土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的同步注漿

張英嬋

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

隨著當(dāng)前我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加強(qiáng)，鐵路、公路交通行業(yè)將實(shí)現(xiàn)跨躍式發(fā)展，與基礎(chǔ)建設(shè)相適應(yīng)的盾構(gòu)施工設(shè)備需求增長(zhǎng)迅速。

1 盾構(gòu)機(jī)

盾構(gòu)機(jī)是軟巖或土質(zhì)地層地下工程的主力施工機(jī)械，常用于地下隧道的開(kāi)挖。集機(jī)械、電子電器、液壓、傳感技術(shù)于一體，自動(dòng)化程度較高，除主要的液壓控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)外，還有油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、泡沫和膨潤(rùn)土系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、二次通風(fēng)等多個(gè)輔助系統(tǒng)。

1.1 盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備組成

圖1為盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備圖，主要設(shè)備有驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)、盾體、螺旋輸送機(jī)、管片安裝機(jī)及后部拖車(chē)。輔助系統(tǒng)安裝于拖車(chē)上。

圖1 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備

1.2 盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理

在盾殼的保護(hù)下，使用推進(jìn)油缸提供動(dòng)力掘進(jìn)；掘進(jìn)同時(shí)，主驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削掌子面土體；切削下來(lái)的渣土經(jīng)螺旋輸送機(jī)排出至皮帶機(jī)，再經(jīng)皮帶機(jī)運(yùn)輸?shù)皆淋?chē)運(yùn)往洞外。管片拼裝機(jī)拼裝管片，完成對(duì)隧道洞壁的襯砌；襯砌管片的同時(shí)，同步注漿，使?jié){液迅速填滿(mǎn)管片與地層的空隙，以控制地層變形，減少沉降[1]。

2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多城市的地鐵建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行。盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵就是要求施工時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)要小。各地依據(jù)其地質(zhì)條件及周?chē)h(huán)境的勘測(cè)資料，將土壓平衡盾構(gòu)機(jī)廣泛運(yùn)用于地鐵隧道的挖掘。

2.1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)抵住掌子面削挖土壤，削挖出來(lái)的渣土直接用作支護(hù)介質(zhì)；同時(shí)渣土通過(guò)刀盤(pán)上的開(kāi)口進(jìn)入開(kāi)挖倉(cāng)，與開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)的已有膏狀渣土混合，安裝于刀盤(pán)和土倉(cāng)壓力隔板的攪拌臂對(duì)渣土進(jìn)行攪拌，使其達(dá)到所需要的質(zhì)地。開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)膏狀土體的同時(shí)承受由壓力隔板傳來(lái)的推進(jìn)油缸的推力[2]。

2.2 土壓平衡狀態(tài)

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，必須維持開(kāi)挖面地層的穩(wěn)定和防止地層變形。這時(shí)就需要盡量保持土壓平衡狀態(tài)。

土壓平衡狀態(tài)就是要求開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)的土體壓力與周?chē)寥篮偷叵滤膲毫葡嗟?。也就是說(shuō)，掘進(jìn)時(shí)要控制盾構(gòu)機(jī)切削的土體體積與螺旋機(jī)排出的土體體積大致相等，此時(shí)，土艙壓力接近于掌子面的土水壓力，即達(dá)到了土壓平衡狀態(tài)。在土壓平衡狀態(tài)下，盾構(gòu)施工對(duì)土層的擾動(dòng)最小。

3 同步注漿

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)在施工中，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，盾構(gòu)盾尾外徑與管片外徑之間的差值將會(huì)在管片背后產(chǎn)生盾尾建筑空隙。這一空隙若不及時(shí)填充，管片周?chē)耐馏w將會(huì)松動(dòng)甚至發(fā)生坍塌，從而導(dǎo)致地表沉降等不良后果。為此必須采用同步注漿手段及時(shí)將盾尾建筑空隙加以充填。

同步注漿是指在盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)的同時(shí)，對(duì)由于盾尾脫出形成的管片與土層之間的空隙進(jìn)行注漿的過(guò)程。

如圖2所示，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的盾尾配有多條注漿管和油脂管。漿液通過(guò)注漿孔進(jìn)入盾尾空隙，油脂通過(guò)油脂孔進(jìn)入密封刷圍成的區(qū)域內(nèi)，盾尾與管片之間通過(guò)密封刷與油脂進(jìn)行密封，以防止?jié){液流入盾體內(nèi)。

圖2 盾尾注漿示意圖

3.1 同步注漿的作用

同步注漿通過(guò)同步注漿系統(tǒng)來(lái)完成。在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)、盾尾空隙形成的同時(shí)，漿液在盾尾空隙形成瞬間及時(shí)填充，從而使周?chē)鷰r體及時(shí)獲得支撐，可有效地防止巖體的坍塌，控制地表的沉降。同步注漿還可以提高襯砌接縫防水性能；改善襯砌管片受力情況；有效控制管片環(huán)與環(huán)之間的高度差，避免管片推出盾尾后上浮或下沉引起的管片破裂。在地層穩(wěn)定性差且采用土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)，同步注漿的重要性更加突出和明顯。

3.2 同步注漿的特點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)，邊推進(jìn)、邊注漿；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)結(jié)束時(shí)，停止注漿。

3.3 同步注漿系統(tǒng)的工作原理

同步注漿系統(tǒng)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)不可缺少的重要組成部分。圖3為同步注漿系統(tǒng)的工作原理圖。如圖3所示，砂漿罐與注漿泵布置在盾構(gòu)機(jī)后部的拖車(chē)上，砂漿罐中裝有攪拌器。注漿泵口連接的注漿管路經(jīng)過(guò)連接橋進(jìn)入盾體內(nèi)部的盾尾。共有兩組注漿泵，連接有四條注漿管路，每條注漿管路的末端安裝有壓力傳感器，檢測(cè)注漿壓力，以此判定注漿結(jié)果。圖3中所示的其余管路為注漿備用管路，用于防止盾尾內(nèi)注漿管發(fā)生堵塞。

圖3 同步注漿系統(tǒng)工作原理圖

由注漿泵將砂漿從砂漿灌內(nèi)抽出，經(jīng)注漿管路直接輸送到盾尾注漿口。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，自動(dòng)停止注漿。

3.4 同步注漿系統(tǒng)的主要設(shè)備

同步注漿系統(tǒng)主要由帶有自攪拌功能的砂漿罐、注漿泵、注漿管路和壓力傳感器組成。

注漿泵由液壓系統(tǒng)控制操作，其工作原理如圖4所示。

圖4 注漿泵工作原理圖

電機(jī)帶動(dòng)液壓泵輸送壓力油，壓力油經(jīng)調(diào)速閥進(jìn)入控制閥組，控制閥組控制著漿液吸口油缸、漿液出口油缸和漿液輸送油缸，使其回油流入油箱。

注漿系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，控制閥組控制吸漿口油缸活塞桿縮回，打開(kāi)吸漿口；同時(shí)出漿口油缸活塞桿伸出，封閉出漿口；漿液輸送油缸在控制閥組控制下活塞桿縮回，吸入漿液至漿液腔。吸漿過(guò)程結(jié)束后，控制閥組再次工作，吸漿口油缸活塞桿伸出，封閉吸漿口；同時(shí)出漿口油缸活塞桿縮回，打開(kāi)出漿口；漿液輸送油缸在控制閥組控制下活塞桿伸出，漿液腔中漿液被輸送至注漿管路。

液壓油缸的速度由調(diào)速閥調(diào)節(jié)。漿液輸送油缸裝有計(jì)數(shù)指示器，可根據(jù)計(jì)數(shù)器上的讀數(shù)了解每根注漿管內(nèi)的注漿量。

3.5 同步注漿系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

3.5.1 注漿壓力

注漿壓力是根據(jù)地層的土壓力、水壓力、管片強(qiáng)度及地面監(jiān)測(cè)情況綜合判斷而設(shè)定的，在實(shí)際掘進(jìn)中將不斷優(yōu)化。

注漿壓力過(guò)大會(huì)引起地面隆起、漿液破壞洞尾密封刷出現(xiàn)盾尾漏漿、漿液從盾構(gòu)機(jī)外殼與土體之間的孔隙流入土倉(cāng)、管片出現(xiàn)受壓變形或是被損壞；如果注漿壓力過(guò)小，則注漿的填充速度很慢，注漿量不足，使地表變形增大。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料和施工經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水土壓力，一般設(shè)定在0.15～0.5 MPa。

3.5.2 注漿量

注漿量需考慮漿液向土體中滲透及注漿材料種類(lèi)等諸多因素，實(shí)際上沒(méi)有一個(gè)明確的規(guī)定值，通常按如下列公式進(jìn)行計(jì)算。

注漿量的計(jì)算公式：

式中：V為計(jì)算空隙量，m3；D1為刀盤(pán)最大直徑，m；D2為管片外徑，m；L為管片長(zhǎng)度，m；a為注漿率。注漿率a一般根據(jù)設(shè)計(jì)資料及施工經(jīng)驗(yàn)，取為1.5～2.0。

3.5.3 注漿速度及時(shí)間

在掘進(jìn)過(guò)程中，需根據(jù)漿液凝結(jié)時(shí)間及掘進(jìn)速度來(lái)具體控制注漿時(shí)間。遵循“邊掘進(jìn)、邊注漿，不注漿、不掘進(jìn)”的原則。注漿量和注漿壓力達(dá)到設(shè)定值后才停止注漿，否則仍需補(bǔ)漿。在實(shí)際施工中注漿量是靠注入速度來(lái)控制的。注漿速度的計(jì)算式如下：

式中：v為注漿速度，m/s；Q為每環(huán)管片注入漿液量，m3；t為每環(huán)行程推進(jìn)時(shí)間，s。

3.5.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)。即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值和注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的90%以上時(shí)，可認(rèn)為達(dá)到了注漿質(zhì)量要求。實(shí)際施工過(guò)程中設(shè)計(jì)參數(shù)還需通過(guò)對(duì)地表及周?chē)ㄖ锉O(jiān)控測(cè)量結(jié)果的分析判斷，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使注漿效果達(dá)到更佳。

3.6 同步注漿的注漿方式

同步注漿一般采用自動(dòng)控制注漿方式，上述同步注漿系統(tǒng)即為自動(dòng)注漿。每條注漿管路的出口處都裝壓力傳感器。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定最大注漿壓力時(shí)，注漿管路所連接的液壓油缸立即自動(dòng)停止工作；當(dāng)注漿壓力減小到設(shè)定的最小注漿壓力時(shí)，液壓油缸自動(dòng)啟動(dòng)重新開(kāi)始注漿。

3.7 同步注漿的注漿材料及要求

同步注漿一般選用凝固緩慢的單液漿，包括砂子、水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、水玻璃及一些添加劑等。選用的注漿材料應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

1）漿體收縮率要小。漿體凝固時(shí)產(chǎn)生的體積收縮率要小，其目的是減少地表變形。

2）漿體凝結(jié)時(shí)間要合適。初凝要快，即壓出去的漿體在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到初凝，使?jié){體不易流失，保證壓漿質(zhì)量；終凝要慢，即壓出去的漿體在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)應(yīng)具有塑性，這樣可防止破壞盾尾密封裝置。

3）漿體要有一定的強(qiáng)度。漿體的作用之一是支護(hù)地層，不使地層產(chǎn)生沉降變形，所以要求漿體在凝固前要有一定的早期強(qiáng)度。

3.8 同步注漿日常維護(hù)

1）每環(huán)開(kāi)始掘進(jìn)前，需要先拌制足夠一環(huán)使用的漿液打入砂漿罐。

2）當(dāng)開(kāi)始掘進(jìn)后，保證砂漿罐儲(chǔ)存的漿液能夠滿(mǎn)足同步注漿要求，保證施工的連續(xù)性。

3）嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量。做好地面變形情況及地表監(jiān)測(cè)分析，及時(shí)調(diào)整注漿量。

4）要合理控制注漿壓力，盡量做到填充而不是劈裂。

5）每次注漿結(jié)束后必須清洗注漿泵和注漿管路，防止殘余漿液在泵內(nèi)和管道內(nèi)凝固而造成堵泵、堵管。

6）如果正在注漿時(shí)發(fā)生故障無(wú)法繼續(xù)注漿，必須將管道內(nèi)和泵內(nèi)的砂漿排出，并清洗管路和泵。

4 結(jié)語(yǔ)

同步注漿作為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的輔助系統(tǒng)之一，在盾構(gòu)施工中起著極為重要的作用。注漿材料的選用、漿液的配比、注漿量及液漿壓力的監(jiān)測(cè)等，每個(gè)環(huán)節(jié)都不得忽視。只有在實(shí)際施工中不斷積累、不斷優(yōu)化，才能保證盾構(gòu)施工的安全性，從而提高盾構(gòu)施工的效率。隨著地鐵建設(shè)的需求量增大，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)及其同步注漿將進(jìn)一步得到廣泛應(yīng)用。

[1]楊華勇，龔國(guó)芳.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及其液壓技術(shù)的應(yīng)用[J].液壓氣動(dòng)與密封，2004（1）：27-28.

[2]楊華勇，趙靜一.土壓平衡盾構(gòu)電液控制技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.