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1、对盾构机管片壁后注浆技术的理解摘要：南水北调中线工程穿黄隧洞在泥水加压平衡掘进过 程中，盾尾实施同步注浆，除具有填充管片壁后与围岩土层间 隙，抑制地表沉陷，减少隧洞变形、上浮、下沉作用外，还可 以提高隧洞的整体防水性能。根据浆液性能、浆液强度、浆液 配比的要求，经过前期大量试验，确定了同步注浆普通单液砂 浆的基准配合比参数：胶砂比1:3，水泥、粉煤灰比为10/35，水胶比为0. 6。1工程概况南水北调中线工程穿黄隧洞是我国第一条穿越黄河的大型 隧洞。隧洞结构为内外两层衬筑，外层为管片拼装层，内层为 后张法预应力钢筋现浇层。过河段全长3 450 m，埋深40 m ,开挖直径9 m，衬砌管片内径7
2、. 9 m。根据地质勘察资料，盾 构机穿越过河隧洞时，主要通过粉质壤土、沙层和沙砾石层， 其中：单一沙土结构隧洞围土主要为中沙层，局部为粗沙层， 沙层中含沙砾石透镜体，该部分隧洞长 875 m;上沙下土结构 隧洞围土上部为沙砾石层，下部为粉质壤土层，该部分隧洞长 1 390m;单一黏土结构隧洞围土为粉质壤土层，该部分隧洞长 1 185 m 。2同步注浆2. 1注浆机理在隧洞泥水加压平衡盾构掘进施工中，盾构机一旦向前推进脱离盾尾，管片外部与围土之间就会产生建筑间隙。这时必 须及时、均匀、定量地向管片壁后的环形建筑空隙注入浆液， 充满建筑间隙。注满间隙的浆液具有一定的密实性以及与土体 保持相对稳定
3、的承压能力，从而可有效地控制管片壁后围岩土 层的沉降，使地表沉陷控制在最小范围内，这种注浆机理称为 同步注浆法。在盾构机掘进时，由于盾构机的姿态不可能与隧 洞的设计轴线重合，因此在掘进过程中，需要经常对盾构机实 施姿态调整和纠偏，从而造成盾构机对地层的扰动及出现隧洞 断面超挖现象。为此，需配制填充性能和抗分散性能好、初凝 时间合理、强度合适的注浆浆液。确定合理的注浆量和注浆压 力对抑制隧洞变形、上浮、下沉，减少地表沉陷，提高隧洞的 稳定性和整体防水性能，确保隧洞建筑质量和安全性至关重 要。2. 2泥水压力与注浆参数的确定在隧洞的泥水加压平衡盾构掘进过程中，浆液注浆量及注 浆压力的控制通过 PL
4、C控制系统、盾构推进装置和泥水舱、 气垫调压舱的压力相互连锁确定，盾构机在设定的注浆压力及 注浆量限值内实现同步注浆， 从而可有效地避免过高的注浆压 力损坏盾尾密封，以及通过脱离盾尾管片上每个部位的压力来 平衡地下水土压，使衬砌环管片在注入合理的浆液量时趋于早 期稳定。为此注浆压力和注浆量的设定应由泥水压力、注浆压 力和注浆量确定。2. 2. 1泥水压力穿黄隧洞工程采用国际最先进的气压复合式泥水加压平衡 盾构机，该类盾构机的泥水平衡主要通过隔板后面的气压与泥 浆接触，使接触面上的气体与液体具有相同压力。为此只要调 节空气压力，就可间接控制隔板前泥浆压力、切口静水压力与 土压力的平衡，从而维持开
5、挖仓内的压力来保证开挖面的稳 定。同时在盾构机掘进阶段，同步注浆压力设定主要是根据盾 构机掘进时的切口静水压力、土压力之和与泥水平衡压力确定 的，因此如果同步注浆压力小于泥水平衡压力，就会出现开挖 仓内泥水进入盾尾影响浆液的注浆质量，从而使注浆量填充不 足，因不能平衡水土压力而造成地表沉降。如果同步注浆压力 大于泥水平衡压力过多，就会出现注浆填充过量，从而造成地 层“劈裂跑浆”现象。根据国内外泥水加压盾构设定泥水压力 的经验公式，穿黄工程采用水土分算的计算方法，其公式为P 泥水二 P1 + P2 + P = y Wh +K0 （丫 一 Y W） h + 丫 （H h） + 20 （1）式中：P
6、为开挖舱中心泥水压力，kPa; Pl为地下水压力， kPa; P2为静止土压力，kPa; P为变动土压力，一般取20 kPa; Y W为水溶重，Y W = 10 kN/m3 ; h 为地下水位以下隧洞埋 深（至隧洞中心），h = 32m;K0为静止土压力系数，K0 =0.4; Y为土的饱和容重，Y = 20 . 1 kN/m3 ; H为隧洞埋深（至隧 洞中心）,H =35 m。2. 2. 2注浆压力泥水平衡压力的设定直接关系到同步注浆压力的确定。在 盾构掘进时，如果盾构机上下方的注浆压力超过前方开挖舱泥 水压力，则注入盾尾的浆液就会窜入开挖面前方，因此脱离盾 尾的衬砌管片壁后注浆压力应与前方开
7、挖舱的泥水压力基本 保持平衡。由于开挖舱泥水压力是按照开挖舱中心泥水压力设 定的，因此盾尾上方及下方的注浆压力值为P上=P泥水一Y RP下二P泥水+ y R式中：P上为上方注浆压力，kPa; P下为下方注浆压力， kPa; P泥水为开挖舱中心泥水压力，kPa; 丫为开挖面泥水容 重，kN/m3 ; R为盾构机半径，m。2. 2. 3注浆量同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙的量，但实际上在 盾构推进过程中需考虑盾构的纠偏超挖、浆液渗透(与地质情况有关)及固结收缩等因素。因此注浆量限值一般为理论注浆 量的1. 31. 8倍，并通过盾构机推进速度监测情况来进 行注浆量的调节，以达到每环均匀地注入设定
8、的总注浆量，其 注浆量公式为S =(4)Q = SA(5)式中：S为最适当的注浆设定量，m3 /min; a为注浆率； D1为掘进机外径；D2为管片外径；V为千斤顶速度，mm/min; Q 为每环总注浆设定量 m3 ; h为盾构每环掘进时间，min。3浆液技术指标要求3. 1浆液性能要求为了使脱离盾尾的衬砌管片能够尽快稳定，并具有较好的 整体防水性能，根据穿黄隧洞的水文地质条件，针对性地对填 充浆液提出了性能要求：浆液应有良好的耐久性和稳定性， 其倾析率应小于5%;浆液应有良好的和易性，能保持良好的 流动性（稠度）、保水性和黏聚性，其稠度应为 812 cm; 浆液结石率应大于95%，即固结收缩
9、率应小于5%;为保证浆 液的固结强度和填充性不受影响，在含水量较大的地质环境 中，浆液具有不易稀释性。3. 2浆液强度要求浆液初凝时间是衡量浆液质量的重要指标，是指浆液注入 管片壁后开始失去流动性、具有初步强度所需要的时间。在盾 构机掘进过程中，认为浆液在初凝阶段管片是“悬浮的”，即土体支撑较弱，为此，针对穿黄隧洞的水文地质条件和隧洞的 不同围土层，对管片壁后的充填浆液提出了不同的强度要求：浆液注入管片壁后1 h强度应不小于0 03 MPa , 1 d的强度 应不小于0. 63 MPa, 14 d的强度应不小于2. 5 MPa , 28 d的 强度应不小于5 0 MPa。3. 3浆液对比优选根
10、据该工程的水文地质条件，为了保证管片壁后注入浆液 的充填效果，根据对注浆浆液的性能及固结强度的要求，通过 对国内其他工程应用单液水泥砂浆与应用双液浆情况的对比 分析，认为单液浆操作简单，系统注浆压力、注浆量在掘进过 程中可以得到有效控制，并具有稳定的填充性和防渗性能；而 双液浆易随温度变化出现性能、强度不稳定的现象，其同配比 的液浆胶凝反应时间不尽相同，同时，在操作过程中不易控制， 很容易堵塞注浆管、结碴，因此确定采用单液水泥砂浆作为该 工程的首选浆液。3. 4浆液配比单液水泥砂浆是以水泥、粉煤灰、膨润土、细沙为主剂的 浆液，其优点：把水泥作为浆液固结强度和调节浆液凝结时 间的材料，通过掺入适
11、量的外加剂使浆液的初凝时间得到精确 控制，可以提高浆液的早期强度；粉煤灰可以改善浆液的和 易性；一般采用细沙为填充骨料，以保证浆液具有良好的抗 渗性和可塑性，可有效提高浆液的稠度，保证浆液的填充效果； 膨润土可减缓浆液材料的分离，降低泌水率。按照建筑砂 浆基本性能试验方法(JGJ70 90)，经过对水泥砂浆浆液的 多次试验和对比分析，最终选出性能最为合适的配比作为该工 程使用的浆液，见表1、表2。表1同步注浆浆液配合比 kg /m3水胶比（盘鬻橋膨润上细沙水(外加剂 Fss S A)0.58100350251 3502753.8表2同步注浆浆液性能指标落度/41对渗毗f擬结时间儿抗圧强度/MP
12、aniEii透杲驗旳嗣裁1 h1 d 14d28 ilrifEE2409 kIO-9 1(X17.2100.0450.84.67.4細眇. 人丁经过前期大量试验，利用当地原材料，同步注浆普通单液 砂浆的基准配合比参数为胶砂比为 1: 3，水泥、粉煤灰比为10: 35，水胶比为0. 6。4结语目前，通过对穿黄输水隧洞沉降、变形的监测和渗漏情况的检查，隧洞的实际轴线与设计轴线偏差均控制在土 50 mm 内，隧洞直径失圆度最大误差控制在土5 mm内，衬砌管片内壁结构表面局部有少量湿渍， 其隧洞的构筑质量已达到设计要 求。表明：按照上述配合比拌制的浆液满足隧洞管片壁后建筑 间隙的填充要求，有效地控制了隧洞的变形、渗漏及地面沉降。城轨一班赵运涛
