土壓平衡盾構機的同步注漿

張英嬋

（太原重工股份有限公司技術中心， 山西 太原 030024）

隨著當前我國基礎設施建設的加強，鐵路、公路交通行業將實現跨躍式發展，與基礎建設相適應的盾構施工設備需求增長迅速。

1 盾構機

盾構機是軟巖或土質地層地下工程的主力施工機械，常用于地下隧道的開挖。集機械、電子電器、液壓、傳感技術于一體，自動化程度較高，除主要的液壓控制系統和電氣控制系統外，還有油脂潤滑系統、冷卻水循環系統、壓縮空氣系統、泡沫和膨潤土系統、同步注漿系統、二次通風等多個輔助系統。

1.1 盾構機的設備組成

圖1為盾構機的設備圖，主要設備有驅動刀盤、盾體、螺旋輸送機、管片安裝機及后部拖車。輔助系統安裝于拖車上。

圖1 盾構機設備

1.2 盾構機的基本工作原理

在盾殼的保護下，使用推進油缸提供動力掘進；掘進同時，主驅動帶動刀盤旋轉切削掌子面土體；切削下來的渣土經螺旋輸送機排出至皮帶機，再經皮帶機運輸到渣土車運往洞外。管片拼裝機拼裝管片，完成對隧道洞壁的襯砌；襯砌管片的同時，同步注漿，使漿液迅速填滿管片與地層的空隙，以控制地層變形，減少沉降[1]。

2 土壓平衡盾構機

近幾年來，國內許多城市的地鐵建設正在如火如荼地進行。盾構施工中的關鍵就是要求施工時對土體的擾動要小。各地依據其地質條件及周圍環境的勘測資料，將土壓平衡盾構機廣泛運用于地鐵隧道的挖掘。

2.1 土壓平衡盾構機的特點

土壓平衡盾構機掘進時，旋轉刀盤抵住掌子面削挖土壤，削挖出來的渣土直接用作支護介質；同時渣土通過刀盤上的開口進入開挖倉，與開挖倉內的已有膏狀渣土混合，安裝于刀盤和土倉壓力隔板的攪拌臂對渣土進行攪拌，使其達到所需要的質地。開挖倉內膏狀土體的同時承受由壓力隔板傳來的推進油缸的推力[2]。

2.2 土壓平衡狀態

在盾構機掘進過程中，必須維持開挖面地層的穩定和防止地層變形。這時就需要盡量保持土壓平衡狀態。

土壓平衡狀態就是要求開挖倉內的土體壓力與周圍土壤和地下水的壓力近似相等。也就是說，掘進時要控制盾構機切削的土體體積與螺旋機排出的土體體積大致相等，此時，土艙壓力接近于掌子面的土水壓力，即達到了土壓平衡狀態。在土壓平衡狀態下，盾構施工對土層的擾動最小。

3 同步注漿

土壓平衡盾構機的盾構在施工中，隨著盾構的向前推進，盾構盾尾外徑與管片外徑之間的差值將會在管片背后產生盾尾建筑空隙。這一空隙若不及時填充，管片周圍的土體將會松動甚至發生坍塌，從而導致地表沉降等不良后果。為此必須采用同步注漿手段及時將盾尾建筑空隙加以充填。

同步注漿是指在盾構機前進的同時，對由于盾尾脫出形成的管片與土層之間的空隙進行注漿的過程。

如圖2所示，土壓平衡盾構機的盾尾配有多條注漿管和油脂管。漿液通過注漿孔進入盾尾空隙，油脂通過油脂孔進入密封刷圍成的區域內，盾尾與管片之間通過密封刷與油脂進行密封，以防止漿液流入盾體內。

圖2 盾尾注漿示意圖

3.1 同步注漿的作用

同步注漿通過同步注漿系統來完成。在盾構機向前推進、盾尾空隙形成的同時，漿液在盾尾空隙形成瞬間及時填充，從而使周圍巖體及時獲得支撐，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；有效控制管片環與環之間的高度差，避免管片推出盾尾后上浮或下沉引起的管片破裂。在地層穩定性差且采用土壓平衡模式掘進時，同步注漿的重要性更加突出和明顯。

3.2 同步注漿的特點

盾構機向前推進時，邊推進、邊注漿；當盾構機推進結束時，停止注漿。

3.3 同步注漿系統的工作原理

同步注漿系統是土壓平衡盾構機不可缺少的重要組成部分。圖3為同步注漿系統的工作原理圖。如圖3所示，砂漿罐與注漿泵布置在盾構機后部的拖車上，砂漿罐中裝有攪拌器。注漿泵口連接的注漿管路經過連接橋進入盾體內部的盾尾。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，檢測注漿壓力，以此判定注漿結果。圖3中所示的其余管路為注漿備用管路，用于防止盾尾內注漿管發生堵塞。

圖3 同步注漿系統工作原理圖

由注漿泵將砂漿從砂漿灌內抽出，經注漿管路直接輸送到盾尾注漿口。當注漿壓力達到設定壓力后，自動停止注漿。

3.4 同步注漿系統的主要設備

同步注漿系統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

電機帶動液壓泵輸送壓力油，壓力油經調速閥進入控制閥組，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。

注漿系統開始工作時，控制閥組控制吸漿口油缸活塞桿縮回，打開吸漿口；同時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。吸漿過程結束后，控制閥組再次工作，吸漿口油缸活塞桿伸出，封閉吸漿口；同時出漿口油缸活塞桿縮回，打開出漿口；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速閥調節。漿液輸送油缸裝有計數指示器，可根據計數器上的讀數了解每根注漿管內的注漿量。

3.5 同步注漿系統的主要技術參數

3.5.1 注漿壓力

注漿壓力是根據地層的土壓力、水壓力、管片強度及地面監測情況綜合判斷而設定的，在實際掘進中將不斷優化。

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

根據設計資料和施工經驗，注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水土壓力，一般設定在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等諸多因素，實際上沒有一個明確的規定值，通常按如下列公式進行計算。

注漿量的計算公式：

式中：V為計算空隙量，m3；D1為刀盤最大直徑，m；D2為管片外徑，m；L為管片長度，m；a為注漿率。注漿率a一般根據設計資料及施工經驗，取為1.5～2.0。

3.5.3 注漿速度及時間

在掘進過程中，需根據漿液凝結時間及掘進速度來具體控制注漿時間。遵循“邊掘進、邊注漿，不注漿、不掘進”的原則。注漿量和注漿壓力達到設定值后才停止注漿，否則仍需補漿。在實際施工中注漿量是靠注入速度來控制的。注漿速度的計算式如下：

式中：v為注漿速度，m/s；Q為每環管片注入漿液量，m3；t為每環行程推進時間，s。

3.5.4 注漿結束標準

注漿結束采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準。即當注漿壓力達到設定值和注漿量達到設計值的90%以上時，可認為達到了注漿質量要求。實際施工過程中設計參數還需通過對地表及周圍建筑物監控測量結果的分析判斷，進行參數優化，使注漿效果達到更佳。

3.6 同步注漿的注漿方式

同步注漿一般采用自動控制注漿方式，上述同步注漿系統即為自動注漿。每條注漿管路的出口處都裝壓力傳感器。當注漿壓力達到設定最大注漿壓力時，注漿管路所連接的液壓油缸立即自動停止工作；當注漿壓力減小到設定的最小注漿壓力時，液壓油缸自動啟動重新開始注漿。

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、膨潤土、水玻璃及一些添加劑等。選用的注漿材料應滿足以下要求：

1）漿體收縮率要小。漿體凝固時產生的體積收縮率要小，其目的是減少地表變形。

2）漿體凝結時間要合適。初凝要快，即壓出去的漿體在短時間內達到初凝，使漿體不易流失，保證壓漿質量；終凝要慢，即壓出去的漿體在長時間內應具有塑性，這樣可防止破壞盾尾密封裝置。

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

3.8 同步注漿日常維護

1）每環開始掘進前，需要先拌制足夠一環使用的漿液打入砂漿罐。

2）當開始掘進后，保證砂漿罐儲存的漿液能夠滿足同步注漿要求，保證施工的連續性。

3）嚴格控制同步注漿量和漿液質量。做好地面變形情況及地表監測分析，及時調整注漿量。

4）要合理控制注漿壓力，盡量做到填充而不是劈裂。

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

6）如果正在注漿時發生故障無法繼續注漿，必須將管道內和泵內的砂漿排出，并清洗管路和泵。

4 結語

同步注漿作為土壓平衡盾構機的輔助系統之一，在盾構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測等，每個環節都不得忽視。只有在實際施工中不斷積累、不斷優化，才能保證盾構施工的安全性，從而提高盾構施工的效率。隨著地鐵建設的需求量增大，土壓平衡盾構機及其同步注漿將進一步得到廣泛應用。

[1]楊華勇，龔國芳.盾構掘進機及其液壓技術的應用[J].液壓氣動與密封，2004（1）：27-28.

[2]楊華勇，趙靜一.土壓平衡盾構電液控制技術[M].北京：科學出版社，2013.