浅析同步注浆技术在大直径盾构施工中的应用

【摘要】广深港客运专线深圳福田站及相关工程项目，经专家会议的讨论决定，其盾构施工部分采用膨润土-气垫式泥水盾构机，直径13.2m。为了有效解决同步注浆的效果，项目部从盾构机选型到同步注浆设备的配置，再到同步注浆工艺的确定，以及同步注浆材料的选择与配合比上做了大量研究和尝试，期望在盾构施工过程中能取得良好的注浆效果。

【关 键 词】泥水盾构、同步注浆、配合比

中图分类号： TU74 文献标识码： A 文章编号：

1概况

广深港客运专线深圳福田站及相关工程项目盾构区间，主要穿越花岗岩、变质砂岩全风化-弱风化层，基岩风化差异较大，花岗岩残积层、全风化层遇水易软化，强度降低，自稳能力相对较差；此外，不均匀风化现象使得全风化层中夹含弱风化岩块体以及球状风化体，盾构掘进易出现软硬不均的掌子面。盾构机的选型、及施工时应充分考虑土石混杂、上软下硬等不均质断面的情况。另外，在两套基岩不整合接触带，构造裂隙很发育，且连续性好，容易导水富水。在盾构施工同步注浆过程中应当考虑地层差异的因素，合理控制注浆压力和注浆量等工艺参数，当管片刚脱离盾尾时即可对管片外侧的空隙进行填充，从而起到控制地表沉降、提高隧道的抗渗能力、预防盾尾水源流入密封土舱和稳定成型隧道的作用。

2盾构机同步注浆系统

2.1衬砌背后环向间隙

根据盾构机采购合同技术参数及施工设计管片外径，背后衬砌环向间隙：

δ=（13200-12800）/2=200mm

衬砌管片背后达200mm的环向间隙，即使采用同步注浆充填后，仍有可能对衬砌管片线形及地表沉降产生影响。原因（1）如下：（1）在国内现有的盾构施工实例中，环向间隙大多在100mm，环向间隙200mm是比较大的空间，而地表沉降与盾尾环向间隙是相关联的，间隙越大，通过注浆充填对周围岩体的支承就越困难，特别是在软岩地段，产生的地层扰动沉降就越明显；（2）采用的惰性浆液注浆体，其1天内的强度是非常有限的，而正常的日掘进速度在6m以上，6m长的管片在周围强度低的注浆固结体的支承下，管片线形是否能保持良好，这是影响之一。

2.2衬砌背后注浆系统配置

盾构采用单液同步注浆系统，通过单液同步注浆系统对管片背后的间隙及时充填，有效的保证隧道的施工质量及防止地面下沉。单液同步注浆系统包括砂浆存储罐和单液注浆泵以及控制单元组成，分别安装在后配套拖车上，单液管路安装在盾壳内壁周围。

2.2.1盾构机注浆设备配置

单液同步注浆系统通常包含注浆泵、储浆罐、注浆管、阀和控制系统等。其中注浆泵配置为3台SWING KSP12液压注浆泵，12个盾尾注入管口（其中6个备用）。与标准盾构相比，多了4个盾尾注入管口，也是考虑到大直径盾构掘进断面偏大的因素。在储浆罐内装有搅拌叶片对浆液随时进行搅拌，可防止浆液凝结或离析。

另外，在盾构机后配套拖车尾部放置一台砂浆转运泵，将外部拌制好的砂浆通过此泵转运至储浆罐。

2.2.2搅拌站

自行设计建造的砂浆搅拌站二座，采用750搅拌机，选址为盾构隧道口附近的地面。

2.2.3运输系统

自生产的砂浆罐车（6m3），带有自搅拌功能和砂浆输送泵。

3同步注浆

盾构施工引起的地层损失和盾构隧洞周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结以及地下水的渗透，是导致地表沉降的重要原因。为了减少和防止沉降，在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙。

3.1同步注浆原理

在盾构机推进过程中，保持一定压力（综合考虑注入量）不间断地从盾尾直接向背后注浆，当盾构机推进结束时，停止注浆。这种方法是在环形空隙形成的同时用浆液将其填充的注浆方式。

3.2注浆目的

管片衬砌背后注浆是盾构施工中的一项十分重要的工序，其目的主要有以下三个方面：

①及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围岩体，有效地控制地表沉降，防止土体松弛下沉；

②凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水能力；

③为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，有利于盾构掘进方向的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。

3.3注浆材料的选用及配合比

3.3.1注浆材料及配比选用原则是:

充填性好、和易性好、离析少、强度高、浆液硬化后体积收缩少、不被地下水稀释。但目前的实际配方,大多是采用水泥、粉煤灰、膨润土及中砂的配比混合液,调出的配比为了保证注浆不堵管,浆液通常较稀,凝固后淅水收缩很大,会造成拱部空洞,形成汇流水通道。

3.3.2注浆材料应具备的以下特点：

(1）拌制后浆液不离析，具有良好的长期稳定性及流动性（不易过大或者过小，因为流动性过大会造成管片顶部注浆不实，但过小会造成整体注浆不密实），并能保证适当的初凝时间（3~10h），以适应盾构施工以及远距离输送的要求；

(2）注浆后可较快地大于土体强度，具有不透水性；

(3）浆液在地下水环境中，抗酸碱性强，不易产生稀释现象；

(4）浆液固结后体积收缩小，泌水率小，设计要求固结率＞95﹪（2）

(5）原材料还需要满足来源丰富、经济，无公害，价格便宜，施工管理方便，并能满足施工自动化技术要求。

3.3.3配合比的选择

需要根据合同段的地层地质、地面构建物情况及以往的施工经验，盾构同步注浆拟定浆液配比 。在施工中，还需根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验不断优化配合比参数。

从盾构施工开始以来，先后试用了4种配合比设计，如下表1所示：

4种配合比下的浆液性能检测结果如下表2所示：

盾构同步注浆性能检测结果对比

对比4种配合比设计及其性能检测结果不难看出：

（1）4种配合比设计虽然在材料使用的种类和数量上有所差别，但其性能检测结果都符合设计要求；

（2）通过简单对比计算，B组经济上较为合理，D组经济上费用相对高些；

（3）从固结强度上看，B组1d强度明显高于其他三组，这对同步注浆的效果是有利的；而D组28d强度明显较高，对于后期管片成型稳定是有利的。

（4）从初凝时间看，D组时间最短，同时能满足砂浆运输的时间需要。

另外结合实际施工中注浆情况，A、B、C均加入了河砂，而实际盾构掘进的速度在10mm／min，注浆速度有所限制，使得河砂在注浆管路里容易沉淀，注浆管、盾尾堵塞情况发生频率较高。而D组在注浆的连续性上较好，管路堵塞情况大幅减少。使得最终暂定D组为施工配合比。

3.4同步注浆参数设计

3.4.1注浆压力

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及土压力之和，做到尽量填补同时又不产生劈裂。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，通常同步注浆压力一般为1.1～1.2倍的静止土压力。

3.4.2注浆量

同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙，但同时要考虑盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透（与地质情况有关）及注浆材料固结收缩等因素。根据本工程的地质及线路情况，注浆量一般为理论注浆量的1.3～1.8倍，并通过监测情况来调节。注浆量可用下式进行计算：

Q=V•λ

式中：

λ——注浆率（3）（取1.3～1.8，曲线地段及砂性地层段取较大值，其它地段根据实际情况选定）

V——盾尾建筑空隙（m3）

V=π（13.22-12.82）÷4×2=16.328m3

则：Q=21.23～29.39 m3/环（2m）

3.4.3注浆速度及时间

根据盾构机推进速度，以每循环达到总注浆量而均匀注入，盾构机推进开始注浆开始，推进完毕注浆结束。

3.4.4注浆结束标准

采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值和注浆量达到设计值的90%以上时，即可认为达到了质量要求。实际施工过程中设计参数还需通过对地表及周围建筑物监控量测结果分析判断，进行参数优化，使注浆效果达到更佳。

4总结

施工中使用的同步注浆材料不能简单的参考其他项目，需要根据自身设备、工程地质以及经济条件来进行试验研究，摸索符合工程实际的同步注浆配合比。特别是在大直径盾构施工中，随着盾构直径的变大，很多工程参数不一定就是在随着盾构直径的变化而呈现显性变化。经济合理、方便施工的同步注浆配合比仍需要大量的试验工作来验证。

参考文献：

（1）吴全立《同步注浆材料配合比设计与试验研究》

（2）左德坤.王永民.周建仁译.法国隧道工程协会对地下工程注浆的建议.隧道译丛，1994

（3）施仲衡，地下铁道工程设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社.1997