35盾尾壁后注浆系统.docx
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35盾尾壁后注浆系统
第三章五、盾尾壁后注浆系统
盾尾壁后注浆的主要目的是控制地面沉降，防止向管片内漏水，使土压力作用均匀以及使管片组成的衬砌环早期稳定。
但在软土层中，对于沉降的控制，是在盾尾建筑空隙发生同时迅速注浆，根据需要也可在盾壳尾部采用与盾构千斤顶顶进速度连动的同步衬砌壁后注浆法。
1壁后注浆设备
盾尾壁后注浆设备，主要由材料贮存设备、计量设备、浆液（砂浆）搅拌机、贮液槽（料斗）、浆液泵、注浆管路、注浆装置、控制和记录装置组成，但是根据注浆方式，其种类有多种多样。
双液注浆方式时的壁后注浆系统见图82。
图82 壁后双液注浆系统
壁后注浆方式，因盾构掘削诸条件的不同而有差异，尤其要根据盾构直径、隧道施工长度、注浆材料及注浆时期等而定。
壁后注浆方式可分为下列几种：
①直接压送式
从竖井外的拌浆设备直接把浆液压送到管片等注浆口注浆的方式。
直接压送式多数用于盾构直径小、掘进长度较短的场合。
②中继泵式
由竖井外的拌浆设备将浆液压送到竖井内的后续车架上的中继设备处，用配置在那里的注浆泵进行压送的方式。
主要用于掘进长度长和盾构直径较大的场合。
目前这种方式用得很多。
③井内搬运式
从竖井外的拌浆设备把浆液装入台车上的液罐中再运入井内，用井内注浆泵进行注浆的方式。
这样没有管路阻塞和清洗之忧，易定量注浆。
④竖井内设备式
将各种材料运到井下后续台车上的井下拌浆设备处，并在该设备上进行拌浆后注浆的方式。
对于大直径盾构也能使用，但由于易影响材料的搬入以及各种设备的拥挤而不适合，实际使用较少。
（1）注浆设备组成
①材料贮存设备
筒仓形式大致可分为立式筒仓和卧式筒仓两种，根据施工现场的设备布置情况分别采用。
立式筒仓是应用于让材料自然落入的场合。
与卧式筒仓相比，它占地面积小，即使是20吨位的筒仓，其高度从地面算起仅约10m。
在设置时筒仓基础必须可靠，立式筒仓实例见图83。
图83 立式筒仓实例
图83附表
编号
名称
数量
规格
1
20t筒仓
1
2
插销挡板
1
手动式
3
旋转进料器
1
40t/h0.7kW×4P×1/30
4
1号螺杆输送机
1
40t/h1.5kW×4P×1/20
5
2号螺杆输送机
1
40t/h5.5kW×8P
6
排气口
1
10m2
7
压送管
1
4BSGP
8
快速连接
1
橡胶套一副
9
扶手
1件
第一水泥标准件
10
扶梯
1件
第一水泥标准件
11
通风装置
1件
空气过滤器减压阀多孔金属板
12
振动钢丝索
1件
3φ
13
液位计
1
自动罐型200V
14
计量机
1
300kg气缸式
卧式筒仓特点是筒仓占地面积大，但可以利用筒仓货箱下空间，分散荷重，与立式筒仓相比因设置筒单而广泛应用。
卧式筒仓的标准尺寸见表25及附图。
卧式筒仓的标准尺寸图表 表25
在双液性浆液中，需要贮存液体材料的容器。
一般使用硅酸箱，它是铁制的圆柱形或箱形容器，通常贮液容量为6～10m2，直径为2.0～3.0m高度为2.0～3.0m左右。
表25 附图
此外，当贮存的材料不是硅酸，而是对铁制容器有腐蚀性的材料时，可采用图84所示的聚乙烯型贮存容器。
②计量设备
材料的计量是根据重量或体积进行计算的。
一般粉状体是按重量计算，液体是按体积来计量的。
但粉状体也有按容积测量的系统。
计量器的精度要重视，应经常检验，确认其计量精度。
③拌浆机
拌和水泥、砂、膨润土、水等材料的拌浆机，在结构上有搅拌式、喷射式、卡尼夫式等种类。
但目前都以搅拌式为主。
搅拌式拌浆机，由圆筒形的容器和旋转翼片组成。
有单槽型、横双槽型和上下双槽型等，一般使用横双槽型。
搅拌容量为200～600l，旋转数为250～500rpm左右的拌浆机适应于壁后注浆浆液的混合拌和。
用于自动拌和装置上的拌浆机，是采用喷射混合式的超高速旋转进行强制混合。
被较多使用的并列双槽式MS型拌浆机见照片16。
图84 聚乙烯制品贮存容器
照片16 并列双槽式MS型拌浆机
④贮液槽（料斗，搅拌机）
在拌浆机中搅拌的浆液在压送到井内以前，或在运送以前，一旦需要贮存浆液，则使用料斗或贮液槽。
由于浆液的使用时间可能（可以使用时间）延长，常用带有搅拌机的贮液槽，一般槽的容量为1.5～4m3，搅拌机以低速为好，转数为20～30rpm。
搅拌机实例见图85。
图85 搅拌机实例
项目
规格
槽的容量
2．0m3液容量1.5m3
减速机
KL120型1/40
电动机
3.7kW×4P
叶轮转数
22r/min
叶轮数
3叶一段式
重量
1000kg
⑤泥浆泵（压送泵、注浆泵）
泥浆泵有适用于压送浆液和适用于注浆的两类泵，并且根据浆液材料不同，使用泥浆泵的条件也发生变化。
此外，泵的安装地点不同对注浆工作也将带来不同的效果。
泵安装地点不同时的优缺点比较见表26。
泵安装地点不同时的优缺点比较 表26
设置场所
优点
缺点
竖井
·省去注浆材料的搬送工程
·不重复开挖面处的作业
·适用于小直径断面
·注浆泵和材料受到限制
·注浆管理困难
·管路堵塞等故障多
坑内
1.后方台车
·注浆管理方便
·管路的意外故障小，清扫简单
·对注浆材料、泵的适应范围大
·影响其它作业（掘削、管片拼装）
·增加注浆材料的搬运作业
坑内
2.注浆专用列车
·不用台车
·壁后注浆是最短路径线路
·开挖面和注浆系统难以联络
压送泵，使用泥浆泵（PA-15，PA-30）形式的活塞泵和使用单轴偏心莫诺泵（4NH-50、U4R-630）、双缸双向活塞泵（TGN-100）的实例很多，见图86。
泥浆泵适合长距离压送，但有脉动，流量控制难。
莫诺泵虽然无脉动且易控制流量，但是难以进行长距离压送。
此外，将砂用于骨料时，转子和定子的磨损大。
双向作用式活塞泵既能控制流量，也可以长距离压送，但是略有些脉动，不适合稠浆液压送。
图86 双缸双向活塞泵TGN-100
在双液性浆液的壁后注浆中，由于B液的压送量和注入量同A液相比，其注入量（压送量）少，而且B液的粘性又小，所以可使用小型的莫诺泵（4NE-20等）及卧式柱塞泵（POT-40，TGN-10等）。
泵所需要的输出压力，可以根据管路直径、输送量、压送距离等求出。
目前一般通用的壁后注浆设备中的泵和拌浆机等机械设备的型号、性能和规格可参见表27。
常用壁后注浆设备机械性能参数 表27
（1）砂浆泵例（A液泵）
名称
型 式
输出量（l/min）
输出压力（MPa）
功率（kW）
尺 寸
H×W×L（mm）
重量（kg）
POT-40
4筒卧式柱塞泵
10～35
3.5
3.7
880×490×1650
390
4MN-50
单轴莫诺泵
30～110
1.5
7.5
1000×800×370
735
TGN-100
双缸双向活塞泵
15～60
25～100
3.0
5.5
1100×800×2000
450
PA-15
液压柱塞泵
152
3.1
11
814×778×1820
340
HFA-2A
双筒双向液压泵
0～100
0.5～6.0
11
920×2000×550
290
U4R630
单轴莫诺泵
0～100
2.0
11
710×580×4052
（2）化学浆液泵例（B液泵）
名称
型 式
输出量（l/min）
输出压力（MPa）
功率（kW）
尺 寸
H×W×L（mm）
重量（kg）
TPN-10
3筒卧式柱塞泵
3～10
3.5
0.76
550×500×1300
120
TPN-4
同上
1～4
3.5
0.4
450×320×1000
70
U4H-40
单轴莫诺泵
1.5～15
2.0
3.7
680×380×1730
4NE-20
单轴莫诺泵
2～16
1.5
1.5
840×660×1350
220
（3）砂浆搅拌机例
名称
型 式
机容量（l）
搅拌容量（l）
转数（rpm）
尺 寸
H×W×L（mm）
功率
（kW）
重量
（kg）
MS-750
600
并列两槽
750×2
600×2
600×2
480×2
375
1770×1635×2250
1570×1635×2250
11×2
7.5×2
1260
1100
同上
500×2
115
7.5×2
⑥注浆管路和注浆装置
注浆管路
用于壁后注浆材料在从制浆设备向井内输送时，一般A液使用2英寸煤气管；B液使用3/4～1
英寸铁管或塑料管。
管路的直径不同，引起管路阻力不同，并且也影响到泵的输送能力。
因此，在设计阶段要认真考虑。
确定壁后注浆输浆管路阻力方法，通常是根据实际经验，或是按清水压送时阻力，再乘以浆液通过管路时的阻力系数（数倍于清水的阻力）。
管路阻力的估算举例
·计算顺序
在此，按以下顺序进行输液管路阻力估算。
当求出清水压送时的管路阻力后，再乘以管路摩擦阻力系数认为取5作为A液注浆材料或B液注材料的管路阻力。
通常，A、B液壁后注浆材料的管路阻力是清水压送时的3～4倍。
但是，当隧道掘削延长较长时，由于清洗途中清洗球变形，也有不能充分清洗的可能性。
对于B液也要考虑到由于室外气温造成粘性差异，在冬季管路阻力略有上升，但仍认为取管路摩擦阻力系数一律为5倍。
·A液壁后注浆材料和管路阻力ΔP
设定条件：
计划流量 100l/min
管路口径 d50mm
流速V 0.8488m/s
动态粘度ν 1×106m2/s
压送距离L 1000m
壁后浆液密度γ 1251kg/m3
雷诺数Re
Re=V·d/ν=0.8488×0.05÷（1×10-6）=42440
Re＞2300
紊流时的管路摩擦阻力系数值为
λ=0.3164Re-0.25=0.022
因此，将A液壁后注浆材料（TGS）的管路摩阻力系数λ取0.11。
·B液壁后注浆材料的管路阻力ΔP
设定条件
计划流量 10l/min
管路口径d 25mm
流速V 0.3395m/s
动态粘度ν 1×10-6m2/s
压送距离L 1000m
壁后注浆材料密度γ 1300kg/m3
雷诺数Re
Re=V·d/ν=0.3395×0.025÷（1×10-6）=8487.5
Re＞2300
紊流时的管路摩擦阻力系数λ值为
λ=0.3164Re-0.25=0.032
因此，将B液壁后注浆材料（TGS）的管路摩擦阻力系数取0.16。
·输液管路口径和压力损失的确认
A液壁后注浆材料50A1MPa0.49MPa
B液壁后注浆材料25A4.9kgf/cm2
混合装置
用双液浆液注浆时，需要有混合A液和B液的装置。
过去是采用简单的Y型管进行注浆施工，因为采用Y型管很难充分地混合A液、B液以及由于A液、B液的压力变动，易产生A液和B液倒流至注浆软管，造成软管堵塞等问题。
为此，采用改良后的各种混合装置，其实例见照片17、图87。
照片17 管路混合器实例
No.
名称
No.
名称
No.
名称
1
球阀
（11/2·2）
6
管混合器本体
（11/22）
11
压力表（φ60
×1/4×10kgf/cm2）
2
六角管接头
（11/2·2）
7
三通管接头
（11/2×3/4·2×3/4）
12
压力表保护器
（1/2）
3
三通管接头
（11/2×1/2·2×1/2）
8
喷嘴
（1/2×1/4）
13
六角管接头
（1/2）
4
Y字管
（11/2×1/4·2×3/4）
9
O型环
（P.12.5）
14
三通管接头
（1/2×1/2）
5
由任
（11/2·2）
10
球阀
（1/2）
15
六角管接头（3/4）
16
球阀（3/4）
图87 管路混合器实例
注浆管
从管片注浆孔注浆时，需要图88所示的注浆开关。
图88 注浆开关参考图
注浆开关中，最好能安装空气泄漏环阀和压力表。
从混合器至注浆开关的软管长度，根据井内施工条件而变化，但也受到凝胶时间长短所限制。
如果软管太长，则造成软管堵塞；如果太短，则浆液要在盾尾孔隙内凝胶，并且当地下水多时，浆液就容易被地下水稀释。
⑦控制、记录装置（操作盘）
壁后注浆操作盘，要尽可能设置在离注浆口近的地方。
操作盘最单纯的系统是仅有起动和停止A液、B液泵机能的装置。
但是，目前多数使用能控制、指示流量和压力的操作盘。
关于双液自动注浆系统中的控制和记录，在控制系统中论述。
（2）壁后注浆设备的配置和规模
壁后注浆设备的配置和规模，因现场条件而不同。
在小型盾构掘进机中，多数是将材料袋装处理。
这种场合的设备配置实例见图89。
图89 壁后注浆设备配置实例（THW）
在大规模盾构工程中，壁后注浆设备也实行自动化。
（3）自动壁后注浆设备
过去的壁后注浆和掘进无关联，是单独进行，注浆容易被耽误。
由于盾尾建筑孔隙的土体剥落而造成难以进行充分壁后注浆，使地面沉降加剧的情况很多。
但是，现在开发了和掘进连动的“同步自动注浆体系”对于防止地面沉降有非常好的效果。
（4）控制系统
壁后注浆控制系统，由以下各个不同装置组成：
千斤顶速度测定装置；
流量调节装置；
自动注浆率设定装置；
变速马达；
压力调节装置；
记录装置；
警报显示装置；
A液、B液注浆比率设定装置。
①千斤顶速度测定装置
本装置是测定掘进机推进速度的装置，用安装在盾构千斤顶上的千斤顶速度检测器测定千斤顶速度，由速度变换器将速度信号传送给中央监视操作盘内的数字演算器，并且在盘面上显示千斤顶速度。
机器的名称
图89附表
编号
名称
型式
动 力
通 用
备 考
壁后注浆
作泥材
充填
1
搅拌机
TY－650W
2．2kW×2
○
○
带结水罐
2
发泡机
TP－250
1．5kW
○
－
充填搅拌
3
压送泵
4NM－50
7.5kW
○
○
○
无级变速
4
凝结剂压送泵
TNE-250
或者
4NE-20
2.2kW
○
－
泡沫液泵
无级变速
5
凝结剂溶液罐
1.5m2
1.5kW
○
－
－
带搅拌机
6
控制盒
－
－
○
○
○
7
凝结剂原液罐
5～7m3
－
○
－
－
8
粘土砂筒罐
15～20t
2.2kW
△
（粘土）△
△
9
水泥筒罐
15～20t
2.2kW
△
－
△
10
控制盒
－
－
－
○
－
11
调泥贮泥罐
5～8m3
2.2～3.7kW
－
○
－
带搅拌机
备考
·粘土制泥时也可以使用筒罐 ·系统中包括罐类
②注浆率的设定和注浆量的演算
在“中央监视操作盘”上装有为自动注浆专用而特别设计、制作的数字演算装置，进行以下演算：
Q=α×S×v
式中：
Q—最适当的注浆设定量（l/min）
α—注浆率（100～200%）
S—盾尾孔隙面积（m2）
S=π/4（D21-D22）
D1—掘进机外径
D2—管片外径
V—千斤顶速度（mm/min）
这里的盾尾孔隙面积，由掘削断面自然决定，事先在演算器内设定。
注浆率α可以在100～200%间任意设定变动范围。
因此变更这些设定值，就可能转用到其它施工现场。
③注浆流量调节装置
用演算装置演算的注浆量，成为浆液流量调节器的设定信号。
在浆液流量调节器中，输入由电磁流量检测器测定的流量的测定信号。
调节器将来自演算装置的设定信号和流量的测定信号进行比较，并且为了使流量的实际值经常和设定信号保持一致，将信号送给注浆泵的变速马达。
由该信号确实地控制变速马达，也控制注浆泵的转数，从而使注浆流量等于设定流量。
④注浆压力控制装置
注浆量正如上述那样进行自动测量控制，同时注浆压力也受到自动控制。
如果注浆压力是在设定范围内，那么用设定的注浆率流量进行注浆。
当注浆量超过适当的量时，注浆压力就上升。
当该压力超过设定范围时，自动注浆率设定器开始动作，自动降低注浆率，减小注浆量，并将压力降低到设定范围内。
相反当土体产生盾尾孔隙以外的孔隙，压力急剧减小时，则会自动提高注浆率，增加注浆量。
如果压力返回到原设定范围内，那么注浆率就继续其设定值进行注浆。
在上述系统中，注浆量和压力为自动控制。
⑤其它量测设备
·记录装置
用4支笔式的记录仪记录注浆量、注浆压力、千斤顶速度以及泵的转数。
·流量积算器
数字演算和积算器能显示累积注浆量（附零复位按扭）。
·警报显示装置
在中央监视操作以及起动器盘上有注浆压力异常警报（上、下限警报）、泵用马达异常警报、注浆材料用槽水平警报（上、下限位警报）、以及上述槽用搅拌机异常警报，并有显示。
·双液（A、B液）注浆系统
双液注浆时控制系统的基本组成，与上述类同，但A液、B液的注浆比率是由比率设定器设定的。
图90是（株）小坂研究所的自动壁后注浆控制系统图。
图90 自动壁后注浆的控制系统图例
2壁后注浆施工
（1）壁后注浆作业注意事项
①搅拌时的注意事项
·材料投放顺序是否正确；膨润土、水泥是否结块；
·搅拌时，有无分离；
·使用材料是否适当；水泥是否风化、固结；砂里是否混入不纯物；
·浆液搅拌结束后的量为多少。
②运送、注浆时的注意事项
·运送时是否分离；有无搅拌装置；
·运送时间及固结、延迟剂的使用是否适当；
·检查从注浆孔至泵间的管路、接头；
·注浆孔位置的阀和泵的动作情况；
·注浆压力，注浆量；
·从注浆结束时的注浆孔阀的闭塞至移动管路上的顺序如何；
·拆卸注浆孔阀时，是否装塞子；
·有无管片破损、上浮等现象；
·当注浆材料由管片漏出时，要采取临时注浆堵漏措施；
·剩留材料的处理；
·操作人员在作业结束后，要彻底清扫注浆设备和泵。
③注浆设备部的注意事项
·严格遵守材料的混合顺序
在壁后注浆中，也有对使用的材料由于弄错混合顺序而导致得不到预期效果的情况。
例如在使用膨润土水泥的壁后浆液中，若改变表28所示的混合顺序，就不能充分发挥作为膨润土特性的膨润性，其流动值和离析率也将产生显著的差异。
其后果将造成不能进行良好的壁后注浆施工，必须充分注意。
材料混合顺序对水泥膨润土浆液性质的影响 表28
配比（kg/100l）
J流动（S）
离析率（%）
混合顺序
水泥（C）
膨润土（B）
水（W）
30
″
7
″
87.8
″
4.2
3.8
6.4
39.2
W→B→C
W→C→B
50
″
7
″
81.4
″
4.3
3.8
1.5
30.6
W→B→C
W→C→B
50
″
12
″
79.5
″
6.2
3.8
0. 1
18.3
W→B→C
W→C→B
·材料的正确计量
由于粉体材料经过长时间就会湿润起来，干比重（表观比重）产生变化。
为此，在用干比重进行计量时，必须经常测定粉体材料的总体比重和修正计量系统。
此外计量器也要时常调整，进行精度校正。
（2）管路的清扫
A液管直径，主要是用11/2英寸管或2英寸管。
当压送量少，管径为2英寸，管内流速非常缓慢。
这时，若使用高粘性材料，则受到管内阻力后附着性变大，造成管径逐渐缩小。
最近出现使用时间长的砂浆，管路的清洗次数和以前相比明显减少。
但是若把砂浆长时间放置在管内，由于物理现象（沉淀、离析等）一部分材料沉积在管底，即使下次压送新的砂浆，也只在管底部沉淀位上流过，逐渐附着管底。
因此在注浆中要用清洗球通过管内来去除附着物。
此外，为了能压送清洗球，在开挖面部附近设置清洗球回收装置，其装置也有各种类型，见图91。
若来自管路连接部的泄漏一多，也易造成管路闭塞，必须加以注意。
当清洗有较多的砂分砂浆时，如果最初起就用水作清洗，反而会造成管路堵塞，要用粘性小的泥水（砂浆水）压送清洗。
（3）急曲线段壁后注浆
①急曲线段的壁后注浆非常重要，特别是在最近开发了初期强度高、能充填限定范围的急凝固结型注浆材料以来，几乎不再采用原来的LW浆液。
盾构掘进机方向的控制，是将千斤顶推力传递给土体，由地层的反作用力来控制盾构。
图91 清洗球回收装置
与此同时，还需对盾尾间隙及因超挖而产生的盾尾孔隙进行壁后注浆，如果盾构千斤顶推力不能正确地传递给后方，则将引起变形并产生蛇行似的隧道轴线轨迹。
此外不迅速地进行壁后注浆也会造成地层沉降。
壁后注浆材料是具有可塑性并能注入到限定范围内的材料。
为了将盾构千斤顶推力正确地传递给后方，壁后注浆材料的强度，应在管片拼装后至下一环掘进前的时间（约1～1.5h）内必须达到大于推压强度。
②急曲线段壁后注材料所需强度计算实例
盾构转弯段的壁后注浆材料的必要强度概算如下：
条件
急曲线段半径 R=25m；
钢管片外径 6550mm
R0=3.275m+25m=28.275m
钢管片宽度 450mm
盾构千斤顶推力 200tf×20根 总推力4000tf
FJ—千斤顶反作用力（见图92）
图92 在急曲线段管片背面上的压力计算
F1—垂直管片环面的反作用分力
F2—平行于管片环面的侧向反作用分力
F2
升级会员 