對盾構(gòu)機(jī)管片壁后注漿技術(shù)的理解

1、對盾構(gòu)機(jī)管片壁后注漿技術(shù)的理解摘要：南水北調(diào)中線工程穿黃隧洞在泥水加壓平衡掘進(jìn)過程中，盾尾實(shí)施同步注漿，除具有填充管片壁后與圍巖土層間隙，抑制地表沉陷，減少隧洞變形、上浮、下沉作用外，還可以提高隧洞的整體防水性能。根據(jù)漿液性能、漿液強(qiáng)度、漿液配比的要求，經(jīng)過前期大量試驗(yàn)，確定了同步注漿普通單液砂漿的基準(zhǔn)配合比參數(shù)：膠砂比1：3,水泥、粉煤灰比為10/35,水膠比為0.6。1工程概況南水北調(diào)中線工程穿黃隧洞是我國第一條穿越黃河的大型隧洞。隧洞結(jié)構(gòu)為內(nèi)外兩層襯筑，外層為管片拼裝層，內(nèi)層為后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋現(xiàn)澆層。過河段全長3450m,埋深40m,開挖直徑9m,襯砌管片內(nèi)徑7.9m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，

2、盾構(gòu)機(jī)穿越過河隧洞時，主要通過粉質(zhì)壤土、沙層和沙礫石層，其中：單一沙土結(jié)構(gòu)隧洞圍土主要為中沙層，局部為粗沙層，沙層中含沙礫石透鏡體，該部分隧洞長875m;上沙下土結(jié)構(gòu)隧洞圍土上部為沙礫石層，下部為粉質(zhì)壤土層，該部分隧洞長1390m;單一黏土結(jié)構(gòu)隧洞圍土為粉質(zhì)壤土層，該部分隧洞長1 185m。2同步注漿2 .1注漿機(jī)理在隧洞泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)機(jī)一旦向前推進(jìn)脫離盾尾，管片外部與圍土之間就會產(chǎn)生建筑間隙。這時必須及時、均勻、定量地向管片壁后的環(huán)形建筑空隙注入漿液，充滿建筑間隙。注滿間隙的漿液具有一定的密實(shí)性以及與土體保持相對穩(wěn)定的承壓能力，從而可有效地控制管片壁后圍巖土層的沉降，使地表

3、沉陷控制在最小范圍內(nèi)，這種注漿機(jī)理稱為同步注漿法。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時，由于盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)不可能與隧洞的設(shè)計(jì)軸線重合，因此在掘進(jìn)過程中，需要經(jīng)常對盾構(gòu)機(jī)實(shí)施姿態(tài)調(diào)整和糾偏，從而造成盾構(gòu)機(jī)對地層的擾動及出現(xiàn)隧洞斷面超挖現(xiàn)象。為此，需配制填充性能和抗分散性能好、初凝時間合理、強(qiáng)度合適的注漿漿液。確定合理的注漿量和注漿壓力對抑制隧洞變形、上浮、下沉，減少地表沉陷，提高隧洞的穩(wěn)定性和整體防水性能，確保隧洞建筑質(zhì)量和安全性至關(guān)重要。2.2泥水壓力與注漿參數(shù)的確定在隧洞的泥水加壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，漿液注漿量及注漿壓力的控制通過PLC控制系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)裝置和泥水艙、氣墊調(diào)壓艙的壓力相互連鎖確定，盾構(gòu)機(jī)在設(shè)定的注漿

4、壓力及注漿量限值內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步注漿，從而可有效地避免過高的注漿壓力損壞盾尾密封，以及通過脫離盾尾管片上每個部位的壓力來平衡地下水土壓，使襯砌環(huán)管片在注入合理的漿液量時趨于早期穩(wěn)定。為此注漿壓力和注漿量的設(shè)定應(yīng)由泥水壓力、注漿壓力和注漿量確定2.2.1泥水壓力穿黃隧洞工程采用國際最先進(jìn)的氣壓復(fù)合式泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)，該類盾構(gòu)機(jī)的泥水平衡主要通過隔板后面的氣壓與泥漿接觸，使接觸面上的氣體與液體具有相同壓力。為此只要調(diào)節(jié)空氣壓力，就可間接控制隔板前泥漿壓力、切口靜水壓力與土壓力的平衡，從而維持開挖倉內(nèi)的壓力來保證開挖面的穩(wěn)定。同時在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)階段，同步注漿壓力設(shè)定主要是根據(jù)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時的切口靜水壓力、土

5、壓力之和與泥水平衡壓力確定的，因此如果同步注漿壓力小于泥水平衡壓力，就會出現(xiàn)開挖倉內(nèi)泥水進(jìn)入盾尾影響漿液的注漿質(zhì)量，從而使注漿量填充不足，因不能平衡水土壓力而造成地表沉降。如果同步注漿壓力大于泥水平衡壓力過多，就會出現(xiàn)注漿填充過量，從而造成地層“劈裂跑漿”現(xiàn)象。根據(jù)國內(nèi)外泥水加壓盾構(gòu)設(shè)定泥水壓力的經(jīng)驗(yàn)公式，穿黃工程采用水土分算的計(jì)算方法，其公式為P泥水=P1+P2+P=TWh+K0（丫丫W(wǎng)）h+T（H-h）+20（1）式中：P為開挖艙中心泥水壓力，kPa;P1為地下水壓力，kPa;P2為靜止土壓力，kPa;P為變動土壓力，一般取20kPa;丫W(wǎng)為水溶重，丫W(wǎng)=10kN/m3;h為地下水位以下隧

6、洞埋深（至隧洞中心），h=32m;K0為靜止土壓力系數(shù)，K0=0.4;丫為土的飽和容重，20.1kN/m3;H為隧洞埋深（至隧洞中心），H=35m2.2.2注漿壓力泥水平衡壓力的設(shè)定直接關(guān)系到同步注漿壓力的確定。在盾構(gòu)掘進(jìn)時，如果盾構(gòu)機(jī)上下方的注漿壓力超過前方開挖艙泥水壓力，則注入盾尾的漿液就會竄入開挖面前方，因此脫離盾尾的襯砌管片壁后注漿壓力應(yīng)與前方開挖艙的泥水壓力基本保持平衡。由于開挖艙泥水壓力是按照開挖艙中心泥水壓力設(shè)定的，因此盾尾上方及下方的注漿壓力值為P±=P泥水丫R(2)P下=P泥水+丫R(3)式中：P上為上方注漿壓力，kPa;P下為下方注漿壓力，kPa;P泥水為開挖艙中

7、心泥水壓力，kPa;丫為開挖面泥水容重，kN/m3;R為盾構(gòu)機(jī)半徑，m2.2.3注漿量同步注漿量理論上是充填盾尾建筑空隙的量，但實(shí)際上在盾構(gòu)推進(jìn)過程中需考慮盾構(gòu)的糾偏超挖、漿液滲透(與地質(zhì)情況有關(guān))及固結(jié)收縮等因素。因此注漿量限值一般為理論注漿量的1.31.8倍，并通過盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度監(jiān)測情況來進(jìn)行注漿量的調(diào)節(jié)，以達(dá)到每環(huán)均勻地注入設(shè)定的總注漿量，其注漿量公式為S=Z?|一叢)txV(4)Q-Sh(5)式中：S為最適當(dāng)?shù)淖{設(shè)定量,m3/min;%為注漿率D1為掘進(jìn)機(jī)外徑；D2為管片外徑；V為千斤頂速度，mm/min;Q為每環(huán)總注漿設(shè)定量m3;h為盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)時間，min。3漿液技術(shù)指標(biāo)要求3.

8、1漿液性能要求為了使脫離盾尾的襯砌管片能夠盡快穩(wěn)定，并具有較好的整體防水性能，根據(jù)穿黃隧洞的水文地質(zhì)條件，針對性地對填充漿液提出了性能要求：漿液應(yīng)有良好的耐久性和穩(wěn)定性，其傾析率應(yīng)小于5%;漿液應(yīng)有良好的和易性，能保持良好的流動性（稠度）、保水性和黏聚性，其稠度應(yīng)為812cm;漿液結(jié)石率應(yīng)大于95%,即固結(jié)收縮率應(yīng)小于5%;為保證漿液的固結(jié)強(qiáng)度和填充性不受影響，在含水量較大的地質(zhì)環(huán)境中，漿液具有不易稀釋性。3.2漿液強(qiáng)度要求漿液初凝時間是衡量漿液質(zhì)量的重要指標(biāo)，是指漿液注入管片壁后開始失去流動性、具有初步強(qiáng)度所需要的時間。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，認(rèn)為漿液在初凝階段管片是“懸浮的”，即土體支撐較弱，

9、為此，針對穿黃隧洞的水文地質(zhì)條件和隧洞的不同圍土層，對管片壁后的充填漿液提出了不同的強(qiáng)度要求：漿液注入管片壁后1h強(qiáng)度應(yīng)不小于0.03MPa,1d的強(qiáng)度應(yīng)不小于0.63MPa,14d的強(qiáng)度應(yīng)不小于2.5MPa,28d的強(qiáng)度應(yīng)不小于5.0MPa。3.3漿液對比優(yōu)選根據(jù)該工程的水文地質(zhì)條件，為了保證管片壁后注入漿液的充填效果，根據(jù)對注漿漿液的性能及固結(jié)強(qiáng)度的要求，通過對國內(nèi)其他工程應(yīng)用單液水泥砂漿與應(yīng)用雙液漿情況的對比分析，認(rèn)為單液漿操作簡單，系統(tǒng)注漿壓力、注漿量在掘進(jìn)過程中可以得到有效控制，并具有穩(wěn)定的填充性和防滲性能；而雙液漿易隨溫度變化出現(xiàn)性能、強(qiáng)度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，其同配比的液漿膠凝反應(yīng)時間不

10、盡相同，同時，在操作過程中不易控制，很容易堵塞注漿管、結(jié)硝，因此確定采用單液水泥砂漿作為該工程的首選漿液。3.4漿液配比單液水泥砂漿是以水泥、粉煤灰、膨潤土、細(xì)沙為主劑的漿液，其優(yōu)點(diǎn)：把水泥作為漿液固結(jié)強(qiáng)度和調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時間的材料，通過摻入適量的外加劑使?jié){液的初凝時間得到精確控制，可以提高漿液的早期強(qiáng)度；粉煤灰可以改善漿液的和易性；一般采用細(xì)沙為填充骨料，以保證漿液具有良好的抗?jié)B性和可塑性，可有效提高漿液的稠度，保證漿液的填充效果；膨潤土可減緩漿液材料的分離，降低泌水率。按照建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法(JGJ70-90),經(jīng)過對水泥砂漿漿液的多次試驗(yàn)和對比分析，最終選出性能最為合適的配比作為該工程使用的漿液，見表1、表2。表1同步注漿漿液配合比kg/m3水膠比水泥粉煤灰(II膨洞上細(xì)沙水外加劑(Fss-8A10.5810。35。2513502753.8表2同步注漿漿液性能指標(biāo)我落度/相對菱例度/雕工時間.抗壓度'MPh%mm透系敢rrn初屣融Ih1414428df，細(xì)沙，2409xIO-910.17.2100.0450.814.67.4人工混合|經(jīng)過前期大量試驗(yàn)，利用當(dāng)?shù)卦牧?，同步注漿普通單液砂漿的基準(zhǔn)配合比參數(shù)為膠砂比為1：3,水泥、粉煤灰比為10：35,水膠比為0.6。