盾構(gòu)注漿系統(tǒng)的選擇與優(yōu)缺點(diǎn)分析

俞培德，趙云輝

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)注漿系統(tǒng)的選擇與優(yōu)缺點(diǎn)分析

俞培德，趙云輝

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)以及適應(yīng)各個(gè)地層的需要，盾構(gòu)注漿系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中不斷得到完善和優(yōu)化，自動(dòng)化程度不斷提高。盾構(gòu)注漿系統(tǒng)即可以滿足單液注漿，也可以進(jìn)行雙液注漿，這是盾構(gòu)注漿系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

盾構(gòu)；同步注漿；沉降；單液注漿；雙液注漿

盾構(gòu)在施工過程中，隨著盾構(gòu)向前推進(jìn)，開挖地質(zhì)將與管片之間形成縫隙，為了能夠在極短的時(shí)間內(nèi)將其填充密實(shí)，從而使周圍巖土體獲得及時(shí)地支撐，有效防止土體坍塌，控制地表沉降，需要在盾構(gòu)推進(jìn)過程中同時(shí)進(jìn)行注漿作業(yè)。注漿原理見圖1,通過注漿管路和盾尾向管片背部進(jìn)行背襯注漿。

圖1 同步注漿原理示意圖

背襯注漿促使管片環(huán)早期穩(wěn)定，有利于盾構(gòu)順利推進(jìn)。施工注漿分為同步注漿和及時(shí)注漿。同步注漿作業(yè)與盾構(gòu)的推進(jìn)作業(yè)同步進(jìn)行，它是在盾尾的孔隙產(chǎn)生與注漿充填處理沒有時(shí)滯的狀態(tài)下實(shí)施的，由于暴露的洞壁和管片之間的間隙可以隨時(shí)充填，防止地表沉降的可靠性較高；及時(shí)注漿在地質(zhì)情況好的情況下使用。

1 施工工藝流程

注漿流程如圖2所示。

圖2 注漿流程示意圖

2 注漿系統(tǒng)選擇

由于在不同的地層中滲透系數(shù)相差較大，同步漿液容易向滲透系數(shù)大的地層中滲透，因此對(duì)漿液質(zhì)量、注漿量、注漿壓力的控制需要特別注意，為了能應(yīng)對(duì)各種土質(zhì)條件，同步注漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)既可以采用雙液注漿，也可以采用單液注漿的系統(tǒng)。

2.1 單液注漿

單液注漿為了保證管路不堵塞，調(diào)出的配比通常比較稀，凝固的時(shí)間比較長(zhǎng)，凝固后收縮很大,會(huì)造成拱部空洞,帶來一定的危害，表現(xiàn)為管片上浮，使隧道成形后的實(shí)際中線與設(shè)計(jì)中心發(fā)生較大的偏差，管片上浮之后安裝間隙消失導(dǎo)致安裝困難，也易造成尾刷偏磨而損壞，盾尾油脂易被地下水稀釋后使密封損壞漏水，影響隧道建造質(zhì)量。漿液向地層和掌子面方向滲漏增加，加大施工成本，漿液的流失導(dǎo)致開挖空隙得不到填充而增大地表沉降量，增加了掘進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)。但是單液漿施工成本低，不易堵管，輸送注入及清洗設(shè)備配置要求低，對(duì)施工工序延誤要求低等，因而單液注漿方式在國(guó)內(nèi)被廣泛地采用，除了在穿越江河時(shí)為降低施工風(fēng)險(xiǎn)不宜采用外，在任何地層均能采用。但需要根據(jù)合同段的地層地質(zhì)、地面構(gòu)建物情況以及以往施工經(jīng)驗(yàn)，擬定注漿漿液配比。在施工中，還要根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊條件等，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不斷優(yōu)化配比參數(shù)。

2.2 雙液注漿

雙液注漿使用時(shí)易發(fā)生堵管，同時(shí)使設(shè)備配置及操作復(fù)雜或者人工參與施工的勞動(dòng)強(qiáng)度大，在國(guó)內(nèi)一般情況下不使用。但是雙液漿凝固時(shí)間短，漿液粘性大，保水性強(qiáng)，對(duì)地層的止水效果較好，因此速凝劑多用于穿越江河時(shí)的掘進(jìn)以避免施工風(fēng)險(xiǎn)。有時(shí)用于對(duì)管片環(huán)的復(fù)位校正和管片后二次補(bǔ)強(qiáng)注漿。一般與單液漿交替使用，在單液漿還未凝固強(qiáng)化前及時(shí)固定管片在地層中的位置。在盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)階段，總體要求縮短漿液凝固時(shí)間，需要進(jìn)行雙液注漿，填充地層的同時(shí)能盡早獲得漿液固結(jié)體強(qiáng)度，以保證開挖面安全并防止洞口漏漿。對(duì)于地層地質(zhì)及地面構(gòu)建物沉降要求高時(shí)，需要雙液注漿來控制沉降。

3 盾構(gòu)注漿系統(tǒng)針對(duì)性設(shè)計(jì)

3.1 同步單液注漿

同步單液注漿按照注漿管布置的位置與盾體關(guān)系分為外置式和內(nèi)置式注漿方式，內(nèi)置式注漿管方式一定的程度上影響盾體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，外置式結(jié)構(gòu)增強(qiáng)盾體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，卻容易出現(xiàn)卡盾現(xiàn)象。無論同步單液還是同步雙液注漿方式，都存在這兩種結(jié)構(gòu)形式。由于外置式結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)卡盾現(xiàn)象，所以在特殊地層逐漸被淘汰。內(nèi)置式的注漿管路如圖1所示，進(jìn)行同步單液注漿時(shí)采用較稀漿液，一般不容易發(fā)生堵塞，一旦注漿管堵塞，可以使用高壓清洗器進(jìn)行清洗。對(duì)于單液注漿管，可以在拆除注漿軟管和檢修窗口后，插入高壓清洗頭分段清洗，高達(dá)200～300bar的高壓水可以快速把管路清洗干凈。在遇到特殊情況時(shí)，漿液在泵和注漿管路超過1.5h，就必須用膨潤(rùn)土充滿管路，以避免堵塞。由于同步單液操作簡(jiǎn)單，易于維保，在國(guó)內(nèi)被廣泛采用。

3.2 半同步雙液注漿

所謂半同步雙液注漿如圖3所示，就是在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，盾體尾刷脫出管片中部后開始泵送A液和B液漿，通過混合器混合之后由管片中部注入。該方式結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，拆裝清洗方便，減少堵管風(fēng)險(xiǎn)。但是人工施工強(qiáng)度大，尤其是管路和管片球閥連接需要耗費(fèi)較多的勞動(dòng)力。

圖3 半同步注漿示意圖

3.3 同步雙液注漿

根據(jù)雙液在盾體混合位置的不同，雙液混合注漿要可分為洞內(nèi)混合方式、壁前混合方式以及壁后混合方式。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中也是從洞內(nèi)混合到壁前混合，最后到成熟的壁后混合方式。

3.3.1 洞內(nèi)混合方式

如圖4所示，盾體壁內(nèi)開挖有A液和B液注漿管路，并在盾體尾部設(shè)計(jì)有相應(yīng)的單向閥結(jié)構(gòu)。B液管路尾部設(shè)計(jì)有球型單向閥機(jī)構(gòu)，A液管路設(shè)計(jì)有橡膠板十字口單向閥。A液和B液分別泵送到盾體尾部后在洞內(nèi)進(jìn)行混合。由于該設(shè)計(jì)采用洞內(nèi)混合方式，一方面造成A液和B液混合不均勻?qū)е戮植繌?qiáng)度薄弱，另一方面由于單向閥靠近盾尾外側(cè)，混合液極易在管路末端固結(jié)導(dǎo)致單向閥無法開啟，且無法維修。因此該方式也逐漸被廢棄。

圖4 洞內(nèi)混合注漿方式

3.3.2 壁前混合方式

如圖5所示，盾體內(nèi)部只開挖雙液混合漿注漿管路，在注漿管路的末端連接有A液和B液的混合器，A液和B液經(jīng)由該混合器混合之后，通過注漿管路后達(dá)到盾體尾部。由于混合器構(gòu)造能使得水玻璃以層流狀態(tài)與水泥漿混合，能確保注入背隙內(nèi)的水玻璃與水泥漿混合液均勻混合，可使雙液漿達(dá)到施工所需求的設(shè)計(jì)配合比，大大提高了雙液注漿的可靠性。但在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)，在一定的注漿配比下水泥凝結(jié)速度過快（十幾秒），達(dá)不到一定的擴(kuò)散半徑就凝固了，而且注漿泵稍微停頓就會(huì)發(fā)生堵管現(xiàn)象。因此該方式注漿仍需要設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖5 壁前混合注漿方式

3.3.3 壁后混合方式

如圖6所示,在盾體尾部?jī)?nèi)集成了A液、B液以、清洗水和清洗活塞管路。A液和B液在盾尾尾部混合之后注入到開挖縫隙中，B液由緊脹性橡膠中噴出，可均勻地分散到A液當(dāng)中。由于混合位置在盾體尾部，從而減少了堵管的風(fēng)險(xiǎn)。再加上合理管理即系統(tǒng)在停止注漿后，A液要繼續(xù)泵送一段時(shí)間，可以將殘留B液帶出，避免凝結(jié)。當(dāng)A液停止泵送后，清洗活塞向前推出，堵住混合漿出液口，此時(shí)清洗水開啟，泵送到A液管路中完成閉式管路全部的清洗。由于該設(shè)計(jì)一方面減少了堵管的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面減少人員施工強(qiáng)度且自動(dòng)化程度高，因此將會(huì)被廣泛使用。然而該設(shè)計(jì)方案的盾尾必須厚度大于70mm，增大了盾構(gòu)整機(jī)的設(shè)計(jì)難度，因此仍需要完善該設(shè)計(jì)方案。

圖6 壁后混合注漿方式

4 結(jié) 論

在盾構(gòu)施工過程中，難免不會(huì)遇到特殊地層，盾構(gòu)的注漿系統(tǒng)如果只單純地設(shè)計(jì)單液注漿系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)有地層施工的需要。由于盾體注漿不斷優(yōu)化，成熟的同步雙液注漿設(shè)計(jì)不但減少了管路堵塞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了施工強(qiáng)度。因此在未來嚴(yán)格控制地表沉降需要時(shí)，同步雙液注漿是盾構(gòu)注漿系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向。當(dāng)然，目前的各類設(shè)計(jì)方案仍需要不斷優(yōu)化以適應(yīng)各類地層。

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（編輯 張海霞）

Shield tunnel grouting system choice of and advantages and disadvantages analysis

YU Pei-de, ZHAO Yun-hui

TU621

B

1001-1366(2015)01-0076-03

2014-10-15