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摘要:随着城市地铁建设的发展,盾构机得到越来越广泛的应用,而盾构施工中的管片背后同步注浆和二次同步双液注浆是盾构法施工中必不可少的关键性辅助工法,对保证隧道曲线成型、防止隧道偏移、地表建筑构筑物的保护、控制地表沉降、提高隧道的抗渗性,具有极其重要的作用。本文结合广州地铁三号线【同和～永泰】盾构区间工程实例,就盾构法施工中的同步注浆和二次同步双液注浆技术进行探讨。
关键词:盾构法施工;步注浆;二次同步双液注浆
一、盾构法施工中同步注浆和二次双液注浆的目的
1、控制管片的稳定性,提高管片与围岩的共同作用力,防止隧道管片偏移。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,用浆液均匀、密实地注入和填充管片背面空隙可以确保管片衬砌早期和后期的稳定性,是确保土压均匀作用的前提条件。
2、控制地表沉降。及时填充管片拼装完毕拖出盾尾后与土体间形成的环形间隙,防止因间隙的存在导致地层发生较大变形或坍塌。
3、预防盾尾水源进入土仓而形成的喷涌。在盾构法施工中,如果管片与土体之间的环形间隙没有得到良好的填充,与地下水系连成一体,该水系通过盾壳与土体之间的缝隙流至土仓,将会对掌子面形成较大的水压,造成喷涌。
4、提高隧道的抗渗性。盾尾注浆液凝固后,会有一定的抗渗性能,可提高隧道的抗渗性。
5、隧道曲线超限修正。根据管片姿态测量的结果,针对偏移量或上浮下沉量超限的管片进行注入单液浆或双液浆,依靠注浆压力,使管片向隧道设计曲线趋近。
二、注浆浆液的选择
注浆浆液一般分为单液浆和双液浆两大类
1、单液浆是指由粉煤灰、砂、水泥、外加剂等在搅拌机中一次拌合而成的浆液。又可分为惰性浆液和硬性浆液。惰性浆液中没有水泥等凝胶物质,是早期强度和后期强度都很低的浆液。硬性浆液在浆液中掺加了水泥等凝胶物质,具备一定的早期强度和后期强度。
2、双液浆是指由水泥和水搅拌成的A液和由水玻璃等组成的B液混合而成的浆液。
3、单液浆和双液浆优缺点比较。单液浆由于其施工工艺简单,易于控制,且不宜堵管、造价低,浆液扩散均匀等优点,广泛应用于管片背后同步注浆系统。双液浆由于工艺复杂,易堵管,但凝结迅速早强,一般用于止水式、补救性注浆。
三、同步注浆
同步注浆是管片背后注浆的一种形式,是整个盾构施工的一道关键工序,作为盾构隧道的掘进施工是必不可缺的环节。所谓同步注浆就是在盾构机掘进的同时,通过盾构机上的注浆管或管片上的吊装孔,向管片背后注入浆液,填充管片脱离盾尾时管片与围岩之间形成的施工间隙,又称为平行注浆。
1、材料的选用。
要选定符合各种地质条件下的合适材料,使用流动性和胶凝调整有一定幅度的同步注浆材料,要满足以下四种必要条件:
A:不会引起材料的离析,具有良好的流动性和可灌性;
B:浆液硬化后收缩率要尽可能的小;
C:必须具备有一定的初期强度;
D:应具备有一定的抗渗性。
2、配合比的选用。
本工程注浆浆液由水泥、砂、粉煤灰、膨润土组成的单液浆(混合沙浆)可泵性好,易压注,流动性好易填充,且不离析,对周围环境无污染,价格相对低廉。针对不同地层的地质和水文条件的差异而选用不同的配合比,含砂量过大容易在浆液中沉淀堵管,当粉煤灰、膨润土不断增大而砂量逐渐减少时浆液的和易性越来越好。初凝时间从理论上讲越快越好,能快速约束和稳定管片,但初凝时间太短容易造成注浆管路的堵塞。所以在施工过程中我们不断的优化了配合比,选用以了下五种:
3、注浆参数。
(1)注浆量
注浆量的计算公式:Q=Vα
Q-注浆量V-理论填充空隙
α-注入率(一般为130%～180%)
同步注浆的注入量受浆液向土体渗透、泄露损失、浆液流到注入区外、小曲率半径施工超挖等多种因素的影响,因此,在不同地层、不同施工条件下,注入率往往超出上述范围。在渗透系数低的淤泥质粉质黏土、黏土、硬岩中浆液一般不易流失到土体之外,由土层造成的损失较小;在透水性较高的沙砾层、裂隙岩层中,浆液的流失现象会很严重。
(2)注浆压力
注浆压力应根据地质条件、管片强度、盾尾密封压力的警戒值、土仓压力等确定。以注浆管路出口压力为准,一般不超过0.5MP。
在自稳能力较强的中风化、微风化岩地层中,同步注浆压力约为0.2MP;在自稳能力较差的强风化、全风化岩地层和粘土层中,同步注浆压力约为0.3MP;在有较大涌水的地层中,同步注浆压力可适当增大。
在砂质或裂隙发育地层中由于考虑浆液的扩散,所以注入压力要比粘土中的注入压力小一些,初凝时间要快(8～9h)。为保证注浆效果应对注入压力和注入量两个参数严格控制,我们采用以设定注入压力为主兼顾注入量的方法。
(3)同步注浆的注浆速度应根据注浆量和盾构机掘进速度确定,调整好流量,保障推进过程中浆液的同步均匀注入。
四、二次同步双液注浆
在盾构施工过程中,二次同步双液注浆是一种辅助工法,也是在关键时刻一种行之有效的措施,施工工艺复杂,施工过程中控制要求高。所谓二次同步双液注浆就是在施工过程中,针对不同的情况,打开管片吊装孔,装上注浆咀注入经过混合后的纯水泥浆和稀释过的水玻璃浆液,又称垂直注浆。其特点:胶凝时间快,调节空间大,早期强度高。二次同步双液注浆是建立在同步注浆的基础上,同步注浆效果的好坏直接关系到二次同步双液注浆的注浆频率和注浆量,二次同步双液注浆是为了更好的解决同步注浆解决不到的问题。
盾构法施工中二次同步双液注浆技术的施工方法和参数的选择:
1、控制地面沉降。
在本工程施工过程中,我们打开管片拱顶1点和11点方向吊装孔,发现此部位经常没浆液,究其原因是由于盾尾止浆板的磨损使其不能有效的控制浆液的流逝,从而使管片背后同步注浆的填充达不到预期目的。为了使管片背后填充密实,且浆液能在短时间瞬凝和提高浆液的早期强度,让管片和岩层快速成为一个整体使其均匀受力,我们又采取了补助性的二次同步双液注浆:
A:选择合适的胶凝时间。胶凝时间控制在20秒且流动性好,使浆液在管片背后能充分的填充扩散;
B:选择合理的注浆环位和孔位。选择盾构机前进方向拖出盾尾的管片第五环,孔位为1点和11点方向;
C:注浆参数的控制。本工程遇到多处上软下硬地段,掘进中很难控制出渣量,实际出渣量往往大于理论出渣量,于是就在多出渣部位的管片顶部吊装孔打入小导管(小导管是将一寸的镀锌钢管经加工在管头烧出梅花孔,梅花段为20cm),使小导管的梅花段进入岩层的松散段和原始地层之间,(根据松散段的高低取决小导管的长度)。胶凝时间控制在20秒;注浆压力根据小导管的长度设定(0.5～0.8MP);注浆量参考多出渣量而定;注浆时以压力为主兼顾注浆量。
2、稳定成型管片。
在进行管片背后同步注浆填充施工中,我们发现受各种因素的影响,浆液在注入管片背后的胶凝时间并不是很理想,随着盾构掘进速度的加快,管片上浮和偏移会加剧。为了快速束缚管片使其稳定,我们采取了二次同步双液注浆:
A:选择合适的配合比,瞬凝时间控制在13秒左右,流动性一般,让双浆液能在局部快速固结;
B:根据不同的情况选择不同的注浆环和注浆孔。若管片上浮,在管片脱出盾尾的第4环打开1点和11点钟方向吊装孔;若管片向左偏,在管片脱出盾尾的第5环后打开9点钟方向的管片吊装孔进行注浆;若环片向右偏,在管片脱出盾尾的第5环后打开3点钟方向的管片吊装孔进行注浆;
C:注浆压力为0.5MP(要密切注意压力),若压力过高会使管片开裂或错台,以压力为主兼顾注浆量。
3、控制喷涌。
当盾构机掘进到了富水层后,由于管片背后同步浆液受到地下水的稀释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渣土仓中,通常被称为盾构机后部来水,且水压不断增加。因而,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,进行渣、水清除。这就是通常所说的喷涌现象。
为了堵截盾尾后方的来水,使管片背后形成一道环形止水圈。采取了止水性的二次同步双液注浆,进行环向封堵:
A:选择合理的配合比,原则上胶凝时间越短越好。(控制在8秒左右);
B:在盾构前进方向拖出盾尾的第5、6、7环环向布梅花孔,依孔位由低向高由前向后压注双液浆;
C:注浆压力控制在0.5MP,以压力为主兼顾注浆量。
4、堵塞拼接缝漏水(明流)。
用双液浆堵塞由于施工不当而造成的管片拼接缝漏水:
A:设定胶凝时间在20秒左右,流动性好;
B:注浆孔选在与漏水拼接缝较近的吊装孔;
C:根据流量控制注浆压力(压力不超过0.4MP)。
五、质量保证控制措施
1、注浆前进行详细的浆液配比试验,选定合适的注浆材料及浆液配比,保证所选浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标符合设计施工要求。
2、制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序,严格按要求实施注浆、检查、记录、分析,及时做出P(注浆压力)-Q(注浆量)-t(时间)曲线,分析注浆效果,反馈指导下次注浆。
3、根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果,及时进行信息反馈,修正注浆参数设计和施工方法,发现情况及时解决。
4、做好注浆孔的密封,保证其不渗漏水。
5、做好注浆设备的维修保养,注浆材料供应,保证注浆作业顺利连续不中断地进行。
盾构法施工中同步注浆多是回填固定式注浆,预见性注浆;二次同步双液注浆多是加固式、止水式注浆,补救性注浆。同步注浆和二次同步双液注浆交互使用,相辅相成。在施工中应当以现场实际需要和结果做出判断调整,找到切实有效利于当时施工状况的注浆管理方案,合理的注浆技术选择是盾构掘进施工质量和安全的重要保证。
关键词:盾构法施工;步注浆;二次同步双液注浆
一、盾构法施工中同步注浆和二次双液注浆的目的
1、控制管片的稳定性,提高管片与围岩的共同作用力,防止隧道管片偏移。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,用浆液均匀、密实地注入和填充管片背面空隙可以确保管片衬砌早期和后期的稳定性,是确保土压均匀作用的前提条件。
2、控制地表沉降。及时填充管片拼装完毕拖出盾尾后与土体间形成的环形间隙,防止因间隙的存在导致地层发生较大变形或坍塌。
3、预防盾尾水源进入土仓而形成的喷涌。在盾构法施工中,如果管片与土体之间的环形间隙没有得到良好的填充,与地下水系连成一体,该水系通过盾壳与土体之间的缝隙流至土仓,将会对掌子面形成较大的水压,造成喷涌。
4、提高隧道的抗渗性。盾尾注浆液凝固后,会有一定的抗渗性能,可提高隧道的抗渗性。
5、隧道曲线超限修正。根据管片姿态测量的结果,针对偏移量或上浮下沉量超限的管片进行注入单液浆或双液浆,依靠注浆压力,使管片向隧道设计曲线趋近。
二、注浆浆液的选择
注浆浆液一般分为单液浆和双液浆两大类
1、单液浆是指由粉煤灰、砂、水泥、外加剂等在搅拌机中一次拌合而成的浆液。又可分为惰性浆液和硬性浆液。惰性浆液中没有水泥等凝胶物质,是早期强度和后期强度都很低的浆液。硬性浆液在浆液中掺加了水泥等凝胶物质,具备一定的早期强度和后期强度。
2、双液浆是指由水泥和水搅拌成的A液和由水玻璃等组成的B液混合而成的浆液。
3、单液浆和双液浆优缺点比较。单液浆由于其施工工艺简单,易于控制,且不宜堵管、造价低,浆液扩散均匀等优点,广泛应用于管片背后同步注浆系统。双液浆由于工艺复杂,易堵管,但凝结迅速早强,一般用于止水式、补救性注浆。
三、同步注浆
同步注浆是管片背后注浆的一种形式,是整个盾构施工的一道关键工序,作为盾构隧道的掘进施工是必不可缺的环节。所谓同步注浆就是在盾构机掘进的同时,通过盾构机上的注浆管或管片上的吊装孔,向管片背后注入浆液,填充管片脱离盾尾时管片与围岩之间形成的施工间隙,又称为平行注浆。
1、材料的选用。
要选定符合各种地质条件下的合适材料,使用流动性和胶凝调整有一定幅度的同步注浆材料,要满足以下四种必要条件:
A:不会引起材料的离析,具有良好的流动性和可灌性;
B:浆液硬化后收缩率要尽可能的小;
C:必须具备有一定的初期强度;
D:应具备有一定的抗渗性。
2、配合比的选用。
本工程注浆浆液由水泥、砂、粉煤灰、膨润土组成的单液浆(混合沙浆)可泵性好,易压注,流动性好易填充,且不离析,对周围环境无污染,价格相对低廉。针对不同地层的地质和水文条件的差异而选用不同的配合比,含砂量过大容易在浆液中沉淀堵管,当粉煤灰、膨润土不断增大而砂量逐渐减少时浆液的和易性越来越好。初凝时间从理论上讲越快越好,能快速约束和稳定管片,但初凝时间太短容易造成注浆管路的堵塞。所以在施工过程中我们不断的优化了配合比,选用以了下五种:
3、注浆参数。
(1)注浆量
注浆量的计算公式:Q=Vα
Q-注浆量V-理论填充空隙
α-注入率(一般为130%～180%)
同步注浆的注入量受浆液向土体渗透、泄露损失、浆液流到注入区外、小曲率半径施工超挖等多种因素的影响,因此,在不同地层、不同施工条件下,注入率往往超出上述范围。在渗透系数低的淤泥质粉质黏土、黏土、硬岩中浆液一般不易流失到土体之外,由土层造成的损失较小;在透水性较高的沙砾层、裂隙岩层中,浆液的流失现象会很严重。
(2)注浆压力
注浆压力应根据地质条件、管片强度、盾尾密封压力的警戒值、土仓压力等确定。以注浆管路出口压力为准,一般不超过0.5MP。
在自稳能力较强的中风化、微风化岩地层中,同步注浆压力约为0.2MP;在自稳能力较差的强风化、全风化岩地层和粘土层中,同步注浆压力约为0.3MP;在有较大涌水的地层中,同步注浆压力可适当增大。
在砂质或裂隙发育地层中由于考虑浆液的扩散,所以注入压力要比粘土中的注入压力小一些,初凝时间要快(8～9h)。为保证注浆效果应对注入压力和注入量两个参数严格控制,我们采用以设定注入压力为主兼顾注入量的方法。
(3)同步注浆的注浆速度应根据注浆量和盾构机掘进速度确定,调整好流量,保障推进过程中浆液的同步均匀注入。
四、二次同步双液注浆
在盾构施工过程中,二次同步双液注浆是一种辅助工法,也是在关键时刻一种行之有效的措施,施工工艺复杂,施工过程中控制要求高。所谓二次同步双液注浆就是在施工过程中,针对不同的情况,打开管片吊装孔,装上注浆咀注入经过混合后的纯水泥浆和稀释过的水玻璃浆液,又称垂直注浆。其特点:胶凝时间快,调节空间大,早期强度高。二次同步双液注浆是建立在同步注浆的基础上,同步注浆效果的好坏直接关系到二次同步双液注浆的注浆频率和注浆量,二次同步双液注浆是为了更好的解决同步注浆解决不到的问题。
盾构法施工中二次同步双液注浆技术的施工方法和参数的选择:
1、控制地面沉降。
在本工程施工过程中,我们打开管片拱顶1点和11点方向吊装孔,发现此部位经常没浆液,究其原因是由于盾尾止浆板的磨损使其不能有效的控制浆液的流逝,从而使管片背后同步注浆的填充达不到预期目的。为了使管片背后填充密实,且浆液能在短时间瞬凝和提高浆液的早期强度,让管片和岩层快速成为一个整体使其均匀受力,我们又采取了补助性的二次同步双液注浆:
A:选择合适的胶凝时间。胶凝时间控制在20秒且流动性好,使浆液在管片背后能充分的填充扩散;
B:选择合理的注浆环位和孔位。选择盾构机前进方向拖出盾尾的管片第五环,孔位为1点和11点方向;
C:注浆参数的控制。本工程遇到多处上软下硬地段,掘进中很难控制出渣量,实际出渣量往往大于理论出渣量,于是就在多出渣部位的管片顶部吊装孔打入小导管(小导管是将一寸的镀锌钢管经加工在管头烧出梅花孔,梅花段为20cm),使小导管的梅花段进入岩层的松散段和原始地层之间,(根据松散段的高低取决小导管的长度)。胶凝时间控制在20秒;注浆压力根据小导管的长度设定(0.5～0.8MP);注浆量参考多出渣量而定;注浆时以压力为主兼顾注浆量。
2、稳定成型管片。
在进行管片背后同步注浆填充施工中,我们发现受各种因素的影响,浆液在注入管片背后的胶凝时间并不是很理想,随着盾构掘进速度的加快,管片上浮和偏移会加剧。为了快速束缚管片使其稳定,我们采取了二次同步双液注浆:
A:选择合适的配合比,瞬凝时间控制在13秒左右,流动性一般,让双浆液能在局部快速固结;
B:根据不同的情况选择不同的注浆环和注浆孔。若管片上浮,在管片脱出盾尾的第4环打开1点和11点钟方向吊装孔;若管片向左偏,在管片脱出盾尾的第5环后打开9点钟方向的管片吊装孔进行注浆;若环片向右偏,在管片脱出盾尾的第5环后打开3点钟方向的管片吊装孔进行注浆;
C:注浆压力为0.5MP(要密切注意压力),若压力过高会使管片开裂或错台,以压力为主兼顾注浆量。
3、控制喷涌。
当盾构机掘进到了富水层后,由于管片背后同步浆液受到地下水的稀释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渣土仓中,通常被称为盾构机后部来水,且水压不断增加。因而,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,进行渣、水清除。这就是通常所说的喷涌现象。
为了堵截盾尾后方的来水,使管片背后形成一道环形止水圈。采取了止水性的二次同步双液注浆,进行环向封堵:
A:选择合理的配合比,原则上胶凝时间越短越好。(控制在8秒左右);
B:在盾构前进方向拖出盾尾的第5、6、7环环向布梅花孔,依孔位由低向高由前向后压注双液浆;
C:注浆压力控制在0.5MP,以压力为主兼顾注浆量。
4、堵塞拼接缝漏水(明流)。
用双液浆堵塞由于施工不当而造成的管片拼接缝漏水:
A:设定胶凝时间在20秒左右,流动性好;
B:注浆孔选在与漏水拼接缝较近的吊装孔;
C:根据流量控制注浆压力(压力不超过0.4MP)。
五、质量保证控制措施
1、注浆前进行详细的浆液配比试验,选定合适的注浆材料及浆液配比,保证所选浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标符合设计施工要求。
2、制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序,严格按要求实施注浆、检查、记录、分析,及时做出P(注浆压力)-Q(注浆量)-t(时间)曲线,分析注浆效果,反馈指导下次注浆。
3、根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果,及时进行信息反馈,修正注浆参数设计和施工方法,发现情况及时解决。
4、做好注浆孔的密封,保证其不渗漏水。
5、做好注浆设备的维修保养,注浆材料供应,保证注浆作业顺利连续不中断地进行。
盾构法施工中同步注浆多是回填固定式注浆,预见性注浆;二次同步双液注浆多是加固式、止水式注浆,补救性注浆。同步注浆和二次同步双液注浆交互使用,相辅相成。在施工中应当以现场实际需要和结果做出判断调整,找到切实有效利于当时施工状况的注浆管理方案,合理的注浆技术选择是盾构掘进施工质量和安全的重要保证。