盾构法隧道施工同步注浆技术

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盾构法隧道施工同步注浆技术

1 盾构法隧道施工

1.1盾构法隧道施工历史回顾

盾构法是在软土地基中修建隧道的一种先进的施工方法，用此法修建隧道在欧洲、美国己有160年的历史。盾构机最早是由法国工程师M.I.Brunel于1825年从观察蛀虫在木头中钻洞，并从体内排出粘液加固洞穴的现象，从仿生学角度研制发明的。并于1843年由改进的盾构在英国伦敦泰晤士河下修建了世界上第一条矩形盾构(宽11.4m，高6.8m )隧道，全长458m。其后，P. W.Bahow于1865年用直径2.2m圆形盾构又在泰晤士河下修建一条圆形截面隧道。1874年，J.H.Greathead第一次采用气压盾构，并第一次开始在衬砌背后进行压浆，修建了伦敦城南线地铁。1880～1890年间，用盾构法在美国和加拿大的圣克莱( St.Clair)河下建成一条直径6.4m，长1870m的Sarnia水底隧道。仅在纽约，从1900年后，使用气压盾构法先后成功地修建了25条重要的水底隧道。

盾构隧道在用于修建地下铁道，污水管道时，得到了广泛的应用。前苏联自1932年开始用直径6.0m及直径9.5m的盾构前后在莫斯科、列宁格勒等地修建地下铁道的区间隧道及车站。在德国慕尼黑和法国的巴黎的地下铁道修建中，均使用了盾构掘进法。日本于1922年开始用盾构法修建国铁羽线折渡隧道。从六十年代起，盾构法在日本得到了飞速发展，土压平衡盾构就是七十年代发明的。

我国第一个五年计划期间，在东北阜新煤矿，用直径2.6m的盾构进行了疏水巷道的施工。1957年起在北京市区的下水道工程中采用过直径2.0m及直径2.6m的盾构。上海从1960年起开始了用盾构法修建黄浦江水底隧道及地下铁道的实验研究，从1963年开始在第四纪软弱饱和地层中先后用直径4.2m、5.6m、10.0m、3.6m、3.0m、4.0m、6.2m等十一台盾构机进行了实验隧道，地铁区间隧道扩大实验工程、地下人防通道、引水及排水隧道工程等的施工。近年来又用国际上先进的土压平衡盾构(EPB)修建了地铁一、二号线，标志着中国的盾构隧道施工水平跨入了世界先进水平。

盾构法施工经过一百余年的发展日趋成熟，能适用于各种水文地质条件

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下的施工(松软的、坚硬的、含水与不含地下水层)，目前对盾构施工的研究研究分成两类，第一类是着眼于盾构机的改性研究，如:采用同步注浆法代替管片压浆法，采用土压或泥水压力来平衡开挖面的稳定性、盾构切割面形状的研究等等。第二类是研究盾构隧道推进过程中对周围地层的扰动，包括:盾构对前方土体挤压效应，地应力及地层孔隙水压力变化、地表变形及对周围建筑物、管线群的影响，盾构周围土体破坏方式，盾尾特性及压浆、超挖、推进速度、土仓压力等施工参数与地表变化的关系等等。

1.2盾构法隧道的国内外研究成果

著名教授R.B.Peck在1969年墨西哥召开的国际土力学和基础工程会议上，提出了隧道设计三大准则:

隧道设计应保证安全，保证开挖面的稳定；不应对周围设施(地上及地下)产生太大的破坏和扰动；在寿命范围内能抵抗它所受到的各种影响。

这三条准则至今仍为世界各国视为准绳，具体说来就是： 在隧道掘进中，开挖面超载系数O.F.S <6，如遇到特别低的Cu值，要辅助以相应的平衡压力〔如气压、土压或泥水压力)，使O.F.S小于6，所以根据特定地层的O.F.S值，可以作为选择掘进方式和盾构机类型的依据之一，也是决定辅助施工方法的关键因素。

隧道施工中产生的短期及长期沉降(反映土层的扰动程度)要小；管片或内衬设计要合理，防止地下水的渗漏，并满足强度、刚度等要求。目前的生产及科研均围绕此轴心进行。

盾构隧道中，控制盾构机切割舱压力(水、土)是掘进中最重要的一环，开挖面的稳定性跟土体特性、隧道几何尺寸，舱压均有关系。英国学者R.J.Mair在80年代通过Cambridge大学的离心模型机试验，揭示了稳定性与地表沉降的数据关系：当地表沉降大于直径的0.025倍时，临界压力为下临界压力(软土盾构隧道)。

盾构机通过后，会对附近的土体产生扰动，表现为瞬时变形，塑性区的形成和扩展区。关于隧道施工引起的地表沉降的计算理论，大约是从几十年前在煤矿坑道的上方发生结构物的沉降和破损问题的研究开始的，而在软土地层中盾构隧道引起的地层移动和地表变形则只有30多年历史。

关于盾构隧道地表变形的预估方法的探讨是较为活跃的，有许多成果、公式。日本学者小岛田长板于1978年提出了隧道周围土层“松动区域”和“压缩区域”的概念计算地表沉降，并提出最大沉降量预报方法；墨西哥学者D.Resendiz和M.Romo根据开挖面应力释放和土体径向位移值，建立了包

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括应力～应变关系、图性参数、几何参数的地表沉降预估公式。

国内，侯学渊结合上海地区饱和软粘土盾构法的特点，提出了考虑时效的最大沉降量的预估法。

2 注浆法的发展历史

注浆技术是一项实用性强、应用范围广的工程技术，它已被广泛地应用于矿山、地下建筑、大坝、隧道、地铁、桥梁和土木工程等各个领域。主要用于减小岩土的渗透性、增加其强度或降低地基土的压缩性。为了达到预期目的，用钻机将注浆孔钻到预定土层后，将浆液以压力注入，直至注浆点周围孔隙或裂隙被浆液充填到满足设计要求为止。另外，注浆技术也被用来修复各种构筑物混凝上的裂缝。

注浆技术己有200年的发展历史，其发明者是法国土木工程师查理斯·贝里格尼(Charles Bering)。十九世纪初，他采用注浆技术修复被水流侵蚀了的挡潮闸的砾砂土地基。这是在基础工程历史上第一次应用注浆技术。

人工“压浆泵”的首次使用是在1845年，由美国的W· F·沃森(W ·E ·Worthen)在一个溢洪道陡槽基础下注入水泥砂浆。1854年又进行了闸墩砌体的加固。那时，注浆仅用作处理地基，而不被认为是一种施工方法。

化学浆液用于固砂是在1884年，由英国的豪斯古德（H osagood）在印度建桥时首次采用。自此，化学注浆法在印度问世。1886年，W·R·奎尼普尔（W ·R · Kinniple）采用粘土水泥砂浆阻止尼罗河的达梅塔（Dmietta）和罗萨塔（Rosetta）坝基下的地下渗流。同时，英国研制了“压缩空气注浆泵”，促进了水泥注浆法的发展。

注浆技术的进一步发展和广泛应用是在矿井建设工程中，主要用于防止竖井开挖时地下水渗入。所采用的浆液是水泥浆液。1910年采用了自动记录压力表，对记录的注浆性状作了系统的研究，建立了注浆压力和渗透性之间的关系。1920年荷兰采矿工程师E·J·尤斯登(Joosten)首次论证了化学注浆的可靠性，采用了水玻璃、氯化钙双液双系统的两次压注法，并于1926年取得了专利。

注浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛(Hoover)坝基的帷幕注浆，为了补救因开挖基坑引起的裂缝，进行了加固注浆。根据胡佛坝基的注浆工程实践，首次制定了注浆工程设计和施工规范。

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上世纪40年代，注浆技术的研究和应用得到了迅速的发展，各种水泥浆材和化学浆材相继问世。特别是60年代以来，各国大力发展新型注浆材料，注浆工艺和设备得到了空前的进步，其应用范围越来越广。我国对注浆技术的研究和应用起步较晚，但发展较快。某些方面己达到世界先进水平。50年代初期我国开始了矽化法的研究，在固砂、防止湿陷性黄土的湿陷和加固构筑物方面作了大量的工作。同时，矿山行业逐渐采用了井巷注浆技术。50年代后期，在水坝的防渗和加固工程中逐渐应用。60年代以后，我国己开始注意化学注浆的毒害及环境污染问题，并提出一系列的改进方法，其应用范围日益广泛。

3 盾构法隧道施工中同步注浆技术的运用

3.1同步注浆浆液的填充机理

同步注浆是盾构一边向前推进，一边不停地向管片背部建筑空隙加压注浆材料的一种注浆方法，用不间断的加压，使注浆材料在充入建筑空隙后，没有达到土体相同强度前，能保持一定的压力和土体相当，从而使地面沉降控制在最小的范围。使用同步注浆，注浆材料会向盾构开挖面渗透，影响盾构开挖面。上海地铁盾构采用的使由法国FCB公司引进的 6300mm土压平衡盾构(EPB)，土压平衡盾构由于在切削刀盘内滞留切削土，盾尾带有密封装置，不会因注浆材料向盾构开挖面渗漏而影响盾构施工，是适合采用同步注浆施工的。

目前双液型的注浆材料己经成为盾构工法中盾尾同步注浆材料的主流，同时在硬土地层中采用盾构工法，其盾尾的注浆材料应采用瞬间固结型材料，而在软土地层中则使用可塑状固结型注浆材料。

注浆材料如果单纯从成分上可以分为单液型和双液型两种。单液型浆液是在搅拌机等搅拌器中一次拌和成为流动的液体，再经过液体～固体的中间状态(流动态凝结及可塑状凝结)后，固结(硬化)。譬如常用的水泥砂浆类浆液。双液浆液通常是指化学注浆，即把A液〔水泥类)和B液(通常是水玻璃类作硬化剂)两种浆液混合，变成胶态溶液，混合液的粘性随时间的增长而增长，随之进入流动态固结和可塑态固结区。

单液浆液由于水泥的水化反应非常缓慢，所以达到固结需要几小时至几十小时不等。特别是惰性浆液，不发生化学凝固，所以固结时间更长。而双

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液型浆液的凝胶时间通常很短(0秒～60秒)，按凝结时间来分，双液型浆液又可以被分为缓凝型、可塑型、瞬凝型三种类型。由于不同浆液凝结时间不一样，所以各自填充空隙的机理大相径庭: (1) 单液型浆液。如图3-1所示：

① 第一批进入的浆液 ② 第二批注入的浆液 ③ 第三批注入的浆液 ④ 没有充填到的部位 图3-1单液型浆液填充机理

由于在单液型浆液在注浆时是没有完全自立性的流体，所以具有非常平缓的倾斜(由流动性的好坏决定)充填，形成后注浆液顺次推压先注的浆液，使浆液逐渐充填到前方的形态。由于是流体状压入，浆液易流失到管片背部建筑空隙之外其他部位(比如开挖面、周围土体等)并且易受地下水影响。而最应该注入的区域，特别是管片的顶端部位却很难充填到。 (2) 缓凝型浆液(30s～60s)，充填形态如图3-2所示。

浆液的流路 ① 第一批进入的浆液 ② 第二批注入的浆液 ③ 第三批注入的浆液 ④ 没有充填到的部位

图3-2缓凝型浆液填充机理

在凝胶前，由于流动性非常好，所以和单液型浆液一样，可以实现平缓的小坡度的大范围的充填。凝胶后的浆液，在经过较短的可塑态区后，若再过渡到固结区(固体)，则浆液自身就不再流动。所以后来的浆液，在未凝胶

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