盾构施工注浆工法的应用

11:37盾构施工注浆工法的应用广州轨道交通建设监理有限公司广州地铁设计院盾构技术研究所王晖wh3幻灯片1wh3121212121王晖,2004-11-111:37前言™盾尾注浆的概念：由于盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径，管片拼装完毕并脱出盾尾后，与土体间形成一个环形间隙，简称超挖间隙。超挖间隙如果不及时得到填充，势必造成地层变形，使相邻地表建、构筑物沉降或隧道本身偏移。填充超挖间隙、防止因超挖间隙的存在导致地层发生较大变形，是盾尾注浆的最重要目的之一。因此，盾尾注浆是盾构工法中必不可少的关键性辅助工法，合理的施工工艺选择是盾构掘进施工安全顺利的保证。11:37™一、盾构注浆的目的™二、盾构注浆的分类™三、浆液的选择™四、注浆设备™五、注浆管理™六、注浆施工中常见问题及对策11:37™一、盾构注浆的目的：１、减小地层损失所发生的变形盾尾脱离管片后，土体与管片存在着间隙，此时浆液迅速及时填充空隙，可立即弥补土层损失，从而减少地表的变形。δ盾构机超挖间隙11:37２、提高隧道抗渗性能盾尾注浆液凝固后，一般有一定抗渗性能，可作为隧道的第一道止水防线，从而提高隧道抗渗性能。３、确保管片衬砌的早期稳定具备一定早期强度的浆液及时填充盾尾间隙，可以确保管片衬砌的早期和后期稳定。盾构隧道是一种管片衬砌与围岩共同作用的结构稳定的构造物，管片背面空隙均匀、密实地注入、充填是确保土压力均匀作用的前提条件。11:374、通过超前注浆预防地层变形。对于前方地质软弱或异常（如溶洞、土洞等情况），采用超前注浆等方式预先加固起到预防地层变形效果。也为开仓检查创造条件。5、通过二次注浆起到以下作用：（1）纠偏、进一步加固或抗渗漏效果。（2）堵截盾构机后方的水源，减少喷涌发生的机会。（3）保证盾构机进出站安全。11:37二、盾尾注浆系统分类™1、根据盾尾注浆与盾构掘进的关系，从时效性上可将盾尾注浆分为三大类：™（1）同步注浆：超挖间隙形成的同时，立即注浆，使浆液即时填充超挖间隙的方式。™（2）及时注浆：掘进了一环或数环后，盾尾已存在大量间隙空间，才对超挖间隙进行注浆的方式。这种注浆方式由于不能迅速对超挖间隙进行填充，增大了对土的扰动性，不利于地面沉降控制，而且由于早期管片脱出盾尾后处于悬空状态，受力状态较差，容易发生错台。因此，仅在地质情况良好、对地表沉降要求较低时才能使用。™（3）二次注浆：一次注浆效果不理想时，需要通过二次注浆对前期注浆进行补充。一般在隧道发生偏移、地表沉降异常及一些特殊地段使用。11:37™2、根据盾尾注浆的位置不同，可将盾尾注浆方式分为两类：™（1）通过安装在盾构机盾尾上的注浆管注浆：这种注浆方式大多采用同步注浆，注浆管的埋设形式，从数量上有两种。11:37日本盾构机在软土地层的注浆管布置（凸出式）海瑞克盾构机的注浆管布置（内嵌式）从注浆管与盾壳的关系上，分为两种11:37可实施双液注浆的同步注浆系统同步注浆装置后体冲洗管开关千斤顶冲洗水注浆材料清扫孔活塞11:37注浆时开注浆材料后体同步注浆系统动作说明图冲洗时关冲洗水11:37B)同步注浆系统A液箱B液箱水箱阀单位同步注浆装置11:37只能实施单液注浆的同步注浆系统检查、疏通孔11:37™（2）通过管片上的注浆孔注浆：这种注浆方式既可进行同步注浆，也可进行及时注浆和二次注浆。盾构千斤顶管片旋塞切换A液B液盾构外板123←←←←←←盾构千斤顶管片A液B液盾构外板123←←←←←←—旋塞切换盾构千斤顶管片旋塞切换A液B液盾构外板123盾构千斤顶管片A液B液盾构外板123←←←←←←—旋塞切换管片组装掘进开始，诸如开始掘进40cm，注入旋切换掘进结束，注入结束11:37两种主要注浆方式的比较在软弱地层中掘进，如果管片壁后注浆延迟，容易引起地层沉降超量。管片壁后注浆材料在管道内堵塞，注浆困难。可能出现的问题可灵活选用单液、双液或聚合物等。多选用单液浆浆液的可选性同左泥水平衡式盾构机，管片壁后注浆材料流向开挖面，引起土仓内泥水劣化及泥水压力变动。同左在盾尾密封内的注入材料泄漏，一方面推进阻力增大，另一方面地下水向盾构机内泄漏。每组装一环管片，需要向管片注浆孔连接管路，拆除管路，操作困难。实施同步注浆的施工控制复杂。因注浆管路已安好，注浆操作容易。自动化程度高，施工控制相对简单。可操作性可以利用盾构机的注浆系统，也可以单独配置注浆系统，多实施及时注浆或二次注浆，也可实施同步注浆。利用盾构机本身的注浆系统，多采用同步单液注浆，也可实施同步双液注浆。注浆形式所有地层。并可用于纠偏、封堵盾尾水源、加固等所有地层。对于裂隙水丰富的岩层、断裂带、极软地层，填充效果会受到限制。适用性通过管片注浆孔的注浆通过盾尾注浆管的注浆比较项目浆液不易分布均匀。可以通过调整不同注浆管的压力和注浆量使浆液均匀地分布于地层中。注浆效果11:37™3、根据浆液的输送形式，盾尾注浆分为：™（1）直接压送式：由坑外拌浆设备直接把浆液压送到管片等注入口处的注入方式。盾构直径小、推进距离短时使用。™（2）中继设备式：由坑外办浆设备把浆液压送到放置在后方台车上的中继设备上，由装在台车上的注浆泵注入的方式。推进距离长、盾构直径较大的场合使用。™（3）坑内运输式：坑外拌浆设备压入到放置在台车上罐中，经坑内运输，用坑内注浆泵注入的方式。不用担心输浆管堵塞和水清洗，适于定量注入。™（4）坑内拌浆：各种浆液材料搬到装在坑内后方台车上的坑内拌浆设备上，然后混拌注入。11:37三、浆液的选择™1、浆液的主材™浆液指由主剂（主要原材料）、溶剂（水或其他溶剂）及各种外加剂按一定比例配制而成的混合液体。™浆材分为化学浆材（水玻璃类及高分子类）、非化学浆材（水泥、粘土、砂、粉煤灰等）。™几种主材的物理特性及技术要求：™（1）水泥：矿渣水泥较普通水泥中熟料含量比普通水泥多，早期强度低，后期强度高，但难以磨细，亲水性差，泌水大。™（2）膨润土：分为天然膨润土、改性膨润土和活性膨润土。天然膨润土又分钙基膨润土和纳基膨润土。优选纳基膨润土。™根据法国隧道工程协会推荐：膨润土水泥浆液配比是每m3加入20-80kg，水泥100-700kg。™应先将膨润土与水混合，预膨胀后再与水泥搅拌混合。™（3）水：不含过量的酸、碱、盐（0.1%）、氯化物（0.5%）以及其他过量悬浮杂质的水都能用来作为拌浆用水。11:37™（4）砂：考虑耐久性、流动性、收缩和碱性反应等因素，要求级配均匀，最大颗粒不超过2mm，当送浆距离远时，最大粒径0.5mm。™（5）水玻璃：又名硅酸钠（Na2SiO3），是常见的水溶性硅酸盐。™水玻璃溶于水时发生水解反应，使溶液呈碱性。Na2O·SiO2+H2O＝＝NaHSiO2+(m-2)SiO2aq™通常市售水玻璃浓度50-56ºBe’，而注浆需要的浓度多为30-45ºBe’，因此需要稀释后使用。™（6）高分子材料™聚氨酯类：水溶性和油溶性两类。聚氨酯类浆液遇水后发生水解反应，凝胶体体积迅速膨胀，同时发生连锁反应，产生交联形成泡沫凝固体。可注性好。11:37™2、注浆液应具备的特性™（1）充填性好，不易流失到盾尾空隙以外的其他区域。™（2）浆液和易性好，不易离析，能长距离输送。™（3）浆液注入时不宜被地下水离析。™（4）浆液填充后，早期强度均匀，能够稳定隧道。™（5）浆液硬化后收缩率和渗透系数小。™（6）无公害、价格便宜。™最重要的要求是：充填性、流动性、和易性、凝固强度（早期强度）。11:37™3、浆液种类：™（1）单液浆：由粉煤灰、砂、胶凝材料、水、外加剂等在搅拌机等搅拌器中一次拌合而成。™根据凝胶材料的加入情况，单液浆又可分为惰性浆液和硬性浆液。惰性浆液即浆液中没有掺加水泥等凝胶物质，早期强度和后期强度均很低的浆液。而硬性浆液即在浆液中掺加了水泥等凝胶物质，具备一定早期强度和后期强度的浆液。™（2）双液浆：由水泥砂浆等搅拌成的A液与由水玻璃等组成的B液混合而成的浆液。™根据凝结时间和固结形态，可以分为以下几类：™缓凝型：凝胶时间大于30s。可塑态固结区时间很短™瞬凝型：凝胶时间小于20s。可塑态固结区时间较短™可塑型：凝胶时间6-20s。可塑态固结区时间较长™当A液中加入粉煤灰或矿渣时，可以适当延长胶凝时间11:37™凝胶时间、固结强度、气温与浆材参数的关系™水灰比：B液浓度一定时，A/B液体积比一定时，水灰比越大，浆液的凝胶时间越长。11:37™水玻璃浓度：其他因素不变时，水玻璃浓度增加，凝胶时间开始略有下降，最后略有回升。11:37™A/B液体积比：其他因素不变，水泥浆与水玻璃体积比在1:0.3-1:1范围内，体积比越大，凝胶时间越短。™通常A液流动粘度控制在25-35s，B液20s左右，27-30ºBe’™体积比8:1-14:111:37™水泥用量与单轴抗压强度的关系™因此，调整浆液凝胶时间的最优选择，是调整水灰比，其次调整体积比。11:37™几组注浆配比例子™单液：水泥:砂:粉煤灰:膨润土:水＝50:220:510:20:200:3；0:680:400:100:430;100:240:400:30:230;250:1330:150:100:300:2;250:1330:0:30:420:14.1™双液：A液：水757：水泥382：膨55：稳定剂1.47B液：硅酸91L7sA液：水703：水泥400：膨133：稳定剂2B液89.313sA液：水816：水泥367：缓凝剂2.9B液：11811-13sA液：水819；水泥260；膨润土30；缓凝剂0.9B液：水玻璃80；6-11s30-40min，4MPa11:37™A、B液价格比较36103400120340价格水水玻璃水膨润土粉煤灰水泥P.O32.5B液A液材料名称11:37四、注浆设备™盾尾注浆设备基本上由材料贮藏设备、计量设备、拌浆机、贮液罐、注浆泵、注入管、注入控制装置、记录装置等构成。™材料贮藏设备：纵型筒仓和横型筒仓两种。™计量设备：多采用计量重量和容积这两个参数。™拌浆机：多以搅拌式为主，有单槽、横双槽、上下双槽型等。™贮液罐：多用带搅拌器的罐，容量多按1-2环标准注入量计。™注浆泵：有适于压送浆液和适于注浆两种，浆材改变，泵的使用条件也改变。泵要求的喷射压力与输浆管直径。11:37™注入输浆管：输浆管直径不同，浆液类型不同，管的阻力也不同。™双液浆的混合装置：多采用简单的Y型管混合注入。但这种混合方式的效果不好，容易出现A、B液倒流现象。™注浆控制系统：由千斤顶速度测定装置、注入量调节装置、自动注入率的设定装置、变速电动机、压力调节装置、记录装置、报警显示装置、A/B液注入比例设定装置等构成。11:37™管路混合器实例：11:37™双液注入方式的背后注入系统图实例11:37五、注浆管理™1、注入量™Q=Vα™V:空隙量：V=π/4(D22-D12)L+V’™α：注入率，它的选择对于注入量至关重要。α与α1、α2、α3、α4等因素密切相关α1：注入压力决定的压密系数压密现象与浆液组成、有无凝胶能力及凝胶时间长短、有无可塑状固结及保持时间的长短、注入压力的高低及其他施工条件密切相关。α2：土层情况：α3：施工损耗系数：浆液运输、泵送注浆的过程中，在运浆车、输送管路或贮浆罐中均会发生损耗，输送距离越长，损耗越严重；另外，向掌子面和盾尾的流失等。11:37α4：超挖系数：因刀具选用、土层特性、有无曲线段及其他施工条件不同而有很大差异转弯半径越小，超挖量越大，土体损失最大百分比为：式中，l为盾构长度，R为曲率半径，r为隧道半径。™2、注浆压力为使盾尾间隙能够得到有效补充，必须以一定的压力压送浆液，才能使浆液均匀地分布于管片周围。正常掘进时，压力设定等于土层阻力加上0.05～0.15MPa之和。注浆压力的设定，还要注意以下参数：（1）不大于盾尾密封压力的警戒值（2）不大于管片能承受的最大压力（3）根据管片脱出盾尾后的变形监测成果判断。一般情况下，管片脱出盾尾后会发生上浮或下沉。通过调节上下注浆管压力可以起到一定效果。（4）地表建筑物沉降情况。)(8%aRlVw+=Δ11:37