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二次同步注双液浆技术在盾构法隧道施工中的应用
摘 要 分析了盾构法富水地层隧道施工中,管片背后同步注浆法的缺陷、产生原因及危害,实践了盾构机上增设风动双液注浆泵,间隔后一定距离,对管背上部二次同步灌筑双液浆,起到了根治缺陷、确保工程质量的重要作用。同时对二次同步注浆的施工要点、设备选型和注浆操作等进行阐述。二次同步注双液浆技术经多个工程实践后均取得良好效果,建议应确定此法为盾构法隧道施工的重要组成部分。
关键词 地铁盾构法施工 二次同步 双液注浆
1 问题的提出
广州地铁盾构法富水地层隧道的施工中,德国海瑞克盾构机配有同步注浆系统,使得盾构机向前掘进的同时,通过同步注浆系统向刚脱出盾尾的管片背后的空隙中注入惰性缓凝浆液,以达到将管片和开挖地层间空隙填充密实、固定管片位置、防止管片背后积水,以此保证盾构隧道工后不变形和不渗漏水。
实际上,盾尾的同步注浆管路布设在盾尾左右两侧隧道水平腰线的位置上、下各设一组,注入的惰性缓凝浆液凝固时间较长(初凝时间6~10 h),在岩层稳定或较稳定地段,使用敞开式或欠土压平衡模式掘进时,注浆浆液难以注满管片背后拱顶部分空隙,形成汇水区,尤其是盾构在江底基岩中穿过时,管背顶部形成的汇水通道中的压力水沿盾壳外间隙流入土仓,由此造成施工中排碴喷水、涌砂和工后管片错台、漏水、地面沉降超限等问题,严重影响工程进度和质量。
2 盾尾同步注浆法的缺陷、产生原因及危害
2.1 同步注浆法的缺陷
(1)在稳定或较稳定地层中,常釆用敞开模式或欠土压平衡掘进模式,由于土仓无土压或土压力较低,因此,隧道腰线下的管片背后空隙的浆液是靠自重来充填的,隧道腰线以上的注浆沿盾壳外表与地层之间空隙流进土仓同碴土排出。
(2)管背上部没有注浆充实而集水,造成管环上浮严重。
(3)在不稳地层的土压平衡掘进模式下,由于土仓中存在土压,隧道腰线上的管背后空隙可以靠注浆压力来充填,但是,由于同步注浆压力略高于土仓中的设定土压,也会致使浆液会沿着盾壳与开挖轮廓之间的空隙向土仓中流失,使得管片背后拱部的空隙也无法填注满浆液,特别是拱部11点~1点之间的部位多数未注满浆液。从而使这个部位也形成一个汇水区和流水通道。
2.2 同步注浆的缺陷产生原因
2.2.1 地质因素
(1)地质断裂带中有裂隙,节理、层里较发育,裂隙面有夹泥和破碎体,是地层汇水通道和渗流水通道,一旦进入隧道内就会造成同步注入的惰性浆液难以注满管背顶部。
(2)由于断裂带、透水砂层下、地层交错处、软弱地层等不良段掘进时,一般与地层承压水或地表潜水有水力联系,当盾构机穿越这些地段后,有压水将不断冲破管片背面注入的惰性缓凝砂浆,并沿线路下坡跟随盾构机掘进而流入盾构机尾刷密封处和碴土仓中而流失,造成螺旋输送机排土口喷水涌砂和盾构尾刷密封处及中间铰接处漏水,严重时需长时间停止掘进,进行碴、水清除。同时,还造成管片背面注浆不充实,引起管片隧道上浮或地表沉降。这就是通常所说的喷涌现象。
(3)由于装有同步注浆系统的盾构机开挖直径比管片的结构外径一般要大260 mm,因此在拱顶注浆不满的情况下,在长距离的硬岩掘进段,极易造成管片上浮,甚至顶到拱顶开挖岩面上,使得管片衬砌超限。同时也会形成强力的水流通道,盾构掘进时产生涌水,工后管片产生大面积的渗漏水,对隧道危害较大。
2.2.2 注浆因素
(1)在地层不良地段掘进时,由于管背注浆因压力水稀释而带入盾构机土仓中,随碴土排出,从而造成了螺旋输送机排土口难以控制的喷水涌砂,也致使管片背面注浆量不足,
(2)注浆材料及配比选用原则是:充填性好、和易性好、离析少、强度高、浆液硬化后体积收缩少、不被地下水稀释。但目前的实际配方,大多是采用水泥、粉煤灰、膨润土及中砂的配比混合液,调出的配比为了保证注浆不堵管,浆液通常较稀,凝固后淅水收缩很大,造成拱部空洞,形成汇流水通道。
2.2.3 设备因素
(1)盾尾同步注浆管通常分布在盾尾的4个象限中间,设4个注浆管路和4个备用管路,盾尾圆周设有挡浆板。
(2)盾构机刀盘开挖直径比盾壳外直径一般要大3 cm左右,所以浆液一旦有压力就会通过盾壳和地层之间的空隙流入土仓,造成11点至1点之间的拱顶缺浆成空隙,从而形成径向的地层汇水区,隧道纵向形成水流通道。
(3)盾尾止浆板在盾构掘进一段距离后就会被磨损破碎,基本起不到阻止浆液前流的作用,这一结构缺陷也注定管片背后的拱部无法注满浆液。
2.3 同步注浆的缺陷带来的危害
(1)管背上部浆液流失,造成管片上浮严重且施工成本增加。
(2)管背上部水流进入土仓,掘进中易发生喷涌,严重影响掘进效率和出碴速度。
(3)汇水区管片极易渗漏水,堵漏费用很大。
(4)拱顶汇水区地层长期水浸易坍塌,造成工后沉降严重,破坏地面建筑。
3 二次同步注双液浆的重要作用
3.1 二次同步注双液浆概念
在掘进过程中止水的好坏直接关系到工程质量及工程进度的快慢,因此,如何在掘进过程中进行掘进止水控制成为盾构隧道施工的关键技术之一,而采用二次同步注双液浆是目前最有效的方法。
(1)二次同步注双液浆指区别于盾构机本身的盾尾同步注浆而言,盾构同步注浆为一次注浆,主要是填充管片背后拱肩以下空隙,二次是对推出盾尾后5环的背后注浆,主要是填充管片背后拱顶部位的空隙。
(2)同步则是注浆必须和盾构机掘进同时进行,和盾尾同步注浆同时进行。
(3)注双液浆是指注入水泥浆+水玻璃双液快凝浆液(初凝时间10 s以内),如此,达到有效封顶且浆液不流失效果,起到有效充满空隙,并阻断水流通道的作用。
(4)二次同步注双液浆是区别于盾尾同步注浆系统的另一套注浆系统,要求该系统工作应与盾构机掘进同步进行,在拖后的几环管背拱顶注入双液浆,使得管背及时填充密实,有效控制管背水汇集、前流、渗漏并防止开挖地层工后坍塌。
3.2 二次同步注双液浆的作用
(1)由于盾构机本身的同步注浆系统无法将管片背后拱顶部位空隙填充密实,使得该部位成为汇水区和水流通道,上述二次同步注双液浆可及时注满管片背后顶部并固结,阻断盾构后方的水流通道,防止掘进中排碴口喷涌。
(2)在盾构掘进的过程中,管环在盾尾中的位置由盾构掘进方向而确定,当管环受力推出盾尾而因管背填充不实将引起管环位置改变,下坡掘进使管环上浮,弯道上掘进,造成拐弯处几环管环外移,此时的双液注浆点除选择管背顶部外,还应增加向弯道外侧点的管环背面注入双液浆。
(3)二次注双液浆距盾尾越近,则固定管环位置越准确,但是,越近会造成双液浆进入盾尾刷和同步注浆排浆口,破坏盾尾刷密封和阻断同步注浆管道。施工中,双液注浆孔位置宜选择在推出盾尾4~6环范围内的管片孔中进行。
(4)通过拱顶管片手孔向管片背后注入一定量的双液浆,并达到与盾构掘进的同时,不仅有效地填充管片背后拱部空隙,使管片与地层尽快紧密结合,防止工后渗漏水和地层沉降。
(5)注入的惰性浆料的后期强度高、止水效果好、耐久、无污染、成本较低,可确保成品隧道的质量稳定。
(6)这里主要利用双液注浆料的快速早凝特点,尽快阻断水流通道以便施工,它的晚期强度低,可利用隧道贯通后,对个别渗漏地段,可再次向管背顶部补充注入水泥浆液料。
4 二次同步注双液浆的施工方法
4.1 施工要点
二次同步注双液浆的方法目前并未普遍使用,虽然很多的盾构项目都有强烈的要求渴望使用。但是,往往由于不得要领或操作不当,不是达不到效果就是影响正常的掘进半途而废,因此,这里将施工方法的施工要点进行简要提示,使此方法能更好地发挥作用。
(1)注浆一定要和盾构掘进同时进行,防止拖后距离过长;
(2)注浆孔应尽量设在拱顶11点~1点附近,以求较好地固定管环和阻断顶部水流通道;
(3)注浆孔位置宜设在盾尾后5环管环处;
(4)浆液的凝固时间应控制在10 s以内;
(5)注浆时要控制好注浆压力和注浆量;
(6)此方法与盾构机本身的同步注浆相结合,跟随盾构掘进注,不能间断施工。
4.2 设备选择
注浆设备选择首先要先确定注浆能力,一般考虑浆液的注入量在拱顶10点~2点范围,一环管片按1. 5 m计,则需注入约1. 35 m3浆液,考虑与掘进同步,设每掘进一环用时30min,则设备的注浆能力应选择45 L/min以上为宜。再考虑到隧道埋深一般在20 m左右,则注浆压力应在2MPa以上为宜。
(1)液压双液注浆泵。为一般工程中普遍使用的双液注浆设备,由一个压力泵站、两个浆液桶和一个注浆机组成。设备的大致结构组成如图1所示。
该种设备比较耐用,操作方便,但不足之处是体积大,组件多,盾构使用时需占用轨道,使注浆与盾构掘进施工不能有效同步进行,需采用停止掘进,等待注浆作业。也不能及时通过盾构掘进来检查注浆止水效果,往往需要掘进、注浆交替作业才能看出注浆效果,既费时又影响掘进。
建议在工后堵漏或地层加固中使用,不推荐在盾构二次同步注双液浆施工中使用。
(2)风动双液注浆泵。由于使用气压为动力(盾构机有压供给),故机器体积小,重量轻(75 kg),注浆设备和浆液材料均可以安装在连接桥平台上,使注浆施工可与盾构掘进可实现同步进行,并可随时检查到止水对改善掘进的效果。注浆设备外观如图2所示。
(3)该设备的使用已有较多成功范例,推荐使用该种设备进行盾构二次同步注双液浆。
4.3 注浆操作
(1)双液浆一般为水泥+水玻璃浆液。浆液的凝固时大致调制在10 s以内,以控制浆液的扩散范围。
(2)根据掘进位置的水土压设定注浆泵的终注压力优先,注浆量由可该孔的可注性自适应确定。注浆压力小时,注浆泵自动快速注浆,当接近终注压力时,泵慢速注浆至自动停注(一般不等到自动停注前而人为停注),这样既可以保证快速注浆,又可以控制浆压不超,确保对管环结构不造成损伤。
(3)双液注浆的混合接头为特制加工的,使得两种浆液在此充分混合后很快注入管背,又要使得接头和管片手孔结合牢固、严密。
(4)注浆前应将至少一环的注浆材料备足待用,注浆管路连接好后应检查其牢固性。若手孔打开后有水大量流出,需在附近另开一个手孔放水。
(5)一般需3人, 1个制浆工, 1个注浆工, 1个注浆控制手。
(6)每注完一个孔,必须及时清理浆液混合器的各条管道,确保管道畅通。注浆完成后,应对手孔进行认真封堵。
4.4 特殊地段的注浆施工
当盾构机正在通过断裂带、富水砂层、地层交错地段时,本着快速通过原则,做好以下几个方面工作:
(1)为了达到快速掘进的目的,掘进中可适当加大推力(12 000~15 000 kN),并依据碴土的含水量情况适当加大泡沫剂的百分比(1. 5~3. 5)及空气用量(200~500 L/min),最大限度地控制刀盘前方地层和盾体四周土体向土仓内的渗水量,此时掘进速度应控制在25mm/min以上。同时应加大双液浆的注入量和注浆压力,使得浆液向地层中扩散一部分,以控制地层渗水的速度,防止喷涌现象的发生。
(2)做好施工工序安排,减少盾构机停机等待的时间,二次注浆和盾构施工同步并随盾构掘进连续注入,减少管片背后积水过多。
(3)控制好每环的出碴量,在停机时根据经验适当建立土仓内的土压,使之大于停机处地层的水土压力,必要时可通过泡沫管路向土仓内适当加入压缩空气,以气压止水,防止四周水源向土仓内大量涌水。此时应立即检查二次注双液浆的填充效果,若未全部填满或有水流出,则应再次补充注浆,以保证管片背后填充密实,避免积水而造成管片渗漏或再掘进喷涌。
5 结论
以上论述,已在复合地层盾构法水下隧道施工中已得到成功应用。实践证明,在盾构法隧道施工中,采用二次同步双液注浆,不仅可以控制掘进喷涌,加快施工进度,而且明显降低隧道工后沉降量,同时,也为成品隧道后期堵漏节省约2/3的资金。
本文所论述的方法,操作简单方便,易于应用,应作为盾构法隧道施工的重要组成部分。
参考文献
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