盾构施工注浆工法的应用.ppt

11 37 盾构施工注浆工法的应用 广州轨道交通建设监理有限公司广州地铁设计院盾构技术研究所 王晖 wh3 超过100G的市政课件下载地址 携手十一通过市政qq群 136816564 11 37 前言 盾尾注浆的概念 由于盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径 管片拼装完毕并脱出盾尾后 与土体间形成一个环形间隙 简称超挖间隙 超挖间隙如果不及时得到填充 势必造成地层变形 使相邻地表建 构筑物沉降或隧道本身偏移 填充超挖间隙 防止因超挖间隙的存在导致地层发生较大变形 是盾尾注浆的最重要目的之一 因此 盾尾注浆是盾构工法中必不可少的关键性辅助工法 合理的施工工艺选择是盾构掘进施工安全顺利的保证 11 37 一 盾构注浆的目的二 盾构注浆的分类三 浆液的选择四 注浆设备五 注浆管理 六 注浆施工中常见问题及对策 11 37 一 盾构注浆的目的 减小地层损失所发生的变形 盾尾脱离管片后 土体与管片存在着间隙 此时浆液迅速及时填充空隙 可立即弥补土层损失 从而减少地表的变形 盾构机 超挖间隙 11 37 提高隧道抗渗性能 盾尾注浆液凝固后 一般有一定抗渗性能 可作为隧道的第一道止水防线 从而提高隧道抗渗性能 确保管片衬砌的早期稳定 具备一定早期强度的浆液及时填充盾尾间隙 可以确保管片衬砌的早期和后期稳定 盾构隧道是一种管片衬砌与围岩共同作用的结构稳定的构造物 管片背面空隙均匀 密实地注入 充填是确保土压力均匀作用的前提条件 11 37 4 通过超前注浆预防地层变形 对于前方地质软弱或异常 如溶洞 土洞等情况 采用超前注浆等方式预先加固起到预防地层变形效果 也为开仓检查创造条件 5 通过二次注浆起到以下作用 1 纠偏 进一步加固或抗渗漏效果 2 堵截盾构机后方的水源 减少喷涌发生的机会 3 保证盾构机进出站安全 11 37 二 盾尾注浆系统分类 1 根据盾尾注浆与盾构掘进的关系 从时效性上可将盾尾注浆分为三大类 1 同步注浆 超挖间隙形成的同时 立即注浆 使浆液即时填充超挖间隙的方式 2 及时注浆 掘进了一环或数环后 盾尾已存在大量间隙空间 才对超挖间隙进行注浆的方式 这种注浆方式由于不能迅速对超挖间隙进行填充 增大了对土的扰动性 不利于地面沉降控制 而且由于早期管片脱出盾尾后处于悬空状态 受力状态较差 容易发生错台 因此 仅在地质情况良好 对地表沉降要求较低时才能使用 3 二次注浆 一次注浆效果不理想时 需要通过二次注浆对前期注浆进行补充 一般在隧道发生偏移 地表沉降异常及一些特殊地段使用 11 37 2 根据盾尾注浆的位置不同 可将盾尾注浆方式分为两类 1 通过安装在盾构机盾尾上的注浆管注浆 这种注浆方式大多采用同步注浆 注浆管的埋设形式 从数量上有两种 11 37 日本盾构机在软土 地层的注浆管布置 凸出式 海瑞克盾构机的注 浆管布置 内嵌式 从注浆管与盾壳的关系上 分为两种 后体 冲洗水 可实施双液注浆的同步注浆系统同步注浆装置清扫孔注浆材料 活塞冲洗管开关千斤顶11 37 同步注浆系统动作说明图11 37 冲洗时 后体开注浆材料关注浆时 冲洗水 11 37 B液箱 阀单位 B 同步注浆系统同步注浆装置水箱A液箱 11 37 只能实施单液注浆的同步注浆系统 检查 疏通孔 11 37 盾构千斤顶 盾构外板 1管片 2旋塞切换 3 A液B液 盾构千斤顶 盾构外板 1管片 23 A液B液旋塞切换 盾构千斤顶 A液B液 2 通过管片上的注浆孔注浆 这种注浆方式既可进行同步注浆 也可进行及时注浆和二次注浆 盾构外板 1管片 2旋塞切换 3 盾构千斤顶 盾构外板 1管片 23 A液B液旋塞切换 管片组装 掘进开始 诸如开始 掘进40cm 注入旋切换 掘进结束 注入结束 两种主要注浆方式的比较 11 37 3 根据浆液的输送形式 盾尾注浆分为 1 直接压送式 由坑外拌浆设备直接把浆液压送到管片等注入口处的注入方式 盾构直径小 推进距离短时使用 2 中继设备式 由坑外办浆设备把浆液压送到放置在后方台车上的中继设备上 由装在台车上的注浆泵注入的方式 推进距离长 盾构直径较大的场合使用 3 坑内运输式 坑外拌浆设备压入到放置在台车上罐中 经坑内运输 用坑内注浆泵注入的方式 不用担心输浆管堵塞和水清洗 适于定量注入 4 坑内拌浆 各种浆液材料搬到装在坑内后方台车上的坑内拌浆设备上 然后混拌注入 11 37 三 浆液的选择 1 浆液的主材 浆液指由主剂 主要原材料 溶剂 水或其他溶剂 及各种外加剂按一定比例配制而成的混合液体 浆材分为化学浆材 水玻璃类及高分子类 非化学浆材 水泥 粘土 砂 粉煤灰等 几种主材的物理特性及技术要求 1 水泥 矿渣水泥较普通水泥中熟料含量比普通水泥多 早期强度低 后期强度高 但难以磨细 亲水性差 泌水大 2 膨润土 分为天然膨润土 改性膨润土和活性膨润土 天然膨润土又分钙基膨润土和纳基膨润土 优选纳基膨润土 根据法国隧道工程协会推荐 膨润土水泥浆液配比是每m3加 入20 80kg 水泥100 700kg 应先将膨润土与水混合 预膨胀后再与水泥搅拌混合 3 水 不含过量的酸 碱 盐 0 1 氯化物 0 5 以及其他过量悬浮杂质的水都能用来作为拌浆用水 11 37 4 砂 考虑耐久性 流动性 收缩和碱性反应等因素 要求级配均匀 最大颗粒不超过2mm 当送浆距离远时 最大粒径0 5mm 5 水玻璃 又名硅酸钠 Na2SiO3 是常见的水溶性硅 酸盐 水玻璃溶于水时发生水解反应 使溶液呈碱性 Na2O SiO2 H2O NaHSiO2 m 2 SiO2aq 通常市售水玻璃浓度50 56 Be 而注浆需要的浓度多为30 45 Be 因此需要稀释后使用 6 高分子材料 聚氨酯类 水溶性和油溶性两类 聚氨酯类浆液遇水后发生水解反应 凝胶体体积迅速膨胀 同时发生连锁反应 产生交联形成泡沫凝固体 可注性好 11 37 2 注浆液应具备的特性 1 充填性好 不易流失到盾尾空隙以外的其他区域 2 浆液和易性好 不易离析 能长距离输送 3 浆液注入时不宜被地下水离析 4 浆液填充后 早期强度均匀 能够稳定隧道 5 浆液硬化后收缩率和渗透系数小 6 无公害 价格便宜 最重要的要求是 充填性 流动性 和易性 凝固强度 早期强度 11 37 3 浆液种类 1 单液浆 由粉煤灰 砂 胶凝材料 水 外加剂等在搅拌机等搅拌器中一次拌合而成 根据凝胶材料的加入情况 单液浆又可分为惰性浆液和硬性浆液 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 而硬性浆液即在浆液中掺加了水泥等凝胶物质 具备一定早期强度和后期强度的浆液 2 双液浆 由水泥砂浆等搅拌成的A液与由水玻璃等组成的B液混合而成的浆液 根据凝结时间和固结形态 可以分为以下几类 缓凝型 凝胶时间大于30s 可塑态固结区时间很短瞬凝型 凝胶时间小于20s 可塑态固结区时间较短可塑型 凝胶时间6 20s 可塑态固结区时间较长当A液中加入粉煤灰或矿渣时 可以适当延长胶凝时间 11 37 凝胶时间 固结强度 气温与浆材参数的关系 水灰比 B液浓度一定时 A B液体积比一定时 水灰比越大 浆液的凝胶时间越长 11 37 水玻璃浓度 其他因素不变时 水玻璃浓度增加 凝胶时间开始略有下降 最后略有回升 11 37 A B液体积比 其他因素不变 水泥浆与水玻璃体积比在1 0 3 1 1范围内 体积比越大 凝胶时间越短 通常A液流动粘度控制在25 35s B液20s左右 27 30 Be 体积比8 1 14 1 11 37 水泥用量与单轴抗压强度的关系 因此 调整浆液凝胶时间的最优选择 是调整水灰比 其次调整体积比 几组注浆配比例子单液 水泥 砂 粉煤灰 膨润土 水 50 220 510 20 200 3 0 680 400 100 430 100 240 400 30 230 250 1330 150 100 300 2 250 1330 0 30 420 14 1双液 A液 水757 水泥382 膨55 稳定剂1 47B液 硅酸91L7sA液 水703 水泥400 膨133 稳定剂2B液89 313sA液 水816 水泥367 缓凝剂2 9 B液 118 11 13s A液 水819 水泥260 膨润土30 缓凝剂0 9 B液 水玻璃80 11 37 6 11s30 40min 4MPa 11 37 A B液价格比较 四 注浆设备 盾尾注浆设备基本上由材料贮藏设备 计量设备 拌浆机 贮液罐 注浆泵 注入管 注入控制装置 记录装置等构成 材料贮藏设备 纵型筒仓和横型筒仓两种 计量设备 多采用计量重量和容积这两个参数 拌浆机 多以搅拌式为主 有单槽 横双槽 上下双 槽型等 贮液罐 多用带搅拌器的罐 容量多按1 2环标准注入 量计 注浆泵 有适于压送浆液和适于注浆两种 浆材改变 泵的使用条件也改变 泵要求的喷射压力与输浆管直11 37 径 11 37 注入输浆管 输浆管直径不同 浆液类型不同 管的阻力也不同 双液浆的混合装置 多采用简单的Y型管混合注入 但这种混合方式的效果不好 容易出现A B液倒流现象 注浆控制系统 由千斤顶速度测定装置 注入量调节装置 自动注入率的设定装置 变速电动机 压力调节装置 记录装置 报警显示装置 A B液注入比例设定装置等构成 11 37 管路混合器实例 11 37 双液注入方式的背后注入系统图实例 11 37 五 注浆管理 1 注入量Q V V 空隙量 V 4 D22 D12 L V 注入率 它的选择对于注入量至关重要 与 1 2 3 4等因素密切相关 1 注入压力决定的压密系数 压密现象与浆液组成 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密切相关 2 土层情况 3 施工损耗系数 浆液运输 泵送注浆的过程中 在运浆 车 输送管路或贮浆罐中均会发生损耗 输送距离越长 损耗越严重 另外 向掌子面和盾尾的流失等 4 超挖系数 因刀具选用 土层特性 有无曲线段及其他施工条件不同而有很大差异转弯半径越小 超挖量越大 土体损失最大百分比为 式中 l为盾构长度 R为曲率半径 r为隧道半径 2 注浆压力为使盾尾间隙能够得到有效补充 必须以一定的压力压送浆液 才能使浆液均匀地分布于管片周围 正常掘进时 压力设定等于土层阻力加上0 05 0 15MPa之和 注浆压力的设定 还要注意以下参数 1 不大于盾尾密封压力的警戒值 2 不大于管片能承受的最大压力 3 根据管片脱出盾尾后的变形监测成果判断 一般情况下 管片脱出盾尾后会发生上浮或下沉 通过调节上下注浆管压力可以起到一定效果 4 地表建筑物沉降情况 11 37 8l R a Vw 11 37 3 注浆位置 11 37 4 注浆管理 1 注浆管理日报 每日均应对环序号 注入位置 注入压力 注入量等参数记录 并与监测数据对比 2 材料管理 每天检查注入材料的使用量 避免材料不合理分布 另外检查配合比是否异常 3 注浆机械检修 每天注浆结束都应检查泵 拌浆机 其他机械 器具是否存 在异常 以便及时维修调换 4 输浆管检查 不仅仅是水冲洗 还应投放疏通球疏通 另外对于接头渗漏 做好检查 5 安全文明施工 11 37 5 施工控制注意事项1 单液浆 1 根据系统的自动控制程序 同时注意采用压力与注浆 量的双重控制 2 浆液拌制 若有膨润土 应提前一天制成溶液 再与 其他原材料混合 3 注意浆材混合顺序的正确性 11 37 4 根据施工掘进情况 严格控制拌浆时间 浆液拌好后 注入砂浆运输罐 运输 储存时间不宜过长 小于初凝时间 若需运输 储存时间长时 考虑加缓凝剂 5 砂浆未到前 清洗注浆管路 安装传感器 6 向贮浆罐中输入砂浆时 应同时启动砂浆搅拌 器 防止砂浆固结 7 同时对4个注浆孔进行压注 在每个孔出口设置分压器 对各孔注浆压力和注浆量进行检测与控制 8 作业完毕 搅拌机 运输罐 泵 注浆管路一 定要及时清理干净 9 应配备专用注浆管路清洗机 水洗和活塞型 10 应配备备用管路 避免堵塞后无法注浆 11 37 2 双液浆 1 混合形式 距离 2 注浆系统清洗 a搅拌站和计量器 每天 b贮浆罐 防止附着在槽内壁的浆块落入槽中堵塞c运输管道 备用管道 d控制阀和注浆孔阀之间的软管 每注完一环清洗一次e 3 A B液压力差 注意A B液压力表显示 正常情况B液较A液压力高 如果相反 有可能B管中残留空气或渗漏 要停止注浆全面检查 4 清洗时管中浆液的利用 运输距离越长 A液管中残留浆液越多 清洗时会造成很大浪费 尽量利用管中浆液 11 37 六 注浆施工中常见问题及对策 1 注浆造成地表沉隆超限1 造成地表沉降过大的原因 1 软土地层中没有进行同步注浆 采用管片注浆孔同步注浆的施工过程 如果没有严格的过程控制 或者注浆液初凝时间设定不合理 往往做不到真正意义的同步注浆 2 掘进过程仅以注浆量为控制指标 限定每环的注浆量范围 导致注浆量偏少 不能有效地对盾尾间隙进行填充 这种情况大多发生在以下情况 某些特殊地段或较小的转弯半径上 土层损失加大 是由于地质条件或其他特殊原因 掘进过程某环出土量剧增 而没有相应增大注浆量 地层特性变化 却没有相应调整注浆量 如从粘土变为砂土 从粘土变为裂隙水丰富的风化岩层等情况 盾构机在粘性较高的粘土层掘进时 盾壳外壁会附着一层较厚的固结土体 与盾构机同步前进 无形中增大了盾尾间隙 11 37 3 浆液强度过低 或浆液和易性差 易离析而渗透到地层中 发生浆液损失 浆液拌和时的投料顺序也可能对浆液强度造成较大影响 4 某些浆液凝结后 自身收缩量较大 或者双液浆过早初凝 未能有效填充盾尾间隙 5 浆液流动性太好 隧道管片最重要的顶部出现无浆液填充 或者双液浆混合不充分 在土中逐渐流失 6 没有与监测紧密结合 以监测成果指导施工 从盾构机掘进过程的地表沉降规律来看 一般盾构机前方地表沉降量在5mm内时 盾尾穿越这个位置时沉降不会超出规范允许的30mm 因此 当监测结果显示前方沉降量超过5mm 又没有及时采取有效注浆措施 沉降超出规范允许范围的可能性相当大 的渗漏 11 37 2 造成地表隆起的原因 1 注浆压力过大 注浆量偏高 主要在土质软弱的地层出现 2 隧道顶部有渗水通道连至地表 如原地质勘探孔 如果没有封堵或封堵效果不佳 浆液会沿着该孔喷出或渗出 不仅严重污染地面环境 还可能造成地表隆起 2 注浆液从盾尾流入或从进入土仓 1 注浆压力大时 浆液会沿着盾壳流入土仓中 进而从螺旋输送机输出 而注浆压力一旦大于盾尾密封的承压能力 将击穿盾尾密封 如果没有及时对盾尾密封注入油脂 浆液在盾尾刷中凝固后 会使盾尾密封失效 严重影响施工安全 2 管片构造不合理 也会造成注浆液 11 37 3 管片上浮 错台 管片脱出盾尾后上浮的原因有 1 地质情况 从南京地铁盾构施工情况看 淤泥质粉质粘土层的上浮量大于砂层 而从广州地铁盾构施工情况看 中 微风化岩层管片上浮量较大 2 长细比很大的柔性构件的偏心受压 3 浆液选型不当 浆液早期强度偏低 不能及时与围岩土体形成共同作用 4 浆液初凝时间控制不当 没有及时填充盾尾间隙或填充效果不佳 5 注浆位置选择不当 采用管片注浆孔注浆时 以中下部注浆孔为注浆孔位 6 盾构姿态较差 千斤顶编组压力差过大 隧道轴线高程 mm B点128mm A 70 80 90 100 110 120 130 140A区间盾构隧道NO 160 NO 290衬砌发生了上浮 最大上浮值为128mm 其中NO 260 NO 280环间上浮均值为97mm 该区间隧道主要穿越高富水砂层 掘进的盾构和隧道如同水中的潜艇 特别是自重轻的隧道极易上浮 同步注浆采用了惰性浆液 24h强度很低 饱和浆液反而加大了对管片的浮力 施工单位试图加大上部注浆压力压下隧道 效果不明显 因为注浆压力为注浆管口的压力 如果浆液不凝固 一定距离后浆液压力趋向于相同 此时无异于将隧道泡在惰性浆液中 在盾构机掘进振动和隧道内电瓶车运动振动下 惰性浆液材料很可能被有上浮趋势的管片挤到隧道底部 11 37 1301201101009080706050403020100 10 20160 30 40 50 60 柱状图C隧道上浮值曲线B贯通前复测值290脱出盾尾值 11 37 4 管片后期沉降二次注浆纠偏处理 5 注浆系统管路堵塞 管路堵塞是注浆过程最常见 最易发生的问题 注浆系统管路包括注浆管路堵塞 输浆管路堵塞等 主要是由于浆液初凝时间偏短 强度高 工序衔接不合理等原因造成 采用长距离管路输送的 尤其容易发生管路堵塞现象 浆液在管路中的损失量较大 解决方法 调整合理浆液配比 添加缓凝剂 配置高压冲洗装置 通过盾尾内的可拆卸口进行机械疏通 盾构机停机前用膨润土等将注浆管充满 以防浆液回流而堵塞注浆管 6 喷涌 由于地下水位高 注浆液被稀释或未完全填充 在一段距离以后 汇聚在管片外侧的水在压力作用下流到掌子面 造成喷涌 解决方法 调整浆液配比 高强 不易离析 通过二次注浆封堵后部水源 11 37 7 小曲线轴线偏移 小区率半径部位施工时 如果不立即固定土体 则无法得到合格的盾构推进反力 因此带来管片的变形 隧道位移 最终使隧道轴线发生偏离 解决措施 提前加固小曲线段地层 使之能够提供足够反推力 注入早强的浆液 急凝砂浆或双液浆 采取防盾尾渗漏的措施 8 管片注浆孔渗漏 从管片注浆孔进行注浆时 如果处于砂层 流塑状淤泥质地层或地下承压水较高的地层中 开孔时 外部的水土很可能涌入而造成隧道偏移 地表沉降 解决措施 在管片注浆孔设置逆止措施 在注浆管设置逆止措施 11 37 结语 通过不同注浆方式的优劣 常见问题的分析 盾构机注浆控制措施盾构机注浆控制措施主要在于以下几个方面 1 盾构机设计制造时 应根据地层情况 选择不同的盾尾注浆方式 在条件允许的情况下 尽可能采用通过安装在盾尾的注浆管进行同步注浆的方式 注浆工艺应既可选择单液浆 也可选择双液浆 注浆过程应设计为自动控制 而将通过管片注浆孔注浆作为备选注浆方案或补充应急方案 2 合理选择注浆液类型 1 惰性浆液初凝时间长 制备成本低 在上海等软弱地层为主的地区应用较