实际需要和结果做判断调整，找到切实有效利于当时施工状况的注浆管理方案。不可尽以经验贯之而草率行事。

以上笔者亲历项目施工心得与理解，仅一家之言，因经历经验有限，难免有不足之处，敬请业内人士不吝指正，为谢！

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。