大直径泥水盾构施工管片衬砌背后注浆质量控制0218.docx

1、大直径泥水盾构施工管片衬砌背后注浆质量控制0218中国中铁隧道集团有限公司2009年QC小组成果发表会资料大直径泥水盾构施工管片衬砌背后注浆质量控制发表人： 游永锋 中铁隧道集团有限公司广深港客运专线狮子洋隧道SD标项目部 2009年1月4日一、小组简介广深港施工技术QC小组于2006年7月1日成立，小组成员由10人组成，小组活动课题减低连续墙在砂层中扩孔系数控制技术QC成果报告荣获了集团2008年QC发表会一等奖；自盾构始发掘进以来，QC课题小组的基础上调整成立了大直径泥水盾构施工管片衬砌背后注浆质量控制QC小组。在历时一年多的盾构施工过程中，小组立足于指导盾构施工、控制工程成本，通过对盾构

2、施工法的管片衬砌背后注浆技术的研究与总结，解决了现场的施工技术问题，总结和积累了施工经验，掌握了相关技术。小组成员如下表1：表1 广深港施工技术QC小组成员小组人员情况顺序姓 名年龄性别职 称文化程度组内职务1洪开荣44男教高大本2杜闯东32男工程师大专小组长3梁奎生31男助工大专4郑清君33男工程师大本5蔡军锋31男工程师大专6游永锋28男助工大本7唐 坤28男助工大本8任成国28男助工大专9王利中36男高中10吴国兵35男高级工初中二、工程概况1、工程简介新建广深港客运专线狮子洋隧道工程全长10.8km，从广州侧由西向东下穿狮子洋后进行东莞。该工程为目前国内隧道最长、标准最高的水底隧道，同

3、时也是世界上速度目标值最高的水底隧道，是广深港客运专线的控制性工程。SD标位于东莞侧，左线正线长5.25km，右线正线长5.55km。其中包括引道段180m，明挖暗埋段597m，盾构井23m，盾构段左线4450m，右线4750m。附属工程包括轨下混凝土填充、沟槽、联络通道、敞开段雨棚及设备用房等。隧道采用两台直径11.2m泥水盾构进行掘进施工，衬砌为单层装配式钢筋混凝土管片。管片外径10.8m、内径9.8m，环宽2m、厚0.5m，为“5+2+1”形式，管片接缝设定位榫和定位杆槽。工程所处位置地形平坦，分布有较多的水塘和果园，地面标高为-0.81.5m，右线1560m（左线1360m）隧道下穿狮

4、子洋，狮子洋水道水深流急，航运繁忙，主航道宽约700m、最大水深26.6m。2、工程地质条件隧道通过地质条件复杂，主要为第四系全新统土层和白垩系基岩，为广东地区典型的复合地层，包括全断面软弱地层、全断面硬岩层、同断面局部软弱、局部硬岩层等，根据地层分布可以分为四类断面。（1）全断面软土（淤泥、砂层）地层（2）上部为砂层、下部为（泥质粉）砂岩全风化层或微风化层（3）上部为（泥质粉）砂岩全风化层、下部为微风化层。（4）全断面（泥质粉）砂岩地层同时第四系砂层海陆交互相沉积形成的，其特点是在河床及河漫滩内十分发育，其形态多呈透镜状，有些地段厚度大。泥质粉砂岩（砂岩）地层岩性复杂，此层粉粒和粘粒成份低，

5、渗透系数大，施工过程中易坍塌。泥质粉砂岩（砂岩）地层是白垩系全风化2和微风化3地层。岩石单轴抗压强度一般小于45MPa，粉粒和粘粒等粘土矿物成分较多，同时石英含量较高。三、选题理由本小组的活动课题为：管片衬砌背后注浆质量控制，选题理由主要有以下几点四、现状调查通过对左线管片姿态测量，发现766779环管片安装后脱出盾尾的管片发生了的上浮，上浮量最大值达到100mm以上，此段地层属富含水硬岩段隧道，伴随着上浮，管片接缝出现漏水，螺栓孔漏水，下表2中显示不同时间段管片上浮量值，图1，图2为管片接缝漏水及螺栓孔漏水情况。表2 管片上浮情况表环号 766767768769770771772773774

6、775776777778779高程偏差时间2008-12-13-46-47-44-41-42-47-40-43-62-53-622008-12-14-8:30-41-30-31-35-32-28-21-29-26-31-38-36-532008-12-14-20:002008-12-15-12:00233337533641332702008-12-16-14:014039433554565633196-62008-12-17-10:003343465348576353433735152008-12-18-10:303527363746464952585457391482008-12-19-09

7、:30293332402008-12-20-9:301824303544396750502008-12-21-9:303434413741454242463425252008-12-22-9:304040333213222008-12-23-15:001526图1、螺栓孔漏水图 图2、接缝漏水图五、设定目标1、目标设定：2、目标可行性分析（1）公司及项目部领导高度重视，在各方面都给予了大力支持。（2）小组成员有较强的攻关能力，成员们长期合作，配合默契。对新事物、新工艺易接受，掌握快。（3）本工程虽然有很大的施工难度，但是通过优化施工方案、科学管理、严格按要求施工，能够解决施工难题，从而实现暨定

8、目标。（4）有成熟的施工队伍，有一批技术经验丰富、工作严谨、责任心强的土木、机械技术人员负责区间隧道的施工。（5）在广州地铁区间施工中，通过背衬注浆浆液调整我们解决并总结了盾构在红层掘进过程中管片上浮的问题；总之，在上级领导重视，各相关单位全力配合，小组成员的齐心协力下一定能够达到预期目标。六、原因分析QC小组根据盾构在富含水泥质粉砂岩硬岩段施工情况，同时根据以往的施工经验，为解决管片上浮及其它问题，对左线管片上浮及产生的一些质量缺陷的原因进行了分析，归结为只要提高背衬注浆的质量，这些问题就可以迎刃而解，分析影响背衬注浆质量的因素主要有以下几点：图3、因果分析图其中有的是主要原因七、要因确认结

9、合现场记录和各项原因分析，QC小组针对影响背衬注浆各项因素展开了要因确认，具体分析情况汇总见表3表3 要因确认表序号影响因素原 因 分 析结论1人员缺乏施工经验大部分工人以前未接触过盾构施工非要因2材料及浆液性质不合理惰性浆液凝结时间长，管片所受浮力大，而且地层富水，砂浆注入后稀释，影响填充质量要因3骨料中含有大粒径物质过程中曾发生堵管现象，从盾尾洗出大颗粒石子非要因4注浆管路长，盾尾管路小砂浆堵管现象也存在非要因5注浆管路分布距离远注浆效果会受一定影响非要因6缺乏操作细则询问操作工人，对注浆理解不深非要因7浆液输送方案不合理从输送车砂浆罐输送至盾构机砂浆罐时间达40min非要因8施工进度慢浆

10、液储存时间长地层含泥量大，需冲洗占用了较多时间非要因9泥水盾构泥浆对砂浆冲洗，影响砂浆质量设定泥水压力如过低，砂浆会顺盾构会流入刀盘要因八、制定对策根据要因确认表所确认的要因，小组成员进行综合论证，按5W1H原则制定了以下对策、措施。表4对策表序号要因对策目标措施实施人地点完成日期1材料及浆液性质不合理根据现场需要重新试验缩短砂浆凝结时间调整配合比蔡军锋试验室2008-11-72泥水盾构泥浆对砂浆冲洗，影响砂浆质量备用注浆管注入水玻璃促使砂浆凝结采用双液注浆原理使砂浆早凝游永锋施工现场2008-12-30九、对策实施1、调整配合比，尽量缩短砂浆凝结时间.原来的配合比具体指标如下表普通壁后注浆配

11、合比指标。表5 普通壁后注浆配合比配比编号水泥河砂水膨润土粉煤灰11973714631935252191398468196507318943744218250141824744301774875175505435169466表6 普通壁后注浆配合比指标配比编号拌和物性能力学性能固结收缩率%稠度比重凝结时间t倾析率%液体结石率%1d强度MPa28d强度MPa11.08.61.775：401.698.40.934.620.98.61.776：451.498.60.833.730.99.41.796：341.698.40.794.2419.31.796：452.098.00.794.051.310.

12、01.807：054.096.00.773.6结合试验情况，同时从成本来考虑，决定选用配比编号5的砂浆配合比作为本工程的壁后注浆配合比，施工现场工程地质情况发生变化时，随时优化配比，以满足工程需要。由于施工现场施工情况发生了变化，决定对砂浆配合比进行调整，具体配比如下表配比编号水泥河砂水膨润土粉煤灰减水剂1160900400702702.65具体性能指标如下：配比编号拌和物性能力学性能固结收缩率%稠度比重凝结时间t倾析率%液体结石率%1d强度MPa28d强度MPa10.910.91.753：402.397.70.865.2根据施工现场的情况调整后的砂浆能够满足施工现场的要求。特殊情况下的应急配

13、合比由于施工现场不可预见因素太多，有时可能发生涌水、管片上浮量过大，地表沉降过大以及地下水极其丰富等紧急情况，需要特殊的施工配合比，具体有速凝型水泥浆液和抗冲刷的水泥浆液。 (1)、速凝型水泥浆液1)、加速凝剂型水泥浆液加速凝剂型水泥浆液就是在水泥砂浆中加入速凝剂，使浆液的凝结时间大为缩短，特殊情况下，凝结时间可以缩短到几秒中，对于纯水泥浆液或粘土水泥浆液而言，加入的速凝剂是氯化钙或硅酸钠；对于膨润土水泥浆液而言，最常用的速凝剂是硅酸钠，下面具体说明在配比5浆液中加入速凝剂的反应情况，如表7速凝型水泥浆液配比。速凝剂掺量分别为水泥用量的5%、8%、10%，具体的试验情况如下表8。表7 速凝型水

14、泥浆液配比配比编号水泥河砂水膨润土粉煤灰5175505435169466表8 速凝型水泥浆液配比中速凝剂掺量砂浆配比编号5试验情况描述备注掺入5%的速凝剂加入速凝剂以后，砂浆的稠度很快变小，比重变化不大，41分钟观察砂浆已经不流动了，但是强度还是没有，4h26min以后强度才完全上来。掺入8%的速凝剂加入速凝剂以后，砂浆的稠度很快变小，比重变化不大，28分钟观察砂浆已经不流动了，但是强度还是没有，3h43min以后强度才完全上来。掺入10%的速凝剂加入速凝剂以后，砂浆的稠度很快变小，比重变化不大，19分钟观察砂浆已经不流动了，但是强度还是没有，3h16min以后强度才完全上来。2)、加速水玻璃

15、型水泥浆液加速水玻璃型水泥浆液就是在水泥浆液中加入水玻璃，同样可以使浆液的凝结时间缩短，具体方法如下：把水玻璃分别调整为混合液，就是把水玻璃和水进行混合，分别是： A、水玻璃：水=1：1（比重1.2，波美度：24）；B、水玻璃：水=1：2（比重：1.17，波美度：17）；C、纯水玻璃（比重：1.14，波美度：40）；具体掺量分别为总浆液量的10%、15%、20%、25%，具体的反应情况如下表9。表9 加速水玻璃型水泥浆液中水玻璃掺量配比比例试验情况描述备注A：配比编号510%混合后，砂浆1min30s开始不流动，3min50s表面凝固，10min40s完全凝固，强度不太高。根据室内试验可以看出

16、，掺量越高，砂浆完全凝固后，其强度越高。但是掺量过高，在不能完全混合的情况下，表面有部分水玻璃混合液。15%混合后，砂浆1min45s开始不流动，4min1s表面凝固，11min02s完全凝固，强度较高。20%混合后，砂浆2min3s开始不流动，4min39s表面凝固，10min40s完全凝固，强度较高。25%混合后，砂浆3min8s开始不流动，5min30s表面凝固，11min5s完全凝固，强度较高。B：配比编号510%混合后，砂浆1min30s开始不流动，7min表面凝固，18min5s完全凝固，强度不太高，表面有少量水玻璃混合液。根据室内试验可以看出，掺量越高，砂浆完全凝固后，其强度越高

17、。但是掺量过高，在不能完全混合的情况下，表面有部分水玻璃混合液。15%混合后，砂浆3min9s开始不流动，6min22s表面凝固，17min38s完全凝固，强度较高，表面有少量水玻璃混合液。20%混合后，砂浆3min8s开始不流动，5min36s表面凝固，16min36s完全凝固，强度较高，表面有少量水玻璃混合液。25%混合后，砂浆3min13s开始不流动，6min4s表面凝固，17min24s完全凝固，强度较高，表面有少量水玻璃混合液。C：配比编号510%加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流动，1min05s已经不流动，2min表面凝固，6min2s完全凝固,但表面有少量泌水

18、,分析成份为水玻璃。根据室内试验可以看出，掺量越高，砂浆完全凝固后，其强度越高。但是掺量过高，在不能完全混合的情况下，表面有部分水玻璃混合液。15%加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流动，1min16s已经不流动，3min20s表面凝固，5min48s完全凝固,强度不是太高，表面有少量泌水,分析成份为水玻璃。20%加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流动，2min28s已经不流动，4min19s表面凝固，6min3s完全凝固,强度较高，表面有少量泌水,分析成份为水玻璃。25%加入纯水玻璃，混合过程中已经开始部分砂浆已经开始不流动，2min50s已经不流动，4min

19、20s表面凝固，5min46s完全凝固,强度较高，表面有少量泌水,分析成份为水玻璃。对比A、B、C、试验可知，在水玻璃混合液比重越大的情况下，掺量越大，其强度越高，但是掺量过高存在表面有部分水玻璃混合液不能完全和砂浆凝固的情况。通过以上试验,当采用速凝型砂浆时有以上两种方法，A：配比编号5与C：配比编号5可以满足要求。建议采用在砂浆加入水玻璃:水=1：1的20%混合液，即能满足需要，又节约成本。水玻璃:水=1：1情况下浆液凝结情况如上图。 (2)、抗冲刷的水泥浆液在地下水特别丰富的情况下，就要求壁后注浆浆液到位后不流动，即具有抗流水冲刷的能力，以便达到填充加固的目的，实现上述目的，可以采用如下

20、两种措施：1、用凝结时间非常短的速凝型水泥浆液；2）、在浆液中加入絮凝剂；下面主要介绍一下在浆液中加入絮凝剂的试验情况描述：掺量分别是水泥用量的3%、4%、5%，具体试验情况见下表10描述。表10 抗冲刷的水泥浆液中加入絮凝剂的用量砂浆配比编号5试验情况描述备注掺入3%的絮凝剂 加入3%的絮凝剂以后，7分钟左右砂浆开始反应并且变稠，并且出现絮状物质，但是放置30min60min以后，砂浆开始发散，絮状物质并没有消失，4个小时观察砂浆仍然没有什么强度。掺入4%的絮凝剂加入4%的絮凝剂以后，5分钟左右砂浆开始反应并且变稠，并且出现絮状物质，但是放置30min60min以后，砂浆开始发散，絮状物质并

21、没有消失，4个小时观察砂浆仍然没有什么强度。掺入5%的絮凝剂加入5%的絮凝剂以后，3分钟左右砂浆很快反应并且变稠，并且出现絮状物质，但是放置30min60min以后，砂浆开始发散，絮状物质并没有消失，4个小时观察砂浆仍然没有什么强度。简单的说，就是在中掺有膨润土的砂浆中，加入絮凝剂，前期效果比较明显，但是反应时间大快，不能满足工程施工的需要，并且后期强度上长太慢，也就是说前期虽然砂浆不分散了，但是没有什么强度，同样不能满足施工需要。2、启用双液注浆原理同步注浆。图4、盾尾漏浆图未注水玻璃情况下，2号注浆管漏泥浆情况，说明砂浆质量注入较差，被前方泥浆及地下水稀释的影响下，达不到填充效果。为了减少

22、同步砂浆被地下水冲散流失，确保管片背后砂浆充填质量，特对同步注浆加强管理。具体做法如下：正常掘进时，盾构机从掘进开始至行程为400mm时，开始启用150型泵注入水玻璃混合液，注浆控制以“注浆量为主，压力为辅”。用一档启用泵，注入半桶混合液，紧接按先后次序分别开关2、5、1、6号球阀让混合液进入盾尾后面，可根据现场实际操作经验控制好时间间隔，确保每根注浆管注入量均匀；当行程为600mm时，再次启用泵，按第一次开关顺序均匀注混合液，当程为800、1000、1200、1400、1600、1800、2000mm时，分别用泵注入混合液，开关顺序不变。当注浆完成时，分别在管道里注清水，防止盾尾砂浆进入管道

23、出现堵塞现象。当掘进完成接到停机指令后，必须保压至少1个小时方可进行降压程序。若是开仓换刀，必须在降压开始的同时注入砂浆和水玻璃混合液，注入砂浆量在20方以上，相应注入4桶水玻璃混合液。现场施工每掘进1环注4桶水玻璃混合液，配合比按水玻璃：水=1：1，即现场用1桶水玻璃，与1桶水进行配置，也就是说，1桶水玻璃混合液成2桶水玻璃混合液。利用盾尾顶部的1、6号和中部2、5号共4根备用注浆管将水玻璃混合液注入，要用150型注浆泵,注入压力不能过高，稍微比注砂浆大12bar即可, 尽量使用两种浆液充分混合。根据现有的管路及设备，另需购2套带用球阀五通阀、4根接着2、5号备用注浆管带接头的管路（压力要保

24、证在12Mpa以上）、2台150型泵（1台用作备用）。图5、盾尾注浆管布置图图6、注水玻璃设备图 图7、注水玻璃五通图十、效果检查通过对控制同步注浆质量等各种施工措施的实施，以及QC小组活动的开展以及全体施工人员的共同参与、成员之间的交流和讨论，我们基本掌掘了在富含水硬岩段盾构掘进的各项施工控制参数、施工方法及措施，并有效控制和解决了管片上浮的技术难题，确保了盾构的顺利掘进，保证了盾构在富水硬岩段的施工质量，得到了监理、业主的好评。 图8、成型后的隧道1、技术效益通过对盾构法施工注浆技术的研究和对现场施工过程的控制，满足了盾构隧道的防水、为管片提供早期稳定、控制地表沉降等施工要求，解决了管片上

25、浮、施工防水、注浆压力与盾构隧道衬砌管片错台、破损以及地表沉降的关系等施工技术问题。顺利完成施工，并基本掌握了该项技术。通过对策实施，管片上浮得到了有效的控制，基本都在20mm内。表11、对策实施后管片上浮情况环号 889890891892893894895896897898899高程偏差时间1.22.15:03-65-57-64-70-71-70-67-72-74-74-731.23.15:04-65-60-68-75-80-80-84-83-89-89-861.24.15:05-37-43-36-42-46-48-48-50-46-48-511.25.15:01-54-58-58-62-5

26、91.26.15:00-45-56-46-52-54-49-51-53-57-54-51在后续的几次开仓作业中，盾尾来水很小，保证了刀具更换作业。盾尾来水 图9、 盾尾很少量来水 图10、盾尾无来水2、经济效益立足于控制工程成本的角度，通过现场试验与研究，确定了满足现场施工要求、合理的、有利于降低工程成本的施工配合比和注浆量，有效的控制了工程成本。3、社会效益提高了隧道的外观质量，为所施工的工程申报优质工程奠定了基础。4、作业标准化形成了完善的、合理的泥水盾构施工管片衬砌背后注浆作业指导书，对今后的盾构施工具有十分重要的指导意义。十一、总结和下一步打算1、总结1.1管片衬砌背后的注浆作为盾构法施工隧道的第一道防水屏障，对于建成隧道的长久防水具有重要的意义。若能在浆液中加入防水材料，增强浆液凝结后的防水能力，将为隧道的防水提供可靠的保证。并且，从整个工程考虑也可减少后期的防水资金投入，有利于控制工程成本；1.2管片衬砌背后注浆在整个工程中，其材料用量是极大的，从控制工程成本的角度出发通过调整浆液组成材料，减少材料费用的投入。表12.自我评价表序号评价内容活动前（分）活动后（分）1团队精神342质量意识453进取精神344QC工具运用技巧3