盾构机注浆系统分析与应用

张荣毅　王义　王哲　娄伟健

摘  要：盾构机施工掘进时，开挖隧洞与管片之间会留有开挖缝隙，以及遇到前方地层较差时，都需要及时进行注浆，起到支撑保护作用。注浆系统是盾构机设计的重要组成部分，对注浆系统进行分析与研究，介绍了注浆系统的形式，注浆量的计算，超前注浆方式以及注浆系统的日常维护。

关键词：盾构机;同步注浆;双液注浆;超前注浆;注浆系统

中图分类号：U455.43       文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）18-0189-02

Abstract： During the shield machine construction， there will be excavation gaps between the excavation tunnel and the segment， and when the front stratum is poor， grouting needs to be carried out in time to play a supporting and protective role. The grouting system is an important part of the shield machine design. This paper analyzes and studies the grouting system， and introduces the form of the grouting system， the calculation of the grouting volume， the advanced grouting method and the daily maintenance of the grouting system.

Keywords： shield machine; synchronous grouting; double liquid grouting; advanced grouting; grouting system

1 概述

盾构机在施工过程中，利用向前推力及刀盘旋转，切削前方土体，开挖出大于设备盾体直径的隧洞。通过盾体掩护，施工人员利用管片拼装机在盾体尾部进行管片拼接，形成最终所需隧道。隧道外径小于盾体，更加小于刀盘的开挖直径，因此，盾构机向前掘进后，开挖隧洞与拼装好的隧道之间会形成一定的缝隙，该缝隙如果没有及时进行填充，容易引起地面塌陷、隧道变形、涌水泄露等危害，严重时后果无法想象。为了避免此类危害发生，盾构机向前掘进时，必须及时注浆，且在凝结一段时间后，进行二次补浆，方能起到保护作用。

盾构施工经常遇到前方地层不稳、容易涌水的现象，为了保证施工安全，通常会进行超前钻探及注浆，提前稳定前方地层，减少施工隐患，保证施工质量。

2 注浆分类

盾构机的注浆形式根据注浆时期、注浆方向、浆液种类可以分为以下几类：

（1）根据注浆的不同时期，注浆形式可以分为超前注浆、一次注浆与二次注浆。超前注浆通常为前期加固地层使用，在遇到条件差的地质时，通过超前注浆管注入浆液以稳定地层。一次注浆是盾构机向前掘进后，填充开挖缝隙的主要注浆形式，也是施工中最重要的注浆环节。二次注浆是在一次注浆凝结一段时间后，弥补一次注浆缺陷的注浆形式。

（2）根据注浆流向相对于管片的方向，注浆形式可以分为水平注浆和垂直注浆两类。大多数盾构机的注浆形式为水平注浆形式，注浆管延盾构机轴线方向，依附于尾盾，在尾盾后部进行注浆，如图1所示。垂直注浆的注浆管垂直管片，注浆管相对短些，利于注入初凝时间短的浆液，通常二次补浆或者加固土体时采用该形式，如图2所示。

（3）根据注浆浆液种类，注浆形式可以分为单液注浆和双液注浆。单液注浆（俗称A液）指注入粉煤灰、砂、水泥及水的搅拌液，凝固时间较慢，初凝时间约为12～16h。双液注浆指注入A液与B液混合物的注浆形式，B液主要成分为水玻璃。双液注浆通常由一路管路输送A液，一路管路输送B液，经过混合，注入开挖缝隙，如图3所示。双液注浆可以大大缩短浆液凝固时间，初凝时间约为20～60秒，对易涌水、易塌陷地质的施工特别有利，但是双液注浆成本较高。现在盾构机设计，通常会配备双液注浆管路，施工时根据实际需要，选择单液注浆或双液注浆。

3 注浆量计算

施工时，必须提供足量的浆液才能保证填充需求。盾尾注浆需求量往往大于刀盘对土体的开挖量，需考虑扩散率。A液注浆量计算如下：

式中：QA-A液注浆量，m3/h;DS-开挖直径，m;D1-管片外径，m;V-掘进隧道，m/min;η-扩散率，由经验通常取1.5～2.5;B液根据与A液的配比不同，流量不同，配比由所需浆液的初凝时间决定，B液流量计算如下：

QB=Qa×α

式中：QB-B液注浆量，m3/h;α-混合比例。

4 超前注浆

现实施工中，经常遇到前方地层不稳定，或者含水量加大，容易发生涌水的情况。为了防止开挖面坍塌造成地表沉陷，引起施工事故，需要在盾构机掘进前，对前方地质钻探取芯，分析地质成分后，根据实际情况，通过超前注浆管进行注浆加固，提前稳定地层。以某实际项目为例，如图4所示，根据超前注浆的影响区域，沿中盾盾壳圆周范围内设计14根外插角为10°的超前注浆管，管头由球阀封堵。根据前期地质探勘，进入地层不稳定区域前，需要对刀盘前方进行超前钻探。打开封堵球阀，利用锚杆钻机，将钻杆延超前钻管打入前方地层进行取芯，打入距离根据实际需要及钻杆确定。若地层较差需要注浆，通过钻管注入砂浆，注浆区域互相交叉，确保砂浆分布均匀、全面。大多数盾构机在前盾承压板上也会设置水平超前钻孔，用于水平超前取芯、注浆。超前注浆是一些盾构施工中的重要环节，是安全施工，保证掘进质量的重要举措。

5 注浆系统维护

现场施工环境比较恶劣，注浆系统又是施工过程中的重要组成部分，为了保证施工使用需求，避免影响工期，盾构机尾部的注浆管路通常会设计成一备一用形式，但即使这样，也应加强注浆系统的日常维护。

（1）每次注浆后，应及时将管路清理干净，防止有残留浆液在管内凝固，堵塞管路。

（2）定期對砂浆罐及砂浆泵进行清理，防止残液凝固，影响设备使用。

（3）定期检查注浆系统的使用情况，注意密封的更换，防止管路泄露与磨损严重。

（4）对注浆系统附属元件进行定期检查，如传感器、阀门等，发现功能损害，应及时进行维修及更换。

6 结束语

注浆是盾构机施工的重要环节，根据需要选取合适的注浆系统，提供足够的浆液，定期对注浆系统进行维护，才能保证施工质量可靠，加快施工进度。

参考文献：

[1]高丙欢.盾构机双液同步注浆系统概述[J].工艺与装备，2018（9）：80-81.

[2]马立举.城市地铁盾构施工地表沉降研究[J].工程与建设，2014，28（1）：102-104.

[3]吴巧玲.盾构构造及应用[M].北京：人民交通出版社，2012：90-93.

[4]地盘工学会.盾构法的调查·设计·施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：220-221.