多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)與應(yīng)用

王太平，張洪濤，朱英偉，鄭國(guó)良

（中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100142）

多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)與應(yīng)用

王太平，張洪濤，朱英偉，鄭國(guó)良

（中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100142）

地鐵隧道注漿主要采用單液同步注漿、雙液同步注漿、及時(shí)注漿與二次補(bǔ)漿等幾種形式，這幾種注漿形式所選用的設(shè)備與注入方式大不相同，漿液的凝固時(shí)間與注漿效果也存在著較大差異。文章根據(jù)各種注漿系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)上的使用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成和功能的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行分析研究，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后新注漿系統(tǒng)。

盾構(gòu)機(jī)；壁后注漿系統(tǒng)；集成化；應(yīng)用

1 盾構(gòu)機(jī)壁后注漿方式

1.1 單液同步注漿

單液同步注漿是通過(guò)盾構(gòu)機(jī)同步注漿系統(tǒng)及盾尾注漿管，在盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)盾尾后端管片與巖土形成空隙的同時(shí)進(jìn)行單液漿注入。漿液在盾尾后端空隙形成的瞬間及時(shí)起到充填作用，從而使周圍巖體獲得及時(shí)支撐，可有效地防止巖體的坍陷，控制地表的沉降（圖1）。

1.2 雙液同步注漿

雙液同步注漿的雙液漿是由水泥砂漿等攪拌成的A 液與由水玻璃等組成的 B 液混合而成的漿液。A、B 液在進(jìn)入盾尾前通過(guò)管路混合頭混合后同步注入盾尾注漿管，在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)盾尾后端管片與巖土形成空隙的同時(shí)進(jìn)行雙液漿注入。A、B 液迅速反應(yīng)，漿液凝固時(shí)間可控，漿液在盾尾空隙形成的瞬間及時(shí)起到充填作用，從而使周圍巖體獲得及時(shí)的支撐，可有效地防止巖體的坍陷，快速控制地表的沉降（圖2）。當(dāng)盾構(gòu)選用雙液同步注漿系統(tǒng)時(shí)，容易在施工過(guò)程中造成注漿管路堵塞或盾構(gòu)在維修保養(yǎng)期間盾殼與漿液凝結(jié)，從而影響盾構(gòu)施工效率，通常在地表沉降要求較高的軟土地層或富含水地層施工時(shí)采用該系統(tǒng)。為了防止注漿管路堵塞需要配置管路自動(dòng)沖洗裝置，增加管路清洗作業(yè)工序。

1.3 及時(shí)注漿

圖1 同步注漿示意圖

圖2 雙液同步注漿示意圖

及時(shí)注漿是通過(guò)管片上注漿孔將漿液注入管片壁后的方法，其漿液充填時(shí)間滯后于掘進(jìn)的時(shí)間，一般運(yùn)用于自穩(wěn)能力較強(qiáng)的地層。雙液及時(shí)注漿時(shí)，通常注漿作業(yè)與盾構(gòu)掘進(jìn)不是同步進(jìn)行，即，通過(guò)盾尾刷后端管片的注漿孔或吊裝孔向開(kāi)挖巖土與管片外壁之間的空隙填充雙液漿，由于注漿作業(yè)與盾構(gòu)掘進(jìn)不同步進(jìn)行，往往每環(huán)注漿量不易控制，容易造成管片錯(cuò)臺(tái)或盾尾刷失效。

1.4 二次補(bǔ)漿

二次補(bǔ)漿一般在管片與巖土間的空隙內(nèi)填充漿液，可選用單液漿也可選用雙液漿，多采用雙液漿。二次補(bǔ)漿主要受設(shè)備配置與作業(yè)平臺(tái)影響，其充填密實(shí)性差，致使地表沉降得不到有效控制。主要在需要糾偏、加固或抗?jié)B漏，堵截盾構(gòu)機(jī)后方的水源，減少噴涌發(fā)生的機(jī)會(huì)，保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出站安全等情況下采用二次補(bǔ)漿。

2 多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述幾種壁后注漿方式的特點(diǎn)，結(jié)合目前幾種盾構(gòu)機(jī)型的注漿系統(tǒng)使用情況與適應(yīng)性分析，將上述幾種漿液與注漿形式合理集成化，讓設(shè)備多用途化，以滿足施工地層多樣化，確定設(shè)計(jì)研究思路如下：

（1）總結(jié)各種注漿系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)上的使用經(jīng)驗(yàn)，分析其組成結(jié)構(gòu)和功能的實(shí)現(xiàn)方式；

（2）進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，了解一些非盾構(gòu)機(jī)上使的注漿系統(tǒng)的使用情況、各種重要部件和注漿泵的種類和形式，同時(shí)分析掌握注漿用材料的配比方法以及漿液的凝固時(shí)間等方面的參數(shù)，為注漿系統(tǒng)的選型做好充分準(zhǔn)備；

（3）將單液注漿系統(tǒng)與雙液注漿系統(tǒng)、及時(shí)注漿、二次補(bǔ)漿系統(tǒng)合理集成，并對(duì)該注漿系統(tǒng)所用設(shè)備的空間布置、注漿管路的合理配置、注漿槍頭（包括二次補(bǔ)漿槍頭的功能化設(shè)計(jì)）、盾尾注漿裝置的結(jié)構(gòu)形式以及可操作性進(jìn)行研究分析；

（4）將機(jī)械、電氣、氣動(dòng)PLC 可編程控制等相關(guān)專業(yè)方面的設(shè)計(jì)貫穿于注漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

2.2 注漿系統(tǒng)原理與系統(tǒng)構(gòu)成

通過(guò)對(duì)上述幾種注漿類型的作用與優(yōu)缺點(diǎn)分析，結(jié)合對(duì)目前幾種盾構(gòu)機(jī)型的注漿系統(tǒng)的注漿形式與使用情況研究，將上述幾種漿液與注漿形式合理集成化，并以滿足施工地層多樣化為設(shè)計(jì)原則，重新構(gòu)思設(shè)計(jì)一套多用途集成式注漿系統(tǒng)。多用途集成式注漿系統(tǒng) A 液泵選用 2 臺(tái) SCHWING 泵（1# 泵、2# 泵），B 液選用 2 個(gè)螺桿泵（3# 泵、4# 泵），并設(shè)置有單獨(dú)的B液箱。A、B 液通過(guò)盾尾管路混合嘴或安裝在管片注入孔處的混合槍混合后以背襯方式同步注入，通過(guò) 1# 泵、2# 泵、3#泵、4# 泵、注漿閥組 A（包含閥 A-1、閥 A-2、閥 A-3、閥 A-4）、注漿閥組 B（包含閥 B-1、閥 B-2、閥 B-3、閥 B-4）、閥組 a（包含閥 a-1、閥 a-2、閥 a-3）、閥組 b（包含閥 b-1、閥 b-2、閥 b-3）的切換，最終實(shí)現(xiàn)同步單液注漿、同步雙漿液、及時(shí)注漿、二次補(bǔ)漿幾種注漿形式的相互切換與使用。系統(tǒng)原理與構(gòu)成見(jiàn)圖3、圖4。

2.3 注漿電氣控制系統(tǒng)

多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿電氣控制系統(tǒng)主要由注漿觸摸屏、注漿動(dòng)力柜、注漿控制柜、PLC 系統(tǒng)及相應(yīng)的控制軟件組成，在遠(yuǎn)端中控室與近端注漿控制柜處都可對(duì)注漿系統(tǒng)進(jìn)行操作?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)接收管路壓力、流量等傳感器傳來(lái)的信號(hào)，根據(jù) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序與操作設(shè)定值算法，調(diào)整變頻器的輸出電流與流量控制閥的給定電流來(lái)控制注漿系統(tǒng)各管路設(shè)定的流量與壓力，系統(tǒng)還設(shè)置了急停、報(bào)警等保護(hù)裝置（圖5）。

3 多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 調(diào)試運(yùn)行

3.1.1 單液同步注漿

圖3 注漿系統(tǒng)原理圖

（1）先手動(dòng)操作控制面板，后操作遠(yuǎn)程終端。先單個(gè)泵與閥動(dòng)作測(cè)試，后聯(lián)機(jī)測(cè)試運(yùn)行。

圖4 注漿系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖5 注漿電氣控制系統(tǒng)

（2）單液同步注漿時(shí)，1# 泵與 2# 泵啟動(dòng)，閥組 A中閥 A-1 與閥 A-2 打開(kāi)，閥 A-3 關(guān)閉。閥組 B 中閥 B-1 與閥 B-2 打開(kāi)，閥 B-3 關(guān)閉。通過(guò)調(diào)節(jié)泵的動(dòng)作頻率來(lái)改變注漿流量，分別對(duì)盾尾內(nèi)上左、上右、下左、下右4 管路進(jìn)行注漿。

（3）為防止下部管路堵塞只選擇盾尾上部 2 路管路注漿，可通過(guò)選擇關(guān)閉底部管路對(duì)應(yīng)的泵和閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）通過(guò)閥 A-3 與閥 B-3 的開(kāi)斷可切換注漿口位置，保證注漿點(diǎn)的注漿量得到有效控制。

3.1.2 雙液同步注漿

A 液泵的操作與單液同步注漿操作相同，當(dāng)采用雙液注漿時(shí)需根據(jù)地層情況調(diào)節(jié) A、B 液注入比率與注入流量來(lái)控制注漿效果。B 液泵 3#泵、4 #泵通過(guò)變頻控制流量，盾尾混合嘴 1-1 與混合嘴 2-1 完成 A、B 液的匯合后，通過(guò)盾尾管路最終注入到管片與巖土空隙中。

3.1.3 及時(shí)注漿

（1）采用及時(shí)注漿時(shí)可靈活選用單液、雙液，通常多為雙液管路注漿。

（2）若注單液，其操作與單液同步注漿操作類似，只需啟動(dòng) A 液泵。通過(guò)開(kāi)啟閥組 A 中閥 A-4 與閥組 B中閥 B-4，并關(guān)閉盾尾內(nèi)截門(mén)向管片混合槍 1-2、混合槍2-2，便可實(shí)現(xiàn)單液漿的注入。

（3）若注雙液漿，A 液操作按照注單液操作進(jìn)行。B 液的注入通過(guò)閥組 a 中的閥a-1、閥a-2開(kāi)啟，閥a-3關(guān)閉，閥組 b 中閥 b-1、閥 b-2 開(kāi)啟，閥 b-3 關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.4 二次補(bǔ)漿

為提高背襯注漿層的防水性及密實(shí)度，考慮前期注漿效果不佳以及漿液固結(jié)率的影響，根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)的反饋信息，必要時(shí)在同步注漿結(jié)束后進(jìn)行二次補(bǔ)漿。二次補(bǔ)漿的操作與及時(shí)注漿的操作相同，采用及時(shí)注漿管路將注漿管路續(xù)接加長(zhǎng)，注入點(diǎn)可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)確定，通過(guò)壓力與流量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)漿液的注入。

二次注漿一般每 5 環(huán)注 1 次，形成有一定范圍的環(huán)箍，從而限制隧道的變形和沉降。每 5 環(huán)注漿量一般約為 2 m3，并根據(jù)實(shí)際隧道沉降監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行調(diào)整，以保證隧道線形在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

3.2 施工控制

多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)在實(shí)際施工過(guò)程應(yīng)用中需根據(jù)地層特點(diǎn)與施工監(jiān)測(cè)結(jié)果，合理選擇單、雙液漿及注入形式的切換來(lái)滿足施工地層多樣化的需求。在注漿施工控制過(guò)程中主要是對(duì)注漿施工參數(shù)的控制，包括注漿壓力、注漿量、注漿速率、注漿時(shí)間和注漿點(diǎn)的選擇，其中注漿量、注漿壓力是注漿施工中的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)際上，這幾個(gè)施工參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，比如注漿壓力大，注漿速率加大，在同樣的時(shí)間里，注漿量也大。一定量的漿液，注漿時(shí)間越短，其注漿速率越大，注漿壓力也就越大。在注漿施工中，可通過(guò) 2 種方法對(duì)注漿控制，一是通過(guò)注漿壓力的大小控制注漿施工，二是通過(guò)預(yù)設(shè)的注漿量的多少來(lái)決定注漿過(guò)程是否結(jié)束。因此，在注漿施工中，合適的注漿量及注漿壓力是注漿質(zhì)量控制的保障，同時(shí)，地質(zhì)條件對(duì)于注漿材料的選擇也具有決定性。

3.2.1 注漿材料的選擇

漿液材料類型的選擇與地質(zhì)條件密切相關(guān)，同時(shí)也與掘進(jìn)方式、施工條件和成本控制等因素相關(guān)：

（1）地面保護(hù)要求不高的地段或較堅(jiān)硬并有一定自穩(wěn)能力的土體或巖層，可考慮采用單液注漿；

（2）軟弱地層和地面保護(hù)要求較高，特別是有重要建筑物或地下管線的地段，宜優(yōu)先采用雙液注漿，如果施工管理水平較高也可采用單液漿液，單液漿惰性大保水性強(qiáng)，能夠約束管片，保持隧道的穩(wěn)定；

（3）在富水地層中，優(yōu)先選用凝結(jié)時(shí)間較短的雙液漿，防止?jié){液被地下水稀釋；

（4）在泥水盾構(gòu)中，為防止盾尾漿液對(duì)切削泥水的影響和切削泥水的后竄而稀釋漿液，宜采用雙液漿。

3.2.2 注漿壓力

注漿壓力需克服地下水壓力、土壓力、盾構(gòu)機(jī)管道的摩阻力，才能將漿液注入到開(kāi)挖洞身與管片的空隙中，但應(yīng)避免漿液進(jìn)入盾尾密封、漿液前竄至開(kāi)挖面、擾動(dòng)周圍土體、改變初砌管片受力等問(wèn)題的發(fā)生。一般而言，注漿壓力取 1.1～1.2 倍的靜止水土壓力（通常在0.2～0.4 MPa），略大于隧道拱底的水土壓力，大于拱頂水土壓力的 2 倍以上。

3.2.3 注漿量

影響注漿量的因素很多，在實(shí)際施工過(guò)程中往往根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定注漿量的多少，以確保其建筑空隙得到足量的填充。每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的 1.2～2 倍，二次補(bǔ)漿一般為同步注漿量的 30%～60%。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞始發(fā)時(shí)，盾尾進(jìn)入洞門(mén)土體第 1～3 環(huán)時(shí)，要將注漿量加大，并采用早強(qiáng)注漿材料進(jìn)行注漿，以防止洞口地面發(fā)生沉降。

4 結(jié)論

（1）多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)將幾種漿液與注漿形式合理集成化，讓設(shè)備多用途化，滿足了施工地層多樣化需求，既加快了施工進(jìn)度，又降低了隧道工后沉降量，同時(shí)也節(jié)省了單獨(dú)的二次注漿設(shè)備與成品隧道后期堵漏成本。

（2）多用途集成式盾構(gòu)機(jī)壁后注漿系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單方便，注漿方式易于切換，將會(huì)在盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)中得以廣泛應(yīng)用。

（3）單液同步注漿、雙液同步注漿、及時(shí)注漿、二次補(bǔ)漿其特點(diǎn)與工藝各不同，需要根據(jù)具體的施工情況來(lái)選擇注漿方式。注漿工藝根據(jù)需求既可選擇單液漿，也可選擇雙液漿。

［1］ 王暉，力大勇，夏廣紅.盾構(gòu)機(jī)盾尾注漿施工中存在的問(wèn)題及其對(duì)策分析［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2004（1）.

［2］ 黃宏偉，張冬梅.盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（10）.

［3］ 朱建春，李樂(lè).北京地鐵盾構(gòu)同步注漿及其材料研究［J］.建筑機(jī)械化，2004（11）.

［4］ 鄒翀.廣州地鐵二號(hào)線盾構(gòu)隧道同步注漿技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2003（2）.

［5］ 李成學(xué)，張志賀，張衛(wèi)勇.淺論盾構(gòu)工法中的背后充填注漿技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2004（6）.

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Application of Segment Inner Grouting System by Multipurpose Integrated Shield

Wang Taiping， Zhang Hongtao， Zhu Yingwei， et al.

Metro tunnel grouting mainly uses single liquid pipe synchronous grouting， double liquid pipe synchronous grouting， timely grouting and secondary fi ll slurry methods.These different kinds of grouting methods have different ways of selection of equipment and injection， and the slurry solidification time and grouting effect also have big difference.Based on the experience of the use of various grouting system by shield machines， the paper makes an analysis and study on the structure and function of the system， furthermore a new grouting system is designed.

shield machine， segment inner grouting system，integration， application

U451

王太平（1981—），男，工程師

2016-01-14