土压平衡盾构机的同步注浆

张英婵

（太原重工股份有限公司技术中心， 山西 太原 030024）

随着当前我国基础设施建设的加强，铁路、公路交通行业将实现跨跃式发展，与基础建设相适应的盾构施工设备需求增长迅速。

1 盾构机

盾构机是软岩或土质地层地下工程的主力施工机械，常用于地下隧道的开挖。集机械、电子电器、液压、传感技术于一体，自动化程度较高，除主要的液压控制系统和电气控制系统外，还有油脂润滑系统、冷却水循环系统、压缩空气系统、泡沫和膨润土系统、同步注浆系统、二次通风等多个辅助系统。

1.1 盾构机的设备组成

图1为盾构机的设备图，主要设备有驱动刀盘、盾体、螺旋输送机、管片安装机及后部拖车。辅助系统安装于拖车上。

图1 盾构机设备

1.2 盾构机的基本工作原理

在盾壳的保护下，使用推进油缸提供动力掘进；掘进同时，主驱动带动刀盘旋转切削掌子面土体；切削下来的渣土经螺旋输送机排出至皮带机，再经皮带机运输到渣土车运往洞外。管片拼装机拼装管片，完成对隧道洞壁的衬砌；衬砌管片的同时，同步注浆，使浆液迅速填满管片与地层的空隙，以控制地层变形，减少沉降[1]。

2 土压平衡盾构机

近几年来，国内许多城市的地铁建设正在如火如荼地进行。盾构施工中的关键就是要求施工时对土体的扰动要小。各地依据其地质条件及周围环境的勘测资料，将土压平衡盾构机广泛运用于地铁隧道的挖掘。

2.1 土压平衡盾构机的特点

土压平衡盾构机掘进时，旋转刀盘抵住掌子面削挖土壤，削挖出来的渣土直接用作支护介质；同时渣土通过刀盘上的开口进入开挖仓，与开挖仓内的已有膏状渣土混合，安装于刀盘和土仓压力隔板的搅拌臂对渣土进行搅拌，使其达到所需要的质地。开挖仓内膏状土体的同时承受由压力隔板传来的推进油缸的推力[2]。

2.2 土压平衡状态

在盾构机掘进过程中，必须维持开挖面地层的稳定和防止地层变形。这时就需要尽量保持土压平衡状态。

土压平衡状态就是要求开挖仓内的土体压力与周围土壤和地下水的压力近似相等。也就是说，掘进时要控制盾构机切削的土体体积与螺旋机排出的土体体积大致相等，此时，土舱压力接近于掌子面的土水压力，即达到了土压平衡状态。在土压平衡状态下，盾构施工对土层的扰动最小。

3 同步注浆

土压平衡盾构机的盾构在施工中，随着盾构的向前推进，盾构盾尾外径与管片外径之间的差值将会在管片背后产生盾尾建筑空隙。这一空隙若不及时填充，管片周围的土体将会松动甚至发生坍塌，从而导致地表沉降等不良后果。为此必须采用同步注浆手段及时将盾尾建筑空隙加以充填。

同步注浆是指在盾构机前进的同时，对由于盾尾脱出形成的管片与土层之间的空隙进行注浆的过程。

如图2所示，土压平衡盾构机的盾尾配有多条注浆管和油脂管。浆液通过注浆孔进入盾尾空隙，油脂通过油脂孔进入密封刷围成的区域内，盾尾与管片之间通过密封刷与油脂进行密封，以防止浆液流入盾体内。

图2 盾尾注浆示意图

3.1 同步注浆的作用

同步注浆通过同步注浆系统来完成。在盾构机向前推进、盾尾空隙形成的同时，浆液在盾尾空隙形成瞬间及时填充，从而使周围岩体及时获得支撑，可有效地防止岩体的坍塌，控制地表的沉降。同步注浆还可以提高衬砌接缝防水性能；改善衬砌管片受力情况；有效控制管片环与环之间的高度差，避免管片推出盾尾后上浮或下沉引起的管片破裂。在地层稳定性差且采用土压平衡模式掘进时，同步注浆的重要性更加突出和明显。

3.2 同步注浆的特点

盾构机向前推进时，边推进、边注浆；当盾构机推进结束时，停止注浆。

3.3 同步注浆系统的工作原理

同步注浆系统是土压平衡盾构机不可缺少的重要组成部分。图3为同步注浆系统的工作原理图。如图3所示，砂浆罐与注浆泵布置在盾构机后部的拖车上，砂浆罐中装有搅拌器。注浆泵口连接的注浆管路经过连接桥进入盾体内部的盾尾。共有两组注浆泵，连接有四条注浆管路，每条注浆管路的末端安装有压力传感器，检测注浆压力，以此判定注浆结果。图3中所示的其余管路为注浆备用管路，用于防止盾尾内注浆管发生堵塞。

图3 同步注浆系统工作原理图

由注浆泵将砂浆从砂浆灌内抽出，经注浆管路直接输送到盾尾注浆口。当注浆压力达到设定压力后，自动停止注浆。

3.4 同步注浆系统的主要设备

同步注浆系统主要由带有自搅拌功能的砂浆罐、注浆泵、注浆管路和压力传感器组成。

注浆泵由液压系统控制操作，其工作原理如图4所示。

图4 注浆泵工作原理图

电机带动液压泵输送压力油，压力油经调速阀进入控制阀组，控制阀组控制着浆液吸口油缸、浆液出口油缸和浆液输送油缸，使其回油流入油箱。

注浆系统开始工作时，控制阀组控制吸浆口油缸活塞杆缩回，打开吸浆口；同时出浆口油缸活塞杆伸出，封闭出浆口；浆液输送油缸在控制阀组控制下活塞杆缩回，吸入浆液至浆液腔。吸浆过程结束后，控制阀组再次工作，吸浆口油缸活塞杆伸出，封闭吸浆口；同时出浆口油缸活塞杆缩回，打开出浆口；浆液输送油缸在控制阀组控制下活塞杆伸出，浆液腔中浆液被输送至注浆管路。

液压油缸的速度由调速阀调节。浆液输送油缸装有计数指示器，可根据计数器上的读数了解每根注浆管内的注浆量。

3.5 同步注浆系统的主要技术参数

3.5.1 注浆压力

注浆压力是根据地层的土压力、水压力、管片强度及地面监测情况综合判断而设定的，在实际掘进中将不断优化。

注浆压力过大会引起地面隆起、浆液破坏洞尾密封刷出现盾尾漏浆、浆液从盾构机外壳与土体之间的孔隙流入土仓、管片出现受压变形或是被损坏；如果注浆压力过小，则注浆的填充速度很慢，注浆量不足，使地表变形增大。

根据设计资料和施工经验，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，一般设定在0.15～0.5 MPa。

3.5.2 注浆量

注浆量需考虑浆液向土体中渗透及注浆材料种类等诸多因素，实际上没有一个明确的规定值，通常按如下列公式进行计算。

注浆量的计算公式：

式中：V为计算空隙量，m3；D1为刀盘最大直径，m；D2为管片外径，m；L为管片长度，m；a为注浆率。注浆率a一般根据设计资料及施工经验，取为1.5～2.0。

3.5.3 注浆速度及时间

在掘进过程中，需根据浆液凝结时间及掘进速度来具体控制注浆时间。遵循“边掘进、边注浆，不注浆、不掘进”的原则。注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。在实际施工中注浆量是靠注入速度来控制的。注浆速度的计算式如下：

式中：v为注浆速度，m/s；Q为每环管片注入浆液量，m3；t为每环行程推进时间，s。

3.5.4 注浆结束标准

注浆结束采用注浆压力和注浆量双指标控制标准。即当注浆压力达到设定值和注浆量达到设计值的90%以上时，可认为达到了注浆质量要求。实际施工过程中设计参数还需通过对地表及周围建筑物监控测量结果的分析判断，进行参数优化，使注浆效果达到更佳。

3.6 同步注浆的注浆方式

同步注浆一般采用自动控制注浆方式，上述同步注浆系统即为自动注浆。每条注浆管路的出口处都装压力传感器。当注浆压力达到设定最大注浆压力时，注浆管路所连接的液压油缸立即自动停止工作；当注浆压力减小到设定的最小注浆压力时，液压油缸自动启动重新开始注浆。

3.7 同步注浆的注浆材料及要求

同步注浆一般选用凝固缓慢的单液浆，包括砂子、水泥、粉煤灰、膨润土、水玻璃及一些添加剂等。选用的注浆材料应满足以下要求：

1）浆体收缩率要小。浆体凝固时产生的体积收缩率要小，其目的是减少地表变形。

2）浆体凝结时间要合适。初凝要快，即压出去的浆体在短时间内达到初凝，使浆体不易流失，保证压浆质量；终凝要慢，即压出去的浆体在长时间内应具有塑性，这样可防止破坏盾尾密封装置。

3）浆体要有一定的强度。浆体的作用之一是支护地层，不使地层产生沉降变形，所以要求浆体在凝固前要有一定的早期强度。

3.8 同步注浆日常维护

1）每环开始掘进前，需要先拌制足够一环使用的浆液打入砂浆罐。

2）当开始掘进后，保证砂浆罐储存的浆液能够满足同步注浆要求，保证施工的连续性。

3）严格控制同步注浆量和浆液质量。做好地面变形情况及地表监测分析，及时调整注浆量。

4）要合理控制注浆压力，尽量做到填充而不是劈裂。

5）每次注浆结束后必须清洗注浆泵和注浆管路，防止残余浆液在泵内和管道内凝固而造成堵泵、堵管。

6）如果正在注浆时发生故障无法继续注浆，必须将管道内和泵内的砂浆排出，并清洗管路和泵。

4 结语

同步注浆作为土压平衡盾构机的辅助系统之一，在盾构施工中起着极为重要的作用。注浆材料的选用、浆液的配比、注浆量及液浆压力的监测等，每个环节都不得忽视。只有在实际施工中不断积累、不断优化，才能保证盾构施工的安全性，从而提高盾构施工的效率。随着地铁建设的需求量增大，土压平衡盾构机及其同步注浆将进一步得到广泛应用。

[1]杨华勇，龚国芳.盾构掘进机及其液压技术的应用[J].液压气动与密封，2004（1）：27-28.

[2]杨华勇，赵静一.土压平衡盾构电液控制技术[M].北京：科学出版社，2013.