土木工程科研创新论文 盾构壁后注浆.docx

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土木工程科研创新论文盾构壁后注浆

盾构壁后注浆技术与设计分析

摘要：

壁后注浆是盾构法的一个重要环节，本文在研究分析近年相关研究成果后，对盾构壁后注浆的技术与设计进行了总结阐述，并分析了该施工过程中易出现的问题及该领域未来可能的发展方向。

关键词：

盾构法；壁后注浆；设计施工；未来展望

1.引言

盾构法是在盾构保护下修筑地下隧道的一种施工方法。

盾构掘进施工中,壁后注浆作为整个施工环节中重要的一步，起到了防止和减小地表变形、减少隧道的沉降量、增加衬砌接缝的防水性能、改善衬砌的受力状况以及调整管片与盾构的相对位置等作用。

本文结合相关著作、论文就盾构壁后充填注浆的技术与设计，存在问题以及未来可能发展进行阐述分析。

2.注浆设计与施工技术分析

1.1注浆设计

1.1.1注入压力

盾构工法的背后注浆，不管是何种形式的注浆,必须以一定的压力压送浆液，注浆浆液在填充建筑间隙、加固土体的同时,对管片也产生了一定压力[1]，这样才能使浆液很好的遍布于管片的外侧。

由施工手册[1][2]可知，注浆压力的大小大致等于地层阻力强度（压力）加上0.1～0.2MPa的和。

另外，同先期注入压力相比，后期注入压力要比先期注入压力大0.05～0.1MPa，并以此作为压力管理基准。

所谓阻力强度是地层的固有值，它是浆液可以注入地层的压力的最小值。

地层阻力强度因地层条件及掘削条件的不同而不同，通常在0.1～0.2MPa以下，但也有高到0.4MPa的情形。

而当选择注入压力时，应考虑管片的承受强度，避免出现注入压力过大而使管片发生变形甚至破坏。

长期以来,对盾尾间隙及盾尾壁后注浆压力的研究一直是盾构隧道施工控制研究的重点,国内外众多学者围绕该问题进行过诸多探索,得到了一些有益结论。

Yukinori等[2]进行了大量盾构隧道壁后注浆的物理模型试验,研究表明:

土的密实度和注浆压力能够显著影响土压力的分布和大小。

盾尾注浆施工中会对管片本身产生压力,其大小与众多因素有关,包括注浆压力、注浆时间、土体空隙率及渗透率、浆液粘度,以及注浆孔半径等。

注浆对管片产生的压力,随注浆时间的增长、注浆压力的增大而增大。

可依据接头螺栓的剪切破坏条件来控制注浆压力和注浆时间:

在注浆压力一定的条件下,通过计算对接头螺栓产生的剪应力,该剪应力需小于螺栓的许用剪应力,反之,若注浆时间一定,则需调整注浆压力。

1.1.2注入量

根据施工手册[1][2]，回填浆液的注入量Q，通常可按下式估算：

式中：

V——空隙量；

α——注入率。

空隙量的近似表达：

式中：

——理论掘削外径（m）；

——管片外径（m）；

m——盾构的推进长度。

然而注入率α又受很多因素影响，并且复杂地纠缠在一起，这里就其中主要的四种因素叙述如下。

１．注浆压力决定的压密系数α１

拌和好的浆液在压送和注入过程中，由于注浆压力的作用产生密度变大体积减小的现象。

这种增加压力浆液密度变大的现象的程度，因浆液种类的不同而存在较大的差异。

就单液型浆液而言，为了使其流动性好需保持一定的离析水。

如果加压，则压密程度重新变大，加气则因气体被压缩等原因，致使压密现象明显增大。

另一方面，水玻璃类双液型浆液从Ａ，Ｂ液混合至凝胶前的一段时间里被地下水稀释，而浆液凝胶后到硬化前的一段时间里会发生压密现象。

也就是说，从注入起到浆液固化止的一段较长的一段时间内的连续注浆的过程中，可能出现下列现象：

①不加气体，在凝胶前的一般溶胶状态下不发生压密；

②加气体，Ａ、B液混合后，粘性降低直至凝胶（粘性增大）止的时间内，一部分空气析出，致使体积减少；

③从凝胶开始到固结钱的流动固结及可塑状固结的一段时间里，加压致使脱水压密；

④固结后的加压压密现象极少。

上述现象因浆液的组成（特别是有无加气）、有无凝胶能力及凝胶时间长短、有无可塑状固结及保持时间的长短、注入压力的高低及其他施工条件（相当于一次注入量），其程度上存在的差异较大。

将这些条件用数值（系数）来表示非常困难，目前的实际状况是，上述条件中黑体字的对应情形的压密的程度高，特别是加气与不加气相比，加气情形的压密效果明显增大。

2．土质系数α2（增加部分）

注入率与土质有密切的关系，对比壁后注浆的土质对象而言，有硬土和软土之分，但主要是软土，特别是盾构工法的对象几乎都是软土层。

无论哪种土质均会对注入率有一定的影响（即损失增大），譬如，在硬土泥板岩层中，如果没有大的裂缝，浆液就不会流失到周围土体中去。

此外，加压对液态浆液的压密现象的影响也不大。

但是发生在掘削面上的漏失与土质无关，也就是是即使是泥板岩，掘削面上的泄漏损失仍然存在。

总之硬土的场合下仍存在一定的土质系数α2，α2（硬）≠0。

在软土层中，就浆液流失到掘削空隙以外的周围土体中去的损失程度而言，粒径小的粘性土（以粘性土，粉砂土为主且渗透系数小的土层），优于粒径大的砂质土（以砂、砾石为主且渗透系数大的土层），对于砾石层，浆液漏失的现象更为明显。

当然这项土质漏失中也包括向盾尾空隙以外的周围土体中的流失以及掘削面上的漏失等内容。

此外，加压浆液的压密现象也和周围地层的抗渗性有很大的关系，抗渗性越好、压密现象越小。

3．施工损耗系数α3

通常在盾构工法中，注浆管大多是从设置在盾构始发井附近的注浆泵开始，随着掘进的逐渐延伸，一直持续到最终的到达竖井。

在浆液从泵房被压送到注浆孔的过程中，浆液的损耗是不可避免的事，特别是近年来长距离压送及同步注浆施工的情况逐年增加，这以为着和刚刚离开始发竖井时相比，残留在注浆管道内的浆液量的增多。

例如每次的注入量为500L，设隧道全长为500m，平均距离就是250m，设注浆管道的直径为50mm，则注浆管内残留浆液量为500L，和注入量几乎相同。

这样的事例并不少见，有时甚至管内残留量超过注入量。

为此，对于管内的残留液问题，必须严格地进行施工管理，并且，还要考虑其他的损耗。

4．超挖系数α4

这个系数是理论空隙量的修正值。

超挖是施工时产生的，与浆液没有直接关系，但与注入率的关系极大。

超挖系数因工法（掘削方法及机械种类）、土质、有无曲线段及其他施工条件的不同而存在很大的差异。

因此，用数值表示注入率α是非常困难的，所以时至今日仍把施工实绩和经验数据作为大致的选定目标，具体数据如表1所示。

在实际设计时，从下表中选择系数α1～α4，再在这4个系数的和的基础上加1得出α值，即：

α=α1+α2+α3+α4+1

表1注入率系数表

符号

因素

估算时增加的比例范围

设定系数

α1

注浆压力产生的压缩

加气

1.30～1.50

0.4

不加气

1.05～1.15

0.1

α2

土质

1.10～1.60

0.35

α3

施工损耗

1.10～1.20

0.1

α4

超挖

1.10～1.20

0.15

1.1.3注浆流量

当壁后注浆为同步注浆时，要注意建立起注浆速度与盾构推进的关系[3][4]。

如果注浆速度大于盾构推进的速度，则浆液会发生跑浆现象，甚至会穿过盾尾进入盾构机内，造成不必要的污染和浪费；如果注浆速度小于盾构机前进的速度，则会在盾尾脱出的部分造成大幅度沉降。

按盾构掘进速度40mm/min，注浆速度约为0.077～0.1m³/min。

注浆速度随掘进速度提高而提高，反之当掘进速度降低时，注浆速度也要随之降低。

而在非地质条件较好的情况下采用非同步注浆时，注浆速度条件可根据管片承受能力适当放宽。

1.1.4　注浆率和间隙填充率

注浆率和间隙填充率用以下公式定义:

注浆率:

　　间隙填充率:

式中　Q为总注浆量；

　VG为理论开挖空隙；

　VK为开挖空隙内的浆液量。

1.1.5浆液扩散

浆液扩散是一个复杂过程,与周围土质、施工工艺、浆液性质、注浆压力、地下水等多种因素有关,各种扩散方式并无明显界线,而且相互包容、相互参杂、相互转化。

（1）充填阶段

在充填出浆阶段,当管片脱离盾构尾部后,周围土体会马上向管片移动,当浆液充填范围小时,土体位移量大,浆液充填范围大时,土体位移量小。

文献[14]依据土质和施工扰动情况,考虑到盾尾间隙可能是一整体圆环或局部空穴,也可能已完全被周围土体填实,把整个充填注浆过程分为整体圆环充填和局部空穴充填。

（2）渗透阶段

渗透注浆主要发生于颗粒和孔隙率较大的砂性土中。

盾尾间隙被浆液填充满以后,随着浆液的持续注入,颗粒间的空气和水将被挤出,被浆液取代,即进入渗透阶段。

注浆压力在克服土体阻力的过程中,随着渗入深度的增加而成比例地衰减。

近几十年来,国内外学者发展了一系列注浆渗透理论,如马格理论球形扩散理论、柱形扩散理论（文献[14]）、卡罗尔理论、刘嘉才的单平板裂隙注浆渗透模型、Baker公式[15]、GLombad公式[16]等。

1.2注浆施工

1.2.1注入时期

背后注浆的最佳注入时期，应是在盾构推进的同时进行注入或推进后立即注入[1][2]。

地层土质条件是确定注入工法的先决条件。

对于易坍塌的均粒系数小的砂质土、砂砾及软黏土的情形而言，必须在尾隙产生的同时对其进行背后注浆。

而在坚固地层，尾隙的维持时间较长的情形下，并不一定非得同步注浆，可采取半同步注入式或后方注入式的方式进行注浆。

1.2.2注浆浆液的选择

注浆材料从成分上分为单液型和双液型。

（1）单液浆

由粉煤灰、砂、水泥、水、外加剂等在搅拌机中一次拌合而成,这种浆液又可分为惰性浆液和水硬性浆液。

惰性浆液即浆液中没有掺加水泥等凝胶物质,早期强度和后期强度均很低的浆液。

如使用惰性浆液有一个很明显的优点,就是流动性好,便于施工,可以解决同步注浆的一大难点—管路堵塞问题。

但同时由于这种浆液是一种惰性浆液,固结时间较长,并且在固结时有游离水,出现体积收缩现象。

总的来说,它不能很好的控制地表沉降,使管片结构不稳定。

而水硬性浆液即在浆液中掺加了水泥等凝胶物质,能在一定时间内凝固,具有凝固强度高,凝固时间可调,泵送性能良好,固结后没有体积变化,在振动荷载下不会产生液化,防水性能较好,材料的成本较低的特点,虽然施工工艺较惰性浆液复杂,但是相对于双液型浆液来说又比较简单。

对于惰性浆液,浆液的强度、初凝时间、泵送性能与含水量密切相关,含水量大,则强度低、泵送性好;对于硬性浆液,浆液强度、初凝时间、泵送性能也与水灰比密切相关,水灰比大,则强度低,泵送性好,水灰比小,则反之。

单液型浆液是在搅拌机等搅拌器中一次拌和成为流动的液体，再经过固液中间状态后固结硬化，譬如常用的水泥砂浆类浆液。

（2）双液浆

指由水泥浆液等搅拌成的A液与由水玻璃等组成的B液混合而成的浆液。

它具有凝胶时间短,不易受地下水稀释等特点,其凝胶体在凝胶初期呈塑性状态,即使在高注浆压力下浆体也不会流向开挖面或造成周围地层劈裂。

双液浆又可根据初凝时间不同分为缓结型（初凝时间30一60s）和瞬凝型（初凝时间小于20s）。

双液注浆材料的胶凝时间越长,越容易发生向土仓泄漏和向土体内流失的情况,限定范围的填充越困难,而且在没有初凝前,容易被地下水稀释,产生材料分离。

因此,目前多采用瞬凝型浆液注浆,但胶凝时间过短,也会造成注入还没结束,浆液便失去了流动性,导致填充效果不佳和堵管现象。

背后注浆浆液的选择受土质条件、盾构工法的种类、施工条件、价格等条件支配，实际工程中，应充分掌握浆体特性，根据实际条件选择最合适的浆液[5][6]。

（1）地面保护要求不高的地段或较坚硬并有一定自稳能力的岩层,可考虑采用单液注浆。

除保证浆液强度、固结率、可泵性等基本指标以外,应适当延长凝结时间（>12h）,但须密切注意其流失的可能性和程度。

（2）软弱地层和地面保护要求较高特别是有重要建筑物和地下管线的地段,宜优先采用双液注浆。

如施工管理水平较高也可采用单液有机浆液,但此时应缩短凝结时间（<7h）。

（3）富水地层,考虑到浆液易受地下水稀释,致使早期强度下降,应优先选双液浆液;也可考虑单液无机浆液,并要求凝结时间短、黏性大、保水性强、不离析,同时应保证盾尾的良好密封性能并提高注浆压力。

（4）在泥水盾构中,考虑到浆液对切削泥水无影响的条件,应采用双液型浆液。

1.2.3注浆部位的选择

壁后注浆部位一般分为盾尾注浆和管片注浆[5]。

盾尾注浆的及时性和均衡性（尤其当盾构机快速掘进时尤为重要）优于管片注浆,但盾尾注浆管可能增加盾体直径、盾尾间隙和注浆管堵塞时清理困难的程度,因此采用盾尾注浆时对浆液配合比的要求比较高。

管片注浆比较灵活又易清理,但注浆的均衡性不及盾尾注浆,管片注浆孔的存在会导致潜在漏水点增多,管片注浆对盾构机本身要求较低。

1.2.4注浆设备

壁后注浆设备基本上由材料储存设备、计量设备、拌浆机、贮浆槽（料斗、搅拌器）、注浆泵（压送泵、注入泵）、注入输浆管、注入控制装置、记录装置等构成[7]，随注入方式的不同其构成也不同。

1.2.5注浆效果检测

在注浆完成后，有时会出现没注意到的部位及遗漏部位，有时这些部位是连通的，这种情形就是日后出现漏水塌方，发生事故的祸根。

而这些隐患发展成事故，通常需要一段时间。

虽然事故发生的概率并不大，但仍有发生。

因此往往需要对注浆的效果进行检测和评估以便判断是否需要进行二次注浆甚至三次注浆。

目前，注浆效果检测的方法主要分为以下五大类[8]：

分析法、检查孔法、开挖取样法、变位推测法以及物探法。

而物探法近年来发展势头较快，应用也逐渐广泛。

尤其在盾构壁后注浆的雷达检测[9]方面，应用了无损技术[10][11]，尽可能的减小了对结构或周围岩土体的破坏，而且对于注浆效果的纵向连续性的宏观检查也有相对于其他监测方法的优势。

1.2.6二次注入

在以下三种情况需进行二次注入[3]：

①一次注入中未填充到的部位的完全填充；②一次注入浆液的体积缩减部分的补充注入；③为了提高抗渗透效果等进行的注入。

2.壁后注浆存在问题

壁后注浆存在的问题一般主要由两方面引起，一是浆液的工程特性不合理，造成注浆效果不好，二是施工中的控制不合理而引起的问题。

2.1浆液特性原因

由浆液特性不合理导致的问题主要表现在[12]：

浆液流动性差、凝结时间过短、物理稳定性差、离析严重、凝固后收缩量过大、凝固后早期强度偏低等，造成壁后注浆实施过程中对盾尾空隙的填充不足、不均匀、注浆管堵塞，以及壁后注浆实施后盾尾空隙顶部的浆液被水转换，对地层损失控制的不足，管片衬砌不能与固岩土体形成共同体引起隧道上浮和轴线偏移等。

由浆液特性引起的问题改进措施如下：

（l）稠度控制

稠度是表示浆液的稀稠程度。

浆液太稀则易流淌,浆液太稠则不易泵送,易堵管。

影响稠度的因素有浆液的用水量、胶砂比与材料中的增稠组分（如无机膨润土、硅灰、矿粉、有机絮凝剂等）。

因此,控制注浆材料稠度可以采取以下方法:

a）选择合适的增稠组分;

b）选择合适的胶砂比;

c）控制水胶比。

防止管片上浮要求浆液稠度控制在9～10.5cm之间,浆液通过控制水胶比选择合适的增稠组分易于改善浆液的稠度。

（2）坍落度控制

坍落度是指将浆液放置到GBSO77一87《混凝土外加剂匀质性试验方法》中的微型坍落度筒中,置于玻璃板表面抹平后,提起坍落度筒后所测得的浆液的坍落程度。

它可以直观的评价浆液的坍落、扩展情况,通过对它的控制能有效解决因浆液流动度过大造成浆液流失到隧道拱底而抬高管片的问题。

浆液的坍落度主要受浆液粘聚性的影响,浆液的粘聚性越大,坍落度越小,反之异然。

因此,控制浆液的坍落度的关键是控制浆液的粘聚性。

为防止管片上浮则需选择合适的增粘组分,控制增粘组分掺量,将坍落度控制在3～4cm之间。

（3）稠度、坍落度双控

下表是选用不同的组分和配合比,通过调节浆液的用水量控制浆液的稠度在10.0cm左右,同时测出浆液的坍落度,结果显示:

稠度相同的情况下,坍落度并不相同,这表明仅仅依靠稠度这一指标是不能用来评价浆液的“膏”状（浆液流失范围可控）的特性。

因此,通过稠度和坍落度的双重指标控制能得到可以防止管片上浮的评价方法。

此外，在某些工程中证实，环境温度的变化对浆液早期强度和凝胶时间的影响较大。

凝胶时间易受液温的影响，且凝胶时间与早期强度的关系极其密切。

近期施工越来越重视早期强度，而盾构工程的工期往往较长，长达几年的工程越来越多，但是多数施工现场仍不考虑整个工期内的温度影响。

2.2壁后注浆施工控制原因

由于施工过程中的多种因素的不合理导致的壁后注浆问题主要表现在：

壁后注浆实施过程中仅以注浆量为控制指标，造成特殊地段（地址突变、刀盘超挖时、小曲率施工等）的注浆量不足或充填不均匀。

注浆量偏高造成地表隆起[13][14]；注浆压力设置过大而造成的浆液沿盾壳外围进入压力舱，击穿盾尾密封、管片错台、拼装困难等。

或注浆压力过小无法冲填满盾尾空隙,导致过大的地表沉降。

注浆孔位及相应的注浆压力选择不合理，就会造成注浆填充不均匀或不足、隧道上浮[15]和轴线偏移等现象。

在上述情况下，通过对施工方法的改进[16]可以一定程度上改善施工中可能出现的问题。

3.壁后注浆未来展望

3.1优化浆液配比

壁后注浆中的问题由施工因素造成的尚可通过施工管理进行一定程度上改善。

而由于浆液特性配比问题引起的流动性差、固化后收缩大等问题只有通过优化改善浆液配比，使浆液特性充分适应实际工程。

而浆液一般应具有以下特性[4]：

（1）很好的填充性，使空隙得到充分的填充；

（2）均匀的高于地层土压的早期强度；

（3）适当的黏性，以防止从盾尾处漏浆或向开挖面回流；

（4）良好的工作性：

流动性好，不离析，凝胶时间合理；

（5）良好的阻水性；

（6）注入后体积收缩小

（7）不污染环境

（8）经济性好

通过浆液配比实验可以将浆液的性能参数（黏度、强度等）调节至符合上述浆液特性的要求。

3.2新材料浆液

目前，壁后注浆技术在解决隧道工程有关技术难题中，已显示其卓越的效能。

壁后注浆材料是关系到注浆成败的关键之一，它直接影响到注浆成本、注浆效果、注浆工艺等一系列问题。

隧道注浆材料发展到现在，其种类数以百计，但对于在特定地层、施工条件下如何选择最适宜的注浆材料，使之达到理想的技术经济指标，尚无定论。

因此，本人认为壁后注浆领域可以向浆液材料配比优化以及新材料方向转型发展。

由于传统浆液，如水泥、水玻璃、粉煤灰、膨润土等的配比研究都已比较成熟，可以适当加入一些新型材料进行配合比的研究，如纸浆、纸筋、沥青以及有机材料等【【【】】】。

鉴于前面所提凝胶时间和早期强度与液温的关系，也可以考虑加入某些比热容较大的保温材料，而在一定程度上改善浆液注入后凝胶时的剧烈温差变化。

在目前提倡绿色环保的形势下，进行废物再利用，将其他产业或工程的废料引入注浆系统，也是一个非常有利于环境和成本控制的方向。

例如在南京长江隧道工程案例[17]中，工程主要穿越的地层为粉细砂,这种地层具有良好的级配,如果开挖后直接排放易造成堆放环境问题,也造成了资源的浪费。

为此,该项目工程人员研究了开挖排放的粉细砂在盾构壁后注浆中的再利用的问题。

通过考虑地层不均质性——土砂比,研究了各种渣土情况下的浆液性质的变化。

结果表明,盾构开挖排放的粉细砂渣土能够满足盾构壁后注浆施工的要求,浆液配方应根据土砂比的变化,快速作出调整,以保证浆液的性质不发生较大的变化。

这种再利用方法既绿色环保又节约成本，对地层条件满足的情况下的盾构隧道工程不失为一个节能减排的好办法。

3.3高性能浆液

我国目前的注浆材料主要以充填地层、减少地基沉陷量、保证环境安全和作为衬砌结构的加强层为主要设计目标。

同时,由于地层暗流的冲刷侵蚀作用,同步注浆材料极易被水冲稀,从而造成注浆材料的结构破坏,迫使浆液不但不能起到填充、防水、加固等目的,还会导致管片上浮,地表沉降等现象。

所以对注浆材料抗水分散、防止管片上浮、抗渗、微膨胀等性能的研究、评价及设计优化方法的研究十分必要。

通过对隧道地址段地层结构进行分析,进行高性能注浆材料的研究意义重大。

进行原材料选择及其配合比的优化设计;探讨它的组成、结构与性能之间的关系,并在微观层次上对注浆材料的组成特征进行设计;利用有机一无机复合技术研制出新型的稳定可控制和抗水分散能力的复合外加剂;运用膨胀剂补偿收缩技术,解决注浆材料由于溶蚀和收缩造成的结构破坏而影响隧道安全等问题,研制开发出具有凝结时间可调、抗渗、抗水分散、可防止管片上浮、高效减水保塑的高性能注浆材料;对隧道工程注浆孔的注浆压力和注浆量进行检测和控制,保证管片背后的对称均匀压注,并对其进行量化分析研究;制定相应的注浆施工工艺指南。

对保证高水压饱水条件下壁后注浆的质量,提高隧道施工过程中的稳定性,延长使用寿命,保护周边环境具有重要的意义,同时为我国地下工程的建设提供技术支撑。

3.4注浆效果检测的方法改进

基于上文提到的注浆效果检测的重要性，个人认为注浆效果的检测评价也是未来该领域一个重要的研究方向。

目前，土层CT技术已经在地下工程中开始使用，相信该技术未来也会应用在注浆方面的检测工作中。

而注浆检测技术也会继续朝着无损、精密、连续的方向发展。

4.结论

在盾构施工中,壁后注浆是一道关键工艺,它对控制地面沉降、约束管片变位和增强隧道的防水性能等方面都具有重要意义。

在壁后注浆的设计与施工中，浆液及注浆部位选择、各项施工参数等每一个环节都密切影响着最后注浆的效果。

在注浆中出现的各种问题，也可以一定程度上通过对浆液性能的调整以及施工控制来进行修正。

目前盾构壁后注浆方向已有较成熟的工法，在新材料浆液及注浆效果监测方面未来应该有较广阔的研究未来。

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