盾构壁后注浆在预防地表沉降及管片上浮中的关键技术研究

盾构壁后注浆在预防地表沉降及管片上浮中的关键技术研究

董宇

中铁六局集团有限公司交通工程分公司四川成都610000

摘要：地铁隧道施工过程中，盾尾间隙的壁后的壁后注浆在盾构隧道中具有非常重要的作用，壁后注浆品质的好坏直接影响着隧道施工过程的地面控制、隧道后期止水性、甚至是隧道的结构安全。壁后注浆如果控制不好，会导致地面的沉降、管片的上浮或错台等一系列的问题，甚至整个建筑工程的承载量以及基本质量都会受到损害。因此重视同步注浆设备以及材料的更新研究，采用新材料、新技术应用于壁后注浆技术，同时通过控制掘进参数优化盾尾间隙大小的均匀程度，进而更好的控制壁后注浆压力和注浆量，从而提升成型隧道的基本质量。

关键词：盾尾间隙；壁厚注浆；注浆品质；注浆新材料

第一章盾构壁后注浆介绍

1.1盾尾空隙的产生

盾构法施工隧道是一种在某种地层内施工后用管片内衬撑持稳固的地下构造物，对盾尾空隙均匀、密实地注入浆液作为充填是确保土压力均匀作用于管片支撑的前提条件。当拼装好的管片衬砌脱出盾构机外壳后，因为盾构刀盘直径与管片外直径之间的差值造成的环形空隙，使脱出盾壳的土体处于悬空状态，该空隙即为盾尾空隙。盾尾空隙的大小是由盾构机刀盘直径、盾壳的厚度以及管片外直径大小决定的，一般在10～20cm左右。由于管片脱出盾尾时出现的管片与围岩土体处于的暂时的无支护悬空形态，致使隧道上方土体向盾尾空隙移动变形造成围岩的松散，或者产生局部坍塌，是盾构施工引起地层变形和沉降的重要方面。如图1.1.1-1所示。

图1.1.1-1盾尾空隙的形成及壁后注浆示意图

1.2壁后注浆实施目的和作用

盾构施工中壁后注浆的目的和作用主要是：

①填充盾尾空隙，控制地层沉降。盾尾空隙如果得不到及时的填充，势必造成地层损失过大，甚至会引起地层变形，使得相邻地表建筑物或者地中构筑物发生过大变形，甚至遭到破坏。因此，壁后注浆最重要的目的就是及时的填充盾尾空隙，减少地层应力的释放和防止地层变形；

②固定管片，确保管片的拼装质量。壁后浆液注入后，应能在短期内固定管片，防止隧道管片过大移动导致的上浮和错台等对管片损坏事故。所以就要求注入后的浆液不仅能够及时填充盾尾空隙，而且需要有一定的稠度防止管片的移动，浆液可确保管片衬砌早期和后期的稳定性；

③提高隧道的抗渗性。壁后注浆的浆液固结硬化后，一般都有一定的抗渗性能，可作为隧道的第一道止水防线，从而提高隧道的整体抗渗性能。

1.3壁后注浆施工工艺

壁后注浆施工工艺流程如图1.1.3-1所示，浆液在地面拌合站搅拌好以后，一般依靠浆液自重通过管道自动流到电瓶车的砂浆斗（有搅拌叶片）中，也有部分泵站还设置了中转砂浆罐（有搅拌叶片），浆液先由搅拌站泵送或自流至中转砂浆罐，然后再自流到工作竖井中带有转泵泵的台车浆罐中，被运输到盾构机尾部砂浆罐准备泵送入盾尾空隙中。注浆管路连接好后，设定注浆压力和流量，一般通过数个砂浆泵进行注浆，并在每个注浆孔出口设置分压器，以便对各注浆压力和注浆量进行检测与控制，从而获得对盾尾空隙的对称均匀压注浆液。水泥浆液与水玻璃相结合则可实现双液浆注浆工艺。注浆管一般布置在盾壳的外层，不过也有部分盾构机是布置在内层，如图1.1.3-2所示。为了更好地控制地层的沉降和管片位置的稳定，在重要地段施工时有时还会通过每块管片的吊装孔来实施进行管片后的二次注浆。

图1.1.3-2盾构壁后注浆管布置示意图

第二章壁后注浆中常见的问题及现象

盾构施工过程中，由于地层和浆液的原因，往往会产生各类问题。最常见的问题如下所示：

1、盾尾浆液窜浆流失到盾构压力舱导致盾尾空隙填充不满，管片环顶部易出现空洞；当地层裂隙水较多时，导致盾尾大量水流向压力舱内，导致压力舱水压过大，导致喷涌发生；

2、由于管片缺少侧向水平抗力，导致隧道水平直径的收敛变形过大，严重影响到隧道结构的安全。现在隧道的保护已经成为一个严峻的问题；

3、由于浆液无法及时、饱满的充填盾尾空隙，导致管片上浮严重或错台严重，甚至出现管片开裂和注浆管堵塞严重，严重拖延工期；

4、由于盾尾空隙充填不满或充填之后浆液在地层中流失严重，易导致地表过大的沉降，如果周边附近有建筑物、构筑物或者管线，容易导致建筑物、构筑物的开裂或者管线破损。

2.1泥岩等自稳地层对盾构施工的影响

为了盾构施工的顺利进行，盾构机刀盘直径会大于盾体直径，盾体直径因为盾尾操作的原因又大于管片直径，因而盾构机在掘进过程中，管片与地层之间会有约14cm宽的建筑空隙。由于泥岩自稳能力强，地层基本不会坍塌，刀盘经过之后与管片之间的空腔就一直存在。盾构掘进过程中，地层水以及一部分地层内的气体会经过盾体外侧流窜至管片背后占据空间，影响盾构同步注浆品质，管片背后的空隙填充不饱满，浆液中的水无法渗透流失，浆液短时间内无法达到凝固状态，管片得不到稳定，就会造成管片上浮、错台和破损，影响工程施工质量。

2.2地层中裂隙水影响

当地层中裂隙水较多时，盾构掘进一段距离后，地层中的裂隙水会逐渐渗流并汇集到管片壁后，会稀释壁后浆液，造成浆液浮力大于浆液流动阻滞力。对于刚脱出盾尾的管片来说更容易造成管片的上浮。

2.3壁后注浆浆液影响

当管片脱离盾尾时，根据阿基米德原理F浮力=ρ液gV排，如果壁后浆液不能及时初凝并达到一定的早期强度产生较高的流动粘滞力，管片在浆液中会产生比水更大的浮力。在管片脱出盾构过程中，随着浆液的注入及地层中水的逐渐汇集，会产生一个动态的上浮力。同步注浆量及地层中裂隙水汇集量大小影响着的动态上浮力，是导致管片不均匀上浮的主要原因。因此如果砂浆不能及时凝固对管片产生约束，管片就一直处于悬浮状态，就有上浮的可能。

2.4盾构机推力影响

盾构机掘进过程中需要通过调整各组油缸的推力来达到纠偏目的，以符合隧道设计轴线的要求。但受盾构机自重的影响，盾构机下部油缸推力一般大于上部油缸推力，特别是在下坡阶段，盾构机下部油缸推力增大将在线路设计轴线法线上产生一个向上的分力，这个分力结合管片壁后水与砂浆产生的浮力将加大管片上浮量。

图2.2.3-1油缸分布示意图

第三章盾尾壁后注浆液改进实验

3.1现有壁后注浆改进思路

针对第二章中提到的各类壁后注浆问题，分别采取以下措施来进行改进：

1、填充性

必须注入高密度、高稠度的浆液。浆液的含砂量要适当提高，水量要适当控制，每方浆液的含沙量应该在700-900kg。

2、施工性

较好的流动性。与目前工程中使用的厚浆流动性差不多。

3、针对土质地层盾构掘进

主要考虑填充性，因为地层塌落及时挤压浆液，浆液不容易流失，同时浆液较容易发生固结硬化，通过注浆量和注浆压力控制一般可以充填满盾尾空隙，对浆液性质的要求不是特别高。

4、针对自稳性地层（含裂隙水）的盾构掘进同步注浆

浆液除了保证良好的充填性以外，还需要考虑快速初凝，以稳定管片。因为地层的自稳性，导致浆液长时间处于裂隙水的浸泡中，对管片无法形成固定作用，易导致管片的错台，也容易产生流失。

因此，对浆液的要求较高，要求浆液具有防止窜浆流失的能力，而且还要有较短的初凝时间，注浆系统可能存在不满足的要求。

3.2自稳性地层中盾构壁后注浆沿盾壳流失分析

图3.2-1盾构机掘进同围岩空隙示意图

如上图所示，为了盾构施工的顺利进行，盾构机刀盘直径会大于盾体直径，盾体直径因为盾尾操作的原因又大于管片直径，因而盾构机在掘进过程中，管片与地层之间会有约14cm宽的建筑空隙。由于泥岩自稳能力强，地层基本不会坍塌，刀盘经过之后与管片之间的空腔就一直存在。盾构掘进过程中，地层水以及一部分地层内的气体会经过盾体外侧流窜至管片背后占据空间，影响盾构同步注浆品质，管片背后的空隙填充不饱满，浆液中的水无法渗透流失，浆液短时间内无法达到凝固状态，管片得不到稳定，就会造成管片上浮、错台和破损，影响工程施工质量。如盾构线路坡度加大，浆液流失现象会更加明显。

假设浆液为假设浆体为宾汉姆流体，当宾汉姆流体流动时，中心区域存在一个流速相等的流核。

想要得出良好的壁后注浆配比，需要利用NXS-11A型旋转粘度计模拟盾构机进行试验，来确定同步浆液的配比关系。

为缩短同步注浆浆液凝固时间，及时有效地包裹管片，及时约束管片上浮，采用以下配合比。

图3.2-9盾尾间隙为20mm，

在不同剪切应力下的盾尾注浆压力与开挖面压力差同流失量关系图

有上述试验可得：

盾体的长度为9m，△h为0.2m，P1-P2之差为200kpa，则可以得到浆液不发生流失时的粘滞阻力为0.222kpa。

盾体的长度为9m，△h为0.2m，P1-P2之差为150kpa，则可以得到浆液不发生流失时的粘滞阻力为0.148kpa。

盾壳的长度为9m，△h为0.2m，P1-P2之差为100kpa，则可以得到浆液不发生流失时的粘滞阻力为0.111kpa。

为缩短同步注浆浆液凝固时间，及时有效地包裹管片。及时约束管片上浮，采用以下配合比进行试验：

表3.2-1同步注浆配合比

根据施工现场情况考虑，搅拌站配浆过程中为了满足浆液输送对稠度的要求，不添加水玻璃。搅拌站将水泥、粉煤灰、膨润土、和毅泥及水严格按照比例搅拌均匀后输送至运浆车，浆液稠度应控制在12.5~13.5cm，浆液密度应控制在1.75~1.80g/cm3。水玻璃在改造设备后的运浆车或者改造后的一号台车中转罐中添加，添加水玻璃后的浆液稠度应控制在11.5~12cm，初凝时间为6h。

同时，同步注浆施工时应注意以下几点：

（1）每环同步注浆量不低于5m3，同时注意注浆压力不大于3bar，防止注浆压力过大浆液窜流至刀盘。

（2）注浆司机在掘进过程中时刻关注掘进速度，注意注浆速度要与掘进速度匹配，保证浆液能够均匀填充管片壁后空隙。

（3）管片上浮量较大阶段，可采用上部两路注浆量加大、下部两路注浆量减少的方式进行注浆，可抵消部分管片动态上浮力。

（4）由于该配合壁后浆液初凝时间较短，要求每个班组必须每天清洗一次注浆系统，包括砂浆罐、下料口、注浆管，保证同步注浆品质。

第四章总结

采用新配比的浆液作为同步注浆浆液的优点比较显著，该浆液的各项性能指标比较均衡。同时为了满足新配比浆液的拌制要求，确保盾构掘进过程提供充足优质的同步注浆浆液，传送浆液设备的改良，规避了注浆时存在的易堵管、排查难度大、清洗时间长等众多难题。但该浆液遇水易沉淀，同步注浆管路采用清水冲洗容易在管壁上沉淀结块，一段时间后会淤积堵塞，影响浆液的注入，需每5天采用膨润土浆液冲洗管路一次。

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