1、盾构施工同步及二次注浆技术研究与应用 杨立民 贾云飞 王 杰 摘 要 盾构注浆技术作为盾构施工的重要组成部分，对盾构隧道的成型质量有着至关重要的作用。本文结合深圳地铁 7 号线 7301-2 标西西区间施工的经验和教训，详细讲述了注浆施工的设备配置和技术要求。 关键词 盾构施工 同步注浆 二次注浆 浆液 压力 条件 1 前 言 盾构施工注浆技术作为盾构施工的四大要素之一，起到稳定管片、加固管片、减少地表沉降的作用，是保证盾构质量和安全的重要手段。盾构注浆施工根据施工时间、位置、方法和目的不同 ，分为同步注浆、及时注浆和二次注浆。 同步注浆顾名思义，就是在盾构机推进的同时进行注浆的方法。当盾构掘
2、进之后，管片与地层之间、管片与盾壳之间形成了一定的空隙，为了控制地层的变形，减少地表沉降，提高隧道抗渗性以及管片的早期稳定，需要在管片背后的环向间隙内以同步注浆的方式填充惰性材料。 因为地质条件的复杂性，有时同步注浆不能完全满足地表沉降的要求，同时由于施工过程的环境和条件差异，同步注浆也不能完全保证管片之间不渗漏，加上同步注浆的浆液收缩时不可避免形成的空隙等原因，可能导致隧道的成型质量不能满足要求。为了解决 这些问题，就需要在管片上开孔进行二次注浆，以满足盾构施工的质量和安全的要求。因此，二次注浆是指在同步注浆完成之后，再次进行补强注浆的方法。二次注浆主要解决盾构机推进经过一段时间以后，管片的
3、顶部砂浆出现少量的收缩空隙及管片因拼装质量原因，在盾构机运行的震动荷载扰动下出现渗漏以及地表沉降和因为地质原因造成的同步注浆质量不足等质量缺陷。二次注浆技术在进出洞期间的止水封环时尤为重要，直接决定了进出洞的施工质量。 及时注浆是在没有同步注浆条件的情况下，在管片脱出盾尾之后，利用吊装孔进行注浆的技术，一般用于 TBM 当中。 土压平衡式盾构在盾构机到达初期，同步注浆难以实施的条件下，也可以采用及时注浆的方法对管背间隙进行充填。 2 同步注浆技术研究与应用 2.1 同步注浆系统 一般的盾构机都配带有同步注浆系统，只是设计理念不同，配置的参数略有差异，一般由储浆槽、高压注浆泵和控制系统组成。储浆
4、槽根据每环注浆速度、注浆量进行设计。广州海瑞克隧道机械有限公司海瑞克 S-810 型盾构机的储浆槽设计储浆量 8m3，中铁工程装备集团有限公司生产的中铁 211 型盾构机的储浆槽设计 7m3，实际储浆量 6.5m3。注浆泵的压力和最大注浆速度根据盾构机 的最大推进速度决定，以保证推进过程中，砂浆能够及时足量的填充到管片背后。海瑞克 S-810 配置高压注浆泵排量为 0 20m3/h，注浆压力为 0 0.5MPa，和盾构机最大的推进速度 8cm/min 相匹配。中铁装备 211 盾构机配置的高压注浆泵的排量为 0 350 L/min，注浆压力 0 0.5 MPa，和该盾构机的最大推进速度 12c
5、m/min相匹配。 每一套同步注浆系统都设计有手动和自动注浆两种模式。施工中根据自身的资源配置和操作人员的熟练程度自由选择。在本工程左线选择的是手动模式，右线的前半段选择手动模式、后半段 选择的是自动模式。通过实践对比，选择自动模式更有利于盾构机操作手对注浆过程的监控。 2.2 同步注浆浆液的选择 同步注浆的浆液指标主要有结石强度不低于 2MPa，稠度在 9 11 之间，流动度 18 20，离析率不大于 5%，收缩率不大于 5%，初凝时间为 8 11h。其次还需要关注 PH 值，一般控制在 7 9 之间较好。 为了选择指标上满足要求、经济上合理的同步注浆浆材，通过大量的试验从中选取配合比为水泥
6、：水：砂：粉煤灰：膨润土 =作为施工用的浆液。详见 表 1 砂浆 配合比 试验成果表。实际施工过程中选择了下表中黑色字体所标示的砂浆 配合比，通过后期的雷达探测结果表明，管片背后结石充填密实。 表 1 砂浆配合比试验成果表 序号 水泥 kg 水 kg 砂 kg 膨润土 kg 粉煤灰 kg 初凝时间 强度 MPa 稠度 s 流动度mm 收缩性 % 离析率 % 1 100 500 800 50 350 10 10 10 10 7 8 2 100 500 750 50 400 10 7 15 12 6.5 7 3 100 500 700 50 450 8 4 20 20 5 5 4 100 500
7、650 50 500 8 3 20 20 5 5 5 100 500 650 50 550 7 2.5 18 15 4.5 4.5 6 100 450 650 50 600 4 1.2 30 30 4.5 4.5 7 100 400 650 100 550 8 1.0 15 15 8 8 8 150 500 650 100 550 6 4 20 20 5 5 9 200 500 650 50 500 4 10 40 40 3.5 3.5 2.3 同步注浆速度和压力 同步注浆的注浆量为盾构刀盘和管片之间空隙的 1.25 2.5 倍，根据公式 V=3.14（ 6.282/4-62/4） 1.5（
8、1.25 2.5） =5.06 10.12m3，以及实践情况看，每环按照 6m3 控制时比较合理。 同步注浆的速度根据推进速度进行调整。如当推进速度为 8cm/min 时，推进形成的空腔体积为 V=3.14（ 6.282/4-62/4） 0.08=0.22m3/min，根据填充饱满的要求，需要注浆速度为 0.27 0.54m3/min。实际施工中按照推进速度的 3 倍进行控制时效果较好。在理论注浆速度超出注浆泵的最大排量时需要降低推进速度或者及时进行二次注浆进行补注。 同 步注浆的压力需要综合考虑静水压力、土压力、管片螺栓的扭矩和管片之间抵抗变形的能力等因素综合确定。根据梁 弹簧试验成果，管片
9、能够承受的最大压力为 0.6MPa，因此，确定的注浆压力为 0.2 0.4MPa。实践证明，此压力作为同步注浆的压力是合适的，而且能够在注浆泵的有效荷载范围之内工作。 2.4 不同地层条件下的注浆方法 深圳地铁 7301-2 标西西区间所经过的地层有微风化、中风化、全风化、上硬下软、砂层、粘土层等条件不同的地层。在不同的地层当中采用有针对性的施工方法，能起到事半功倍的效果。不同地层的注浆参数 见 表 2。 表 2 不同地层的注浆参数表 序号 地层 地下水 出土量 注浆量 注浆压力 注浆位置 1 微风化 丰富 正常 4.5m3 0.1 0.2 顶部两孔 2 中风化 丰富 正常 5m3 0.1 0
10、.2 顶部两孔 3 全风化 丰富 *1.2 1.3 6m3 0.3 0.4 下高上低 4 砾质粘性土 少 正常 6m3 0.3 0.4 下高上低 5 粘性土 丰富 *1.1 1.2 6m3 0.2 0.3 下高上低 6 砂层 丰富 *1.3 1.4 10m3 0.3 0.4 下高上低 7 上软下硬 丰富 *1.3 1.4 10m3 0.1 0.3 下低上高 8 上硬下软 丰富 *1.2 1.3 10m3 0.1 0.3 下高上低 需要注意的是当全断面硬岩处于陡坡段时，同步注浆量应降低到规定值的一半左右，同时降低注浆压力。不然会造成管片上浮、错台或开裂等病害。 2.5 空推段的注浆技术研究 当地
11、铁隧道遇到较为坚硬的岩石段时，采用盾构法施工无论功效还是经济效益都非常低。因此，为了降低成本和加快施工速度，往往会采用矿山法进行掘进。该种地段的隧道的管片安装采用空推法施工。此时的同步注浆因为洞门的封闭条件 、管片背后填充材料不同，应采取不同的施工参数和方法。如当管片背后填充粘土时，注浆压力宜低不宜高，避免造成粘土的劈裂，一般设定在 0.1 0.2MPa 之间。而且应该下高上低或者只注下面两个孔，避免管片下沉。当管片背后填充豆粒石等粗硬性材料时，应适当提高注浆压力，一般不应小于 0.3MPa，而且注浆速度和推进速度相适应。注浆结束后灌注流塑状的膨润土材料，避免浆液泄压过程中，豆粒石堵塞管道。根
12、据深圳地铁 7 号线的实践表明，在空推管片背后充填豆粒石的情况下注浆压力设定在 0.4MPa 是合适的，注浆压力稳定连续，不能忽高忽低 。停止注浆后立即填充流塑状膨润土，膨润土填充完成后，立即关闭盾尾的注浆阀门，保持压力。 2.6 同步注浆质量的保证方法 为了保证注浆质量，应安排专人监管。同步注浆操作手应有一定的注浆经验，能够判断注浆过程是否正常。注浆材料的性能应稳定，主要指稠度和收缩率要稳定，这样既能保证填充效果，又能保证注浆施工的连续性。每环都应对砂浆进行取样，以确定注浆材料的质量。每次注浆结束均应清洗管路，避免注浆材料沉淀在管路内部。注浆设备需要经常保养和清洗，以保证注浆的正常进行。 3
13、 二次注浆技术研究与应用 3.1 二次注浆 系统 一般的盾构机都带有二次注浆系统。简单来说，一套二次注浆系统包括一台双液注浆泵、至少两条管路、至少两块压力表和一个浆液混合器，以及两个储浆槽。如果需要人工现场制浆还需要一个小型的水泥存放平台。广州海瑞克隧道机械有限公司生产的 S-810 型盾构机，配置的二次注浆系统为两台螺杆泵，注浆稳定性较好。浆液需要从外部运送到储浆槽里。操作面板简单、明了，能够显示注浆压力和注浆量。中铁工程装备设计有限公司生产的中铁 211 型盾构机的二次注浆设备为一台双液注浆泵和两个储浆筒，安装在连接桥上。因为储浆筒的容量较小，需要浆液在 砂浆车里面及时补充。每个厂家都配有
14、专用的浆液混合器。具体施工的时候，需要在管路上安装止回阀，避免两个泵或者缸的压力不同步出现串管现象，造成堵管事故。 实践证明，厂家设置的注浆泵的位置都不甚合理，二次注浆的浆液输送与推进经常出现矛盾。为了解决这个问题，需要重新调整注浆站的位置和配置，使二次注浆和推进不发生冲突。 3.2 二次注浆浆液的选择 根据二次注浆需要解决的问题，选择不同的浆液。详见表 3。 表 3 二次注浆浆液选择情况表 序号 解决的问题 浆液类型 水泥 水 速凝材料 1 回填同步注浆形成的收缩空腔 单液浆 1 0.6 2 对同步注浆进行补强 双液浆 1 1 水玻璃 1份 3 封堵同步注浆后出现的渗漏 双液浆 1 1 同上
15、 4 管片下沉 双液浆 1 1 同上 5 管片上浮 双液浆 1 1 同上 6 管片裂缝出现的渗漏 双液浆 1 1 同上 7 地表下沉 双液浆 1 1 同上 对于同步注浆浆液收缩形成的空腔进行回填，类似于回填灌浆。这时采用水泥砂浆或者水灰比较小的水泥浆进行回填效果比较理想。如果同步注浆量足够大，压力也合适的情况下，即便有收缩空腔也非常小，在实际检查的时候很少能检查出来。凡是 检查出现空腔的，都是同步注浆量不足的地段。这时可以采用上述浆液进行二次注浆。 在地下水非常丰富的条件下需要对同步注浆浆液进行补强。这时需要灌注的浆液凝结时间相对较短，不能超过 5min，因此需要使用速凝型浆材。为此需要进行水
16、泥 -水玻璃浆液配合比试验。为了控制双液浆的凝结时间和选择合理的配合比，对水泥水玻璃浆液进行了大量的配比试验，根据不同水泥浆液和不同掺量的水玻璃配比试验成果，发现 1:1:1 的双液浆便于操作，凝结时间可控，工况适应性较好。水泥 浆 -水玻璃 初凝时间曲线见图 1。 图 1 水泥 浆 -水玻璃 初凝时间曲 线图 同步注浆后出现的渗漏，主要是管片拼装的质量有问题，一般均出现在错台和裂缝处。此时的管片已经受伤，不能再承受较大的扰动。因此使用速凝型浆材能够尽快的弥合缺陷止水，同时因为浆液凝结时间较短，能够在管片背后产生一定的补强作用，保证后续灌浆过程中不再对管片产生二次损害。 无论管片上浮和下沉，均
17、会伴随错台和渗漏。管片下沉时的二次注浆在顶部放水泄压的同时对底部进行注浆。为了不让浆液扩散过远，必须使用速凝型的双液浆。上浮的时候为了让浆液留在管片顶部，需要扩散的范围更小，更需要使用速凝型双液浆材。 地表上浮时的二次注 浆主要是补充同步注浆不饱满，压力较大。为了减少浆液对管片的损害，在这样的地段，建议使用双液浆。管片下沉时的二次注浆主要是抬升管片，对注浆的浆液要求不是太高。 3.3 二次注浆速度和压力 根据梁 弹簧理论，管片正常情况下能够承受的直接压力是 0.5 0.6MPa，但是二次注浆大部分时间是在砂浆已经将管片包裹并形成一定强度的情况下进行的，二次注浆所解决的工程状况和纯理论试验有很大
18、的区别，这就决定了实践当中不能完全按照理论试验的结果进行施工。在左线 408 500 环之间严格按照不大于 0.5MPa 的压力进行施工，结果 很多部位后期都出现了渗水现象，其他环采用不大于 0.5 1.0mpa 之间的压力进行灌浆，也不同程度的出现过渗水现象。而在右线 400 470 环之间的全断面硬岩段，均采用 1.5MPa的结束压力，直到工程后期，也极少有渗水情况。特别是在 985 990 环之间的上浮段，采用水泥浆 水玻璃双液浆进行灌注，结束压力设定在 1.5 2.0MPa 之间（此压力指泵压，非孔口压力。孔口压力应比泵压低 0.2 0.3MPa），施工效果非常好，各种裂缝的渗水全部止
19、住。根据左右线施工情况的对比，可知对于管片上浮和渗漏部位的二次注浆压力在 1.01.5MPa 之间作为结束压力是合适的。 二次注浆因为承担回填补缺、修补各种渗漏以及管片自身不足的任务，要求浆液既不能扩散太远，又要能有效解决问题，因此需要根据不同的浆液选择合适的注浆速度。比如，如果使用单液浆，注浆速度应适当降低，一般以 10 15L/min 为宜，太慢则容易发生堵管事故，太快则容易对地层产生劈裂，造成浪费和地表隆起事故。如果使用双液浆，因为它的速凝特性，可以适当的加快注浆速度，应不小于 20 L/min 为宜，这样既不易堵塞混合器，又能保证浆液有一定的扩散范围。对各种工况的处理都能比较精准的处
20、理到需要处理的部位。 3.4 不同地层条件下的注浆原理和方法 根据盾构施工的适应性，大多数情况均位于软弱地层，比如含水丰富粘土层、高渗漏的砂层等，同时也会遇到各种不利的地质条件，比如软硬不均地层，或坚硬的、裂隙丰富的微风化地层，不同的层注浆的原理不同，方法随之不同。 含水丰富的粘土层，处于液 塑之间，其抗压强度极低。虽然经过盾构挤压有一定的强度，但是仍然很低。同步注浆的浆液能够推挤开地层土，形成管片的保护层。如果同步注浆能够按照要求进行施工，一般都不会出现渗漏。但是施工过程中往往因为这样的地层是盾构最适 应的地层，是提高施工速度的最佳地段和时机，因此推进速度都非常快，造成同步注浆质量较差，反而
21、较易发生渗漏。这样的地层中二次注浆的速度和压力不宜提升很快，应按照球形注浆理论的要求，缓慢提升注浆压力，防止浆液击穿地层土而造成浆液扩散过远，直至出现地表隆起的质量事故。 砾质粘性土地层含水率较粘土层低，强度高于粘土层。盾构推进过程中地层的自稳性较好，同步注浆质量较好，一般不需要二次注浆。如果出现渗漏，一般都是管片拼装质量不佳造成的。此时的注浆按照球形注浆的压密理论要求，逐渐将粘性土推移开渗漏点，一次要求注浆的浆液不能 扩散较大和对地层造成劈裂。对于此类的渗漏，优先选择双液浆进行堵漏处理。在这样的地层中进行二次注浆，注浆速度不宜过快，应缓慢提升压力。结束压力不宜小于 1.5MPa，否则在狭小空
22、间内难以实现推移跌落土体的目的。 富水砂层的自稳性极低，在盾构通过的时候同步注浆的浆液容易被地下水带走，不能形成对管片的保护，非常容易出现渗漏现象，需要采用二次注浆对同步注浆进行补强。因为地下水比较丰富，因此优先选择速凝浆材，如果双液浆的条件不具备，也必须使用不大于 0.5:1 的水泥浓浆进行灌注。灌注时压力应缓慢提升，压力不能过大。为了实 现压力平稳控制，要求采用孔口循环式灌浆管路。如果是纯水泥浆结束压力建议在 1.0MPa 左右，如果是双液浆，建议在 1.5MPa 左右。这样不至于出现劈裂现象，导致浆液浪费。 强风化岩石段强度较低，岩石自稳性较差，同时富含地下水。但是地层土接近粘土性质，同
23、步注浆的浆液容易被包裹在地层土之内，对管片形成保护。这样的地层同步注浆质量较好，不易出现渗水现象。在这样的地层内进行二次注浆，采用纯水泥浆即可，注浆水灰比可以为 0.4 1:1，灌浆压力不宜小于 1MPa，注浆速度可以适当加快。 微风化岩石地层本身强度很高，自稳性好， 盾构通过时能够形成完整的空腔。本来这样的地层中进行二次注浆主要是补充同步注浆的收缩空腔，堵截地下水。但是正是因为岩层自稳性好，很多时候为了解决成本而采用敞开式推进方法，因此造成了同步注浆不饱满。同时因为地层节理和裂隙发育，地下水压力较大，管片易出现上浮现象。所以注浆时要在顶部开孔注浆和放水泄压。注浆浆液首选双液浆。此时的注浆为回
24、填注浆，注浆压力以不低于 1.0MPa 为宜。但是有渗水的部位，注浆压力应适当提高至 1.5MPa。 3.5 封环的技术和方法 封环分为出洞封环和进洞封环两种。 出洞封环时，盾构机刚刚离 开车站进入隧道，封环的目的主要是封堵洞门橡胶帘布和管片的空隙，并形成一定厚度的结石体，使同步注浆浆液不从橡胶帘布和管片之间的缝隙流出，确保同步注浆的质量。出洞封环应在盾尾远离 0 号环至第 4 环的时候开始，采用自下而上环间加密的方法进行。先进行第三环的注浆孔灌浆，再进行 1 号环的孔灌浆，最后进行第 2 环注浆孔灌浆。 1 环、 3 环注浆压力为 1MPa，第 2 环注浆压力为 1.5MPa。钻孔时一定要钻
25、到地层土当中，注浆的同时对地层土进行固结和挤密。 进洞封环是为了截堵加固区之前的地下水，为刀盘推出隧洞时不发生喷涌等事故。因此封环应 紧紧跟随盾尾进行。双液浆注浆压力不得小于 1.5MPa，注浆顺序为自下而上逐环进行。但是在最后一环的压力要降到 0.5MPa，以满足橡胶帘布张紧力的要求。 封环的质量除了取决于二次注浆的质量之外，还与加固区的加固质量有关。如果加固区的渗水量大，封环的效果就差，反之就好。在 7301-2 标左线进洞封环的质量就因为加固区的加固质量没有达到设计要求，渗水量较大，导致盾构机进洞后出现了大量的渗水。虽然经过很长时间的封堵，效果仍不理想。而右线进洞的加固区为贫混凝土结构，
26、在刀盘离开隧洞时，盾尾还在全风化岩体内，地下水也比较丰 富，但是经过双液浆封环后，虽有漏水，但是很小，在随后的跟随封环后止水效果非常好，基本没有渗漏。 3.6 二次注浆质量的保证方法 二次注浆的压力控制和浆液控制极为关键，需要所有参与灌浆的人员都要了解灌浆的要求、过程和状态，对于出现的不利情况能够及时处置。因此需要灌浆操作手有较高的素质和经验，能够根据不同的地层选择不同的浆液配比和施灌压力以及速度。二次注浆需要连续注浆，特别是双液浆灌注过程中严禁中途停顿，需要选择高速制浆机以满足注浆的连续性。因为二次注浆是在管片背后注浆，需要注浆压力平稳，严禁出现注浆压力忽高 忽低的现象，所以注浆泵的选择也非
27、常重要。通过实践证明，液压注浆泵因为注浆压力反应为脉冲式，所以极易对管片造成二次伤害，在 460 环出现的二次注浆漏水就是这种情况。同时因为二次注浆的特点，注浆材料的储备和运输也很关键，如果判断注浆材料不足，宁可不灌，一次施灌就必须保证按照设定的压力结束。 施工案例为深圳地铁 7 号线 7302-1 标西西区间隧道盾构注浆施工，其盾构区间设计概况如下： 深圳市城市轨道交通 7 号线西丽湖西丽区间隧道设计为两分离盾构法隧道单洞。区间左线里程为 DK0+600.000 DK2+283.587，长 度 1662.077m（含长链 5.837m，短链 27.347m）；右线里程为 DK0+558.42
28、6 DK2+304.987, 长度 1752.073m（含长链 5.512m），区间总长度为 3414.150m。西西区间盾构线路平面关系如图 2 所示。 图 2 西西区间盾构线路平面关系图 本段线路区间正线线间距为 11.20 35.80m，最大转弯半径为 3000m，最小转弯半径为350m。从西丽湖站开始，以 +2 的坡度上坡，在 DK0+685.000 处转为 -26.5 的下坡，于DK1+045 处转为 -14.298 的下坡， 并在 DK1+700 处以 +5 的上坡，于 DK2+360 处以 +2 的上坡进入西丽站，区间隧道埋深 6.5m 27m。 本项目的突出特点是地层条件复杂，
29、区间隧道需要穿越富水流砂层、干硬的砾质粘性土层、极软弱的粉质粘土层、全风化地层、强弱风化地层在同一断面以及微风化富水地层等，加上隧道平曲线最小只有 350m，施工难度非常大。 按照不同的地层条件设置了不同的注浆技术指标，最终的结果令人满意，获得了业主和设计方的好评，被誉为深圳地铁史上三无（无渗漏、无错台、无裂缝）隧道的美誉。 （ 1） 2015 年 1月 10 日，邀请中核集团物 探所的科技人员对左线 1680m 的隧洞进行了管片背后空洞的检测。经过检测，没有发现空洞，注浆饱满密实。 （ 2）从监测数据上看，盾构沉降槽不明显，特别是在下穿长区间建筑物和大沙河的过程中，没有发生较大的沉降。右线在
30、下穿 200m 长的楼房区时，沉降小于 1cm，这在深圳盾构施工历史上是没有的。 （ 3）在粘土层区发生的微量沉降，经过二次注浆以后，全部都没有发生再次下沉。 （ 4）从监测成果看，地表没有发生隆起，这说明注浆方法和压力的选择是合适的。 4 结论 （ 1）同步注浆是保证盾构隧道成型质量非常重要的一项工作，需要专 人进行管理和实施。 （ 2）注浆的浆液必须根据不同的任务和地层进行选择。在开工之初，应采用试验的方法，根据开始工作之前制定的任务表确定各种浆液的初终凝时间和强度是非常重要的，这样能够使注浆工作具有针对性。 （ 3）同步注浆压力和速度必须根据推进速度和地层条件进行选择，以保证注浆质量。二次注浆压力设定在 1 1.5MPa 是合适的。 （ 4）应重视封环工作，无论是进出洞还是地层变换时，都应该进行封环作业，以保证及时堵截地下水的通道，提高同步注浆的质量。
