对盾构机管片壁后注浆技术的理解
摘要:南水北调中线工程穿黄隧洞在泥水加压平衡掘进过程中，盾尾实施同步注浆，除具有填充管片壁后与围岩土层间隙，抑制地表沉陷，减少隧洞变形、上浮、下沉作用外，还可以提高隧洞的整体防水性能。根据浆液性能、浆液强度、浆液配比的要求，经过前期大量试验，确定了同步注浆普通单液砂浆的基准配合比参数: 胶砂比1 ∶ 3，水泥、粉煤灰比为10
/35，水胶比为0．6。
1 工程概况
南水北调中线工程穿黄隧洞是我国第一条穿越黄河的大型隧洞。隧洞结构为内外两层衬筑，外层为管片拼装层，内层为后张法预应力钢筋现浇层。过河段全长3 450 m，埋深40 m，开挖直径9 m，衬砌管片内径7．9 m。根据地质勘察资料，盾构机穿越过河隧洞时，主要通过粉质壤土、沙层和沙砾石层，其中:单一沙土结构隧洞围土主要为中沙层，局部为粗沙层，沙层中含沙砾石透镜体，该部分隧洞长875 m; 上沙下土结构隧洞围土上部为沙砾石层，下部为粉质壤土层，该部分隧洞长1 390m; 单一黏土结构隧洞围土为粉质壤土层，该部分隧洞长1 185 m。
2 同步注浆 2．1 注浆机理
在隧洞泥水加压平衡盾构掘进施工中，盾构机一旦向前推
进脱离盾尾，管片外部与围土之间就会产生建筑间隙。这时必须及时、均匀、定量地向管片壁后的环形建筑空隙注入浆液，充满建筑间隙。注满间隙的浆液具有一定的密实性以及与土体保持相对稳定的承压能力，从而可有效地控制管片壁后围岩土层的沉降，使地表沉陷控制在最小范围内，这种注浆机理称为同步注浆法。在盾构机掘进时，由于盾构机的姿态不可能与隧洞的设计轴线重合，因此在掘进过程中，需要经常对盾构机实施姿态调整和纠偏，从而造成盾构机对地层的扰动及出现隧洞断面超挖现象。为此，需配制填充性能和抗分散性能好、初凝时间合理、强度合适的注浆浆液。确定合理的注浆量和注浆压力对抑制隧洞变形、上浮、下沉，减少地表沉陷，提高隧洞的稳定性和整体防水性能，确保隧洞建筑质量和安全性至关重要。
2．2 泥水压力与注浆参数的确定
在隧洞的泥水加压平衡盾构掘进过程中，浆液注浆量及注浆压力的控制通过PLC 控制系统、盾构推进装置和泥水舱、气垫调压舱的压力相互连锁确定，盾构机在设定的注浆压力及注浆量限值内实现同步注浆，从而可有效地避免过高的注浆压力损坏盾尾密封，以及通过脱离盾尾管片上每个部位的压力来平衡地下水土压，使衬砌环管片在注入合理的浆液量时趋于早期稳定。为此注浆压力和注浆量的设定应由泥水压力、注浆压力和注浆量确定。
2．2．1 泥水压力
穿黄隧洞工程采用国际最先进的气压复合式泥水加压平衡盾构机，该类盾构机的泥水平衡主要通过隔板后面的气压与泥浆接触，使接触面上的气体与液体具有相同压力。为此只要调节空气压力，就可间接控制隔板前泥浆压力、切口静水压力与土压力的平衡，从而维持开挖仓内的压力来保证开挖面的稳定。同时在盾构机掘进阶段，同步注浆压力设定主要是根据盾构机掘进时的切口静水压力、土压力之和与泥水平衡压力确定的，因此如果同步注浆压力小于泥水平衡压力，就会出现开挖仓内泥水进入盾尾影响浆液的注浆质量，从而使注浆量填充不足，因不能平衡水土压力而造成地表沉降。如果同步注浆压力大于泥水平衡压力过多，就会出现注浆填充过量，从而造成地层“劈裂跑浆”现象。根据国内外泥水加压盾构设定泥水压力的经验公式，穿黄工程采用水土分算的计算方法，其公式为
P泥水= P1 + P2 +ΔP =γWh +K0［(γ－γW) h +γ(H－
h)］+ 20 (1)
式中: P 为开挖舱中心泥水压力，kPa; P1 为地下水压力，kPa; P2为静止土压力，kPa; ΔP 为变动土压力，一般取20 kPa; γW 为水溶重，γW = 10 kN/m3 ; h为地下水位以下隧洞埋深(至隧洞中心) ，h = 32 m; K0 为静止土压力系数，K0 = 0．4; γ为土的饱和容重，γ = 20．1 kN/m3 ; H 为隧洞埋深(至隧洞中心)，H =35 m。
2．2．2 注浆压力
泥水平衡压力的设定直接关系到同步注浆压力的确定。在盾构掘进时，如果盾构机上下方的注浆压力超过前方开挖舱泥水压力，则注入盾尾的浆液就会窜入开挖面前方，因此脱离盾尾的衬砌管片壁后注浆压力应与前方开挖舱的泥水压力基本保持平衡。由于开挖舱泥水压力是按照开挖舱中心泥水压力设定的，因此盾尾上方及下方的注浆压力值为
P上= P泥水－γR (2) P下= P泥水+γR (3)
式中: P上为上方注浆压力，kPa; P下为下方注浆压力，kPa; P泥水为开挖舱中心泥水压力，kPa; γ为开挖面泥水容重，kN/m3 ; R为盾构机半径，m。
2．2．3 注浆量
同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙的量，但实际上在盾构推进过程中需考虑盾构的纠偏超挖、浆液渗透(与地质情况有关) 及固结收缩等因素。因此注浆量限值一般为理论注浆量的1．3 ～ 1．8 倍，并通过盾构机推进速度监测情况来进行注浆量的调节，以达到每环均匀地注入设定的总注浆量，其注浆
量公式为
式中: S 为最适当的注浆设定量，m3 /min; α为注浆率; D1为掘进机外径; D2为管片外径; V 为千斤顶速度，mm/min; Q为每环总注浆设定量m3 ; h 为盾构每环掘进时间，min。
3 浆液技术指标要求 3．1 浆液性能要求
为了使脱离盾尾的衬砌管片能够尽快稳定，并具有较好的整体防水性能，根据穿黄隧洞的水文地质条件，针对性地对填充浆液提出了性能要求: ①浆液应有良好的耐久性和稳定性，其倾析率应小于5%; ②浆液应有良好的和易性，能保持良好的流动性(稠度) 、保水性和黏聚性，其稠度应为8～12 cm; ③浆液结石率应大于95%，即固结收缩率应小于5%; ④为保证浆液的固结强度和填充性不受影响，在含水量较大的地质环境中，浆液具有不易稀释性。
3．2 浆液强度要求
浆液初凝时间是衡量浆液质量的重要指标，是指浆液注入管片壁后开始失去流动性、具有初步强度所需要的时间。在盾构机掘进过程中，认为浆液在初凝阶段管片是“悬浮的”，即土体支撑较弱，为此，针对穿黄隧洞的水文地质条件和隧洞的不同围土层，对管片壁后的充填浆液提出了不同的强度要求: 浆液注入管片壁后1 h 强度应不小于0．03 MPa，1 d 的强度应不小于0．63 MPa，14 d 的强度应不小于2．5 MPa，28 d 的强度应不小于5．0 MPa。
3．3 浆液对比优选
根据该工程的水文地质条件，为了保证管片壁后注入浆液的充填效果，根据对注浆浆液的性能及固结强度的要求，通过对国内其他工程应用单液水泥砂浆与应用双液浆情况的对比分析，认为单液浆操作简单，系统注浆压力、注浆量在掘进过程中可以得到有效控制，并具有稳定的填充性和防渗性能; 而双液浆易随温度变化出现性能、强度不稳定的现象，其同配比的液浆胶凝反应时间不尽相同，同时，在操作过程中不易控制，很容易堵塞注浆管、结碴，因此确定采用单液水泥砂浆作为该工程的首选浆液。
3．4 浆液配比
单液水泥砂浆是以水泥、粉煤灰、膨润土、细沙为主剂的浆液，其优点: ①把水泥作为浆液固结强度和调节浆液凝结时间的材料，通过掺入适量的外加剂使浆液的初凝时间得到精确控制，可以提高浆液的早期强度; ②粉煤灰可以改善浆液的和易性; ③一般采用细沙为填充骨料，以保证浆液具有良好的抗渗性和可塑性，可有效提高浆液的稠度，保证浆液的填充效果; ④膨润土可减缓浆液材料的分离，降低泌水率。按照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ70—90) ，经过对水泥砂浆浆液的多次试验和对比分析，最终选出性能最为合适的配比作为该工程使用的浆液，见表1、表2。
表1 同步注浆浆液配合比 kg /m3
表2 同步注浆浆液性能指标
经过前期大量试验，利用当地原材料，同步注浆普通单液砂浆的基准配合比参数为胶砂比为1 ∶ 3，水泥、粉煤灰比为10 ∶ 35，水胶比为0．6。
4 结语
目前，通过对穿黄输水隧洞沉降、变形的监测和渗漏情况的检查，隧洞的实际轴线与设计轴线偏差均控制在± 50 mm内，隧洞直径失圆度最大误差控制在± 5 mm 内，衬砌管片内壁结构表面局部有少量湿渍，其隧洞的构筑质量已达到设计要求。表明: 按照上述配合比拌制的浆液满足隧洞管片壁后建筑间隙的填充要求，有效地控制了隧洞的变形、渗漏及地面沉降。
城轨一班 赵运涛
