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盾构机同步注浆系统单液浆改双液浆施工技术

摘要:针对呼和浩特地铁盾构隧道穿越的地层主要为砂卵石地层并夹杂有粉细砂层透晶体,地下水丰富、水位高、补给迅速。在盾构施工中通过探索、对现有的中铁装备生产的盾构机(中铁 346 号)同步注浆系统进行改造,将单液浆改为双液浆,在盾构机掘进时同步注浆注入双液浆。由于双液浆具有初凝时间短、抗渗能力强等优点,可以减小管片错台和上浮、降低盾构机在掘进过程中渗漏水及地表沉降的风险,保证了盾构隧道施工的安全与质量,提高了工效。
1 引言
  随着国内城市地铁工程的大规模的建设,盾构法隧道施工技术逐步发展成为各个地下空间开发领域的主流施工技术。盾构法具有安全开挖和衬砌,掘进速度快;盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业,施工劳动强度低;不影响地面交通与设施,不影响地下管线等设施;穿越河道时不影响航运,施工中不受季节、风雨等气候条件影响,施工中没有噪音和扰动;适用地层土质范围广等优点。在盾构掘进过程中的同步注浆可以防止土体松弛下沉、减少地表沉降、保持隧道衬砌的早期稳定、提高衬砌接缝防水性能,保证隧道工后不变形、不下沉、不漏水。同步注浆对隧道质量起着关键作用。直接关系到周边构建筑物的安全和整个施工过程的安全,已成为盾构法隧道质量成败的关键因素之一。
  盾构机同步注浆系统单液浆改双液浆施工技术成功运用到呼和浩特市轨道交通 1 号线一期工程孔家营站~呼钢东路站区间右线盾构施工,设备改造成功,操控方便,盾构隧道成型质量优良。中铁工程装备集团有限公司售后服务人员对同步注浆系统改造给予了很高的评价,后续在盾构机设计和再制造过程中将借鉴我项目部的施工经验,使盾构机设计更加合理、适应地层范围更加广泛,控制隧道质量更加有力。
2 工艺特点
 (1)在盾构机上新增一套 B 液注浆系统,将原有的同步注浆单液浆系统改造成 A 液系统,A、B液在盾尾混合器处混合形成均匀双液浆,然后在盾构机掘进时同步注双液浆。为防止双液浆回流堵塞管道对出浆口进行改造设计。
 (2)盾构机同步注浆系统单液浆改双液浆的想法和方案为盾构机设计与制造提供了新思路,使盾构机适应地层范围更加广泛,控制隧道质量更为有力,本工艺在国内盾构施工中尚属首次。
 (3)本工艺能够有效的利用盾构机台车空间,安装便捷,操控方便,使得施工更加自动化、智能化。
 (4)盾构机同步注浆系统单液浆改为双液浆成本较低,改造过程简单,易于实现。
 (5)盾构施工采用双液浆进行同步注浆,浆液能够在短时间内凝结并产生较大强度,及早填充了管片周边的空隙,稳固了地层,减少了地层扰动和沉降,有利于管片的稳定,对控制管片上浮、隧道渗漏水有明显的效果。
3 工艺原理
  在盾构隧道施工过程中,当盾构机掘进后,在管片与地层之间、管片与盾构机盾尾壳体之间将存在一定的空隙,为防止土体松弛下沉、减少地表沉降、保持隧道衬砌的早期稳定、提高衬砌接缝防水性能,保证隧道工后不变形、不下沉、不漏水,需要在管片壁后环向间隙采用同步注浆方式填双液浆,如图 1 所示。
  在盾构施工同步注浆单液浆改双液浆过程中,采取了以下改造措施:
 (1)在盾构台车上添置了 B 液混合罐, B 液运输中转站,通过自动化控制实现了 B 液管道运输过程流量和压力的数字精确化控制;
 (2)利用盾构机原有的同步注浆系统,将原有的砂浆存储罐改造成 A 液中转站,通过自动化控制实现了 A 液管道运输过程中流量和压力的数字精确化控制;
 (3)在盾构机内部原盾尾注浆管口处加工 A、B 液混合器,在此产生混合均匀的双液浆以供同步注浆使用;
 (4)在同步注浆盾尾出浆口添加尼龙橡胶板,改造原有的圆孔出浆口,在出浆口形成类似单向阀的密封,防止双液浆回流堵塞注浆管路提高了盾构施工工作效率。
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 施工工艺流程
  盾构施工同步注浆单液浆改双液浆施工工艺流程为:A 液注浆系统改造→B 液注浆系统改造→A、B 液混合器设计、加工→出浆口设计、改造→双液浆配比设计→注浆量的控制计算。
4.2 操作要点
4.2.1 A 液注浆系统改造
  传统的同步注浆采用单液浆,砂浆在拌合站拌合均匀后通过管道输送至电瓶车的砂浆存储箱,然后再通过电瓶车的水平运输至盾构机台车上的砂浆存储管。中间程序繁多冗杂,见图 3。
  改造之后, A 液在砂浆拌合站混合好后通过管道直接输送至盾构机 1 号台车的砂浆存储罐,再通过柱塞泵加压输送到 A、B 液混器处。 A 液浆利用传统的同步注浆管道,注浆系统由液压泵站提供动力,浆液流量可以通过控制液压油流量来调整,4个出口装有压力传感器。在泵的冲程可检验的地方,每个活塞装有计数器,以至每条线上的浆液流量均可变化以适应盾构机的掘进速度。每个注浆点上的压力传感发出的信号可以用于控制注浆过程。在实际工作工程中 A 液压力分配阀上的 A 浆液出口并联 2 条 A 浆液同步注浆管道,通过电磁开关对 2条 A 液管道的不同步操作,通过 3 通管接头使 A 液在注浆管路里连续运输,最后送到混合器处。原理见图 4。
  对于 A 液的流量及注浆压力控制有 2 种方式:
  1)砂浆罐旁边有操作控制面板可实现监控,即本地操作。
  2)盾构机主控室有操控面板可以实现自动化控制。
4.2.2 B 液注浆系统改造
  单液浆改为双液浆需要新增加 B 液注浆系统,B 液注浆系统主要由水玻璃混合液罐、存储罐、离心式自吸泵、调比泵、注浆管路、控制器等组成;通过对盾构机整体分析,利用盾构机 5#台车剩余空间安装水玻璃混合液罐、存储罐、离心式自吸泵和调比泵,注浆管路出调比泵后沿着盾构台车向盾尾敷设,最终与 A 液在盾尾混合,安装混合器。
  水玻璃通过电瓶车运输至混合液罐内,根据试验配合比添加一定比例的水,利用空气搅拌使水玻璃溶液充分混合。再通过离心式自吸泵添加到 B 液存储罐内,存储罐里配有 2 对搅拌器,时刻对混合液进行搅拌。最后由注浆调比泵将其输送到 A、B液混合器处,注浆过程中控制流量和压力。原理如图 5 所示。
4.2.3 A、B 液混合器设计
  单液浆改为双液浆需要新增设混合器,混合器安装在盾尾内壁前端,A、B 液混合器结构为一个三通管接头加一个单向阀,单向阀安装在 B 液管路。
  B 液的注浆压力大于 A 液的注浆压力,另外由于 B液管路安装有单向阀,避免了 A 液流入 B 液导致堵管现象的发生,改造原理图见图 6 所示。
4.2.4 出浆口设计改造
  在盾构机盾尾原有的出浆管口增加一个橡胶尼龙板,在尼龙板上用刀片划“×”字形缝隙,然后将尼龙板四周固定,注浆时,带有压力的双液浆随着橡胶尼龙板变形,孔缝增大而完成盾尾同步注浆;不注浆时,橡胶尼龙板弹性变形消失,恢复原状,形成成一道密封堵在出浆口,防止盾尾浆液回流堵塞注浆孔。尼龙板的尺寸原理图如图 7 所示。
4.2.5 双液浆的最佳配比研究设计
  盾构施工同步注浆双液浆溶液主要包括两种溶液, A 液:水泥-膨润土浆液;B 液:水玻璃溶液。对于盾构施工同步注浆所用的双液浆我们提出2 个要求:
  1)初凝时间(双液浆凝结时间在 15~30s范围内;
  2)水玻璃波美度为 30~32°Be。
  通过实验确定了双液浆配比,具体见下表。
 (1)A、B 液的配合比及凝结时间 
4.2.6 注浆量的控制
  根据盾构机刀盘外径 6.43m,管片外径 6.2m,管片环宽 1.5m,可计算出理论建筑空隙为 3.42m³。
  根据规范要求,实际同步注浆量需达到理论建筑空隙的 1.3~1.8 倍,施工过程中取 1.5 倍,则同步注浆量(理论)V=5.13m³。
4.2.7 注意事项
 (1)由于双液浆的速凝特性,在进行同步注浆双液浆改造之后,我们将注浆孔集中到一点上注浆,需注意必须选则在左上或者右上部位。
 (2)双液浆每次注浆完成之后必须用膨润土浆液清洗管道,当出现长期停工等情况时管道里必须存储有一定量的膨润土稀浆液,以防止管道堵死。
5 材料与设备
  单液浆改双液浆,B 液系统设备全部为中铁装备推荐购买。需要添加的设备如表 3。
  A 液系统沿用原来的同步注浆系统,只是将原来的电瓶车运输浆液改为管路运输、将同步注浆间歇性注浆管路改为连续注浆管路。工艺装备配置符合工艺要求,满足生产效率,各工序能力平衡,技术先进适用。
6 应用实例及技术效益分析
  盾构机同步注浆系统单液浆改双液浆施工技术成功运用到呼和浩特市轨道交通 1 号线一期工程孔家营站~呼钢东路站区间右线盾构施工,设备改造成功,操控方便,盾构隧道成型质量优良。具体效益如下:
 (1)盾构机同步注浆系统单液浆改双液浆施工技术改变了传统注浆工艺,并对现有盾构机设备改造和后续盾构机设计提供了新思路。在富水砂卵地层盾构施工采用水泥浆-水玻璃双液浆实施盾构同步注浆,能够在短时间内凝结,有利于管片的早期稳定,对控制管片上浮和渗漏水有明显的效果。
 (2)盾构机同步注浆系统单液浆改双液浆施工技术的应用不但能满足同步注浆,还可实现二次注浆,节约了一套二次注浆设备。同时,该工艺的应用显著地提高了隧道成型质量,孔~呼区间右线首推 100 环均未出现渗漏,地表沉降值远小于控制值,大大降低了二次注浆频率和后期隧道堵漏施工。经测算,孔~呼区间右线 100 环盾构施工节约成本约 10 万元。
 (3)盾构机同步注浆系统单液浆改双液浆施工技术的应用提高了富水砂卵地层盾构施工质量与工效,降低了盾构隧道管片上浮、错台和渗漏水等现象的发生。建设单位、施工总承包单位和监理单位对我项目部采用本工艺给予了较高的评价,为我公司在地铁隧道盾构施工方面赢得了社会声誉。同时也为其它类似工程的施工提供了经验,取得了一定的社会效益。
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