多用途集成式盾構機壁后注漿系統與應用

王太平，張洪濤，朱英偉，鄭國良

（中建交通建設集團有限公司，北京 100142）

多用途集成式盾構機壁后注漿系統與應用

王太平，張洪濤，朱英偉，鄭國良

（中建交通建設集團有限公司，北京 100142）

地鐵隧道注漿主要采用單液同步注漿、雙液同步注漿、及時注漿與二次補漿等幾種形式，這幾種注漿形式所選用的設備與注入方式大不相同，漿液的凝固時間與注漿效果也存在著較大差異。文章根據各種注漿系統在盾構機上的使用經驗，對其結構組成和功能的實現方式進行分析研究，進而設計出一種多用途集成式盾構機壁后新注漿系統。

盾構機；壁后注漿系統；集成化；應用

1 盾構機壁后注漿方式

1.1 單液同步注漿

單液同步注漿是通過盾構機同步注漿系統及盾尾注漿管，在盾構向前推進時盾尾后端管片與巖土形成空隙的同時進行單液漿注入。漿液在盾尾后端空隙形成的瞬間及時起到充填作用，從而使周圍巖體獲得及時支撐，可有效地防止巖體的坍陷，控制地表的沉降（圖1）。

1.2 雙液同步注漿

雙液同步注漿的雙液漿是由水泥砂漿等攪拌成的A 液與由水玻璃等組成的 B 液混合而成的漿液。A、B 液在進入盾尾前通過管路混合頭混合后同步注入盾尾注漿管，在盾構機向前推進時盾尾后端管片與巖土形成空隙的同時進行雙液漿注入。A、B 液迅速反應，漿液凝固時間可控，漿液在盾尾空隙形成的瞬間及時起到充填作用，從而使周圍巖體獲得及時的支撐，可有效地防止巖體的坍陷，快速控制地表的沉降（圖2）。當盾構選用雙液同步注漿系統時，容易在施工過程中造成注漿管路堵塞或盾構在維修保養期間盾殼與漿液凝結，從而影響盾構施工效率，通常在地表沉降要求較高的軟土地層或富含水地層施工時采用該系統。為了防止注漿管路堵塞需要配置管路自動沖洗裝置，增加管路清洗作業工序。

1.3 及時注漿

圖1 同步注漿示意圖

圖2 雙液同步注漿示意圖

及時注漿是通過管片上注漿孔將漿液注入管片壁后的方法，其漿液充填時間滯后于掘進的時間，一般運用于自穩能力較強的地層。雙液及時注漿時，通常注漿作業與盾構掘進不是同步進行，即，通過盾尾刷后端管片的注漿孔或吊裝孔向開挖巖土與管片外壁之間的空隙填充雙液漿，由于注漿作業與盾構掘進不同步進行，往往每環注漿量不易控制，容易造成管片錯臺或盾尾刷失效。

1.4 二次補漿

二次補漿一般在管片與巖土間的空隙內填充漿液，可選用單液漿也可選用雙液漿，多采用雙液漿。二次補漿主要受設備配置與作業平臺影響，其充填密實性差，致使地表沉降得不到有效控制。主要在需要糾偏、加固或抗滲漏，堵截盾構機后方的水源，減少噴涌發生的機會，保證盾構機進出站安全等情況下采用二次補漿。

2 多用途集成式盾構機壁后注漿系統

2.1 設計思路

根據上述幾種壁后注漿方式的特點，結合目前幾種盾構機型的注漿系統使用情況與適應性分析，將上述幾種漿液與注漿形式合理集成化，讓設備多用途化，以滿足施工地層多樣化，確定設計研究思路如下：

（1）總結各種注漿系統在盾構機上的使用經驗，分析其組成結構和功能的實現方式；

（2）進行市場調研，了解一些非盾構機上使的注漿系統的使用情況、各種重要部件和注漿泵的種類和形式，同時分析掌握注漿用材料的配比方法以及漿液的凝固時間等方面的參數，為注漿系統的選型做好充分準備；

（3）將單液注漿系統與雙液注漿系統、及時注漿、二次補漿系統合理集成，并對該注漿系統所用設備的空間布置、注漿管路的合理配置、注漿槍頭（包括二次補漿槍頭的功能化設計）、盾尾注漿裝置的結構形式以及可操作性進行研究分析；

（4）將機械、電氣、氣動PLC 可編程控制等相關專業方面的設計貫穿于注漿系統的設計中。

2.2 注漿系統原理與系統構成

通過對上述幾種注漿類型的作用與優缺點分析，結合對目前幾種盾構機型的注漿系統的注漿形式與使用情況研究，將上述幾種漿液與注漿形式合理集成化，并以滿足施工地層多樣化為設計原則，重新構思設計一套多用途集成式注漿系統。多用途集成式注漿系統 A 液泵選用 2 臺 SCHWING 泵（1# 泵、2# 泵），B 液選用 2 個螺桿泵（3# 泵、4# 泵），并設置有單獨的B液箱。A、B 液通過盾尾管路混合嘴或安裝在管片注入孔處的混合槍混合后以背襯方式同步注入，通過 1# 泵、2# 泵、3#泵、4# 泵、注漿閥組 A（包含閥 A-1、閥 A-2、閥 A-3、閥 A-4）、注漿閥組 B（包含閥 B-1、閥 B-2、閥 B-3、閥 B-4）、閥組 a（包含閥 a-1、閥 a-2、閥 a-3）、閥組 b（包含閥 b-1、閥 b-2、閥 b-3）的切換，最終實現同步單液注漿、同步雙漿液、及時注漿、二次補漿幾種注漿形式的相互切換與使用。系統原理與構成見圖3、圖4。

2.3 注漿電氣控制系統

多用途集成式盾構機壁后注漿電氣控制系統主要由注漿觸摸屏、注漿動力柜、注漿控制柜、PLC 系統及相應的控制軟件組成，在遠端中控室與近端注漿控制柜處都可對注漿系統進行操作。控制系統通過接收管路壓力、流量等傳感器傳來的信號，根據 PLC 控制系統設計的程序與操作設定值算法，調整變頻器的輸出電流與流量控制閥的給定電流來控制注漿系統各管路設定的流量與壓力，系統還設置了急停、報警等保護裝置（圖5）。

3 多用途集成式盾構機壁后注漿系統應用

3.1 調試運行

3.1.1 單液同步注漿

圖3 注漿系統原理圖

（1）先手動操作控制面板，后操作遠程終端。先單個泵與閥動作測試，后聯機測試運行。

圖4 注漿系統構成示意圖

圖5 注漿電氣控制系統

（2）單液同步注漿時，1# 泵與 2# 泵啟動，閥組 A中閥 A-1 與閥 A-2 打開，閥 A-3 關閉。閥組 B 中閥 B-1 與閥 B-2 打開，閥 B-3 關閉。通過調節泵的動作頻率來改變注漿流量，分別對盾尾內上左、上右、下左、下右4 管路進行注漿。

（3）為防止下部管路堵塞只選擇盾尾上部 2 路管路注漿，可通過選擇關閉底部管路對應的泵和閥門來實現。

（4）通過閥 A-3 與閥 B-3 的開斷可切換注漿口位置，保證注漿點的注漿量得到有效控制。

3.1.2 雙液同步注漿

A 液泵的操作與單液同步注漿操作相同，當采用雙液注漿時需根據地層情況調節 A、B 液注入比率與注入流量來控制注漿效果。B 液泵 3#泵、4 #泵通過變頻控制流量，盾尾混合嘴 1-1 與混合嘴 2-1 完成 A、B 液的匯合后，通過盾尾管路最終注入到管片與巖土空隙中。

3.1.3 及時注漿

（1）采用及時注漿時可靈活選用單液、雙液，通常多為雙液管路注漿。

（2）若注單液，其操作與單液同步注漿操作類似，只需啟動 A 液泵。通過開啟閥組 A 中閥 A-4 與閥組 B中閥 B-4，并關閉盾尾內截門向管片混合槍 1-2、混合槍2-2，便可實現單液漿的注入。

（3）若注雙液漿，A 液操作按照注單液操作進行。B 液的注入通過閥組 a 中的閥a-1、閥a-2開啟，閥a-3關閉，閥組 b 中閥 b-1、閥 b-2 開啟，閥 b-3 關閉來實現。

3.1.4 二次補漿

為提高背襯注漿層的防水性及密實度，考慮前期注漿效果不佳以及漿液固結率的影響，根據地表沉降監測的反饋信息，必要時在同步注漿結束后進行二次補漿。二次補漿的操作與及時注漿的操作相同，采用及時注漿管路將注漿管路續接加長，注入點可根據監測結果來確定，通過壓力與流量控制來實現漿液的注入。

二次注漿一般每 5 環注 1 次，形成有一定范圍的環箍，從而限制隧道的變形和沉降。每 5 環注漿量一般約為 2 m3，并根據實際隧道沉降監測情況進行調整，以保證隧道線形在規范要求范圍內。

3.2 施工控制

多用途集成式盾構機壁后注漿系統在實際施工過程應用中需根據地層特點與施工監測結果，合理選擇單、雙液漿及注入形式的切換來滿足施工地層多樣化的需求。在注漿施工控制過程中主要是對注漿施工參數的控制，包括注漿壓力、注漿量、注漿速率、注漿時間和注漿點的選擇，其中注漿量、注漿壓力是注漿施工中的關鍵參數。實際上，這幾個施工參數相互關聯，比如注漿壓力大，注漿速率加大，在同樣的時間里，注漿量也大。一定量的漿液，注漿時間越短，其注漿速率越大，注漿壓力也就越大。在注漿施工中，可通過 2 種方法對注漿控制，一是通過注漿壓力的大小控制注漿施工，二是通過預設的注漿量的多少來決定注漿過程是否結束。因此，在注漿施工中，合適的注漿量及注漿壓力是注漿質量控制的保障，同時，地質條件對于注漿材料的選擇也具有決定性。

3.2.1 注漿材料的選擇

漿液材料類型的選擇與地質條件密切相關，同時也與掘進方式、施工條件和成本控制等因素相關：

（1）地面保護要求不高的地段或較堅硬并有一定自穩能力的土體或巖層，可考慮采用單液注漿；

（2）軟弱地層和地面保護要求較高，特別是有重要建筑物或地下管線的地段，宜優先采用雙液注漿，如果施工管理水平較高也可采用單液漿液，單液漿惰性大保水性強，能夠約束管片，保持隧道的穩定；

（3）在富水地層中，優先選用凝結時間較短的雙液漿，防止漿液被地下水稀釋；

（4）在泥水盾構中，為防止盾尾漿液對切削泥水的影響和切削泥水的后竄而稀釋漿液，宜采用雙液漿。

3.2.2 注漿壓力

注漿壓力需克服地下水壓力、土壓力、盾構機管道的摩阻力，才能將漿液注入到開挖洞身與管片的空隙中，但應避免漿液進入盾尾密封、漿液前竄至開挖面、擾動周圍土體、改變初砌管片受力等問題的發生。一般而言，注漿壓力取 1.1～1.2 倍的靜止水土壓力（通常在0.2～0.4 MPa），略大于隧道拱底的水土壓力，大于拱頂水土壓力的 2 倍以上。

3.2.3 注漿量

影響注漿量的因素很多，在實際施工過程中往往根據工程經驗和監測數據來確定注漿量的多少，以確保其建筑空隙得到足量的填充。每環的壓漿量一般為建筑空隙的 1.2～2 倍，二次補漿一般為同步注漿量的 30%～60%。盾構機進洞始發時，盾尾進入洞門土體第 1～3 環時，要將注漿量加大，并采用早強注漿材料進行注漿，以防止洞口地面發生沉降。

4 結論

（1）多用途集成式盾構機壁后注漿系統將幾種漿液與注漿形式合理集成化，讓設備多用途化，滿足了施工地層多樣化需求，既加快了施工進度，又降低了隧道工后沉降量，同時也節省了單獨的二次注漿設備與成品隧道后期堵漏成本。

（2）多用途集成式盾構機壁后注漿系統的操作簡單方便，注漿方式易于切換，將會在盾構機注漿系統中得以廣泛應用。

（3）單液同步注漿、雙液同步注漿、及時注漿、二次補漿其特點與工藝各不同，需要根據具體的施工情況來選擇注漿方式。注漿工藝根據需求既可選擇單液漿，也可選擇雙液漿。

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［2］ 黃宏偉，張冬梅.盾構隧道施工引起的地表沉降及現場監控［J］.巖石力學與工程學報，2001，20（10）.

［3］ 朱建春，李樂.北京地鐵盾構同步注漿及其材料研究［J］.建筑機械化，2004（11）.

［4］ 鄒翀.廣州地鐵二號線盾構隧道同步注漿技術［J］.水利水電技術，2003（2）.

［5］ 李成學，張志賀，張衛勇.淺論盾構工法中的背后充填注漿技術［J］.鐵道建筑技術，2004（6）.

責任編輯 朱開明

Application of Segment Inner Grouting System by Multipurpose Integrated Shield

Wang Taiping， Zhang Hongtao， Zhu Yingwei， et al.

Metro tunnel grouting mainly uses single liquid pipe synchronous grouting， double liquid pipe synchronous grouting， timely grouting and secondary fi ll slurry methods.These different kinds of grouting methods have different ways of selection of equipment and injection， and the slurry solidification time and grouting effect also have big difference.Based on the experience of the use of various grouting system by shield machines， the paper makes an analysis and study on the structure and function of the system， furthermore a new grouting system is designed.

shield machine， segment inner grouting system，integration， application

U451

王太平（1981—），男，工程師

2016-01-14