小浪底引黄工程盾构法隧道壁后注浆技术的应用

赵文静¹ 裴国栋²

（1、山西省小浪底引黄工程建设管理局，山西太原 030002；2、山西省小浪底引黄工程建设管理局，

山西太原 030002）

摘要：盾构机在隧道施工决掘进的过程中，因为盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径，随着盾构在施工过程中的不断掘进，造成周围土体与管片之间存在一定程度的空间间隙，为了填充这些空间间隙，就要在盾构机掘进过程中，靠某一固定的压力源源不断地从盾尾向空间间隙注浆，以减少局部塌方引起的地表沉降，提高隧道抗渗性以及管片初砌的稳定性。本文中以小浪底引黄工程Ⅶ标盾构法隧道壁后注浆为例，浅述盾构施工隧道壁后注浆工技术的应用。

关键词：壁后注浆;防水；注浆工艺

１、引言

盾构掘进是在盾构保护下的一种地下掘进施工方法。壁后注浆作为盾构隧道施工整个过程的一个重要的步骤,在预防和减少地形表面变形,减少隧道的沉降,增强了管片与土体之间的防水性,提高衬砌的整体受力。本文以小浪底Ⅶ引黄工程标准土洞段为例,浅述盾构隧道壁后注浆技术的应用。

2、水文地质情况

小浪底引黄工程Ⅶ标土洞段位于黄河一级支流涑水河的左岸，洞线横跨沙渠河、小涧河。沙渠河的一个一级支流是涑水河，在北方属间歇性季节河流，沙渠河的一个支流为小涧河，河谷常年流水。工程区沿线地面高程530-600m，地形总体向隧洞出口方向逐渐降低。

3、工程概况

小浪底引黄工程Ⅶ标土洞段全长5.616km，桩号47+350.0-52+966.0，设计纵坡1/3000，设计流量16.25m³/s。设计为平板式单层预制钢筋混凝土管片衬砌，本盾构施工采用S-1036泥水平衡式盾构机，自下游向上游掘进。盾构机最大开挖直径为5.46m。小浪底引黄工程Ⅶ标土洞段采用管片的厚度为350mm，外径为5.22m，内径为4.52m，宽度为1.5m。衬圈内块数的组合为一个圆心角为22.5⁰顶密封块、两个圆心角为67.5⁰相邻块和三个圆心角为67.5⁰标准块，预制管件是由一个个环连接而成的。盾壳保护着管片，并在盾壳的空间间隙内组装。采用装配方式是2/3径向搭接，1/3纵向搭接，采用错缝拼接。管片之间采用16根M30环形和12根M30纵向的弯曲螺栓连接。

4、隧道壁后注浆目的和原理

4.1、隧道壁后注浆目的

由于盾构机的刀盘的外径5.46m，大于管片的外径5.22m，当盾构机外壳脱离管片后，管片外围将存在一定的建筑空隙，盾构隧道壁后注浆可以有效填补这种建筑空隙，其目的主要有三个方面：

当盾构机壳体与管片分离时，管片外会有一定的空间间隙。盾构隧道壁后注浆可以很好的地补充这个空间间隙建。注浆的目的有三个主要方面:

 (1)有效地填充了盾尾的空间间隙，支撑管片地层表面结构，控制了因土体坍塌而导致的地层表面沉降；

 (2)盾构施工的第一道防水墙就是凝结的浆液，减少因管片与土体之间存在间隙而漏水的可能性，从而提高了工程的防水能力

（3）使管片受力均匀，同时和周围地层一体化，对管片起到约束、固定作用，防止管片上浮，有利于方向的控制，以确保盾构在隧道掘进的时候保持稳定前行。

4.2、隧道壁后注浆原理

通过压力泵将流动性好、稳定、具有合适初始凝结时间的浆体注入管片与土体之间的空间间隙。并且在浆液自身的重力和强大压力的作用下，流动到空间间隙的每一处，浆液在拟定的时间内凝固，可以有效地填充管片与土体之间的空间间隙，就是盾构隧洞壁后注浆的基本原理。

5、隧道壁后注浆方式和特点

经验总结得出，隧道围岩变形是一个复杂的现象，由于它的施工环境是由地下水位、地质、开挖断面、埋深、施工工艺等诸多因素交织在一起而导致的，而对于封闭环境作业下的盾构来说，管片壁后的注浆是导致隧道围岩变形的主要原因。开挖后的空间空隙在离开盾尾后，一段时间内几乎处于无支撑的情况，地面表层沉降程度直接取决于它的变形或局部塌陷。因此，在盾构掘进的施工过程中，壁后注浆技术对提高盾构隧道结构的稳定性具有重要作用。

结合小浪底引黄工程施工Ⅶ标地质情况，本工程壁后注浆分为同步注浆与二次注浆，以同步注浆为主，二次注浆为辅，注浆浆液采用普通硅酸盐水泥。强度等级不低于42.5。浆液配比见表1：

表1  浆液配比和性能指标表

管片在组装完成之后，要进行同步注浆，然后通过管片的注浆孔进行二次注浆来进行进一步的加固，以便使注入的浆液尽快凝固稳定，达到防止管片周围出现局部沉降的现象。

5.1同步注浆工艺

要求同步注浆的浆液的压力值在盾构隧道掘进的过程中，高于该工作面的静态水压力和土压力之和,有效地填充管片和土体之间的整个空间空隙，而又不让产生劈裂,依据小浪底引黄工程Ⅶ标土洞段的地下水位情况,注浆浆液压力值的范围一般控制在0.2 - 1.1 MPa之间。

当盾构在隧洞中掘进的过程中，储浆槽中的注浆浆液通过注浆泵泵出，连接到由4组Φ50mm的输浆管道，最后通到4根在盾尾壳体内的注浆管，对管片与土体之间的空间间隙进行同步注浆，见图1。

图1  同步注浆示意图

注浆量和注浆压力的大小通过每条输浆管道上的一个压力传感器来实现自动控制，并且在每个注浆点都布设有监控摄像头监控；且每条注浆管的管道上都设有两个阀门，在注浆压力达到最大的时候，注浆泵就会自动关闭，而当注浆压力达到最小的时候，注浆泵自动打开，继续进行注浆。注浆时间应根据注浆浆液的凝结时间和掘进的快慢来。争取实现“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”的局面。注浆流程见图2。

图2  注浆流程

5.2二次注浆工艺

二次注浆的浆液是通过管片上注浆孔注入的，如图3。注浆设备、水泥、水玻璃等由内燃机车运输至注浆位置，现场拌制，注浆量按照1.5倍的管片外环形空隙体积，注浆压力为0.1Mpa-1.1 Mpa。

图3  二次注浆施工现场

6、防水设计

如果壁后注浆的质量差的话，会使填充不密实，不能使围岩和衬砌整体协调受力，如果管片受力不均匀的话，局部形状变形就会过大，第一道防水墙失去作用从而引起漏水，引起很多麻烦，从而得知，壁后注浆的重要性。

防水原则是以高强度抗渗的混凝土为主，以管片之间的接缝防水为附。

6.1管片自防水

管片采用c45预制混凝土，其抗渗标准是W10，采用的养护方式是蒸汽养护，见图4。

                 图4  管片蒸汽养护

6.2管片接缝防水

接缝防水的第一道防线：弹性密封垫。弹性橡胶密封垫的材质是由三元乙丙橡胶及遇水膨胀橡胶组合而形成的，为了避免浆液和盾尾油脂出现渗漏的现象，管片止水条外弧面外缝不能太大。本标段隧洞地下水位变幅区间0-90m，接缝设计水压按照低水头2-3倍，高水头1.5-2倍考虑，管片接缝设计水压按11.6 Mpa考虑。

第二道防线：嵌缝防水。嵌的缝防水材料是双组份聚硫密封胶。

7、结语

隧道壁后注浆是盾构施工掘进过程中的重要环节，是填充管片和土体之间会出现空间间隙的一项重要技术。在隧道掘进施工过程中，壁后注浆质量的好坏，直接影响着隧洞的第一道防水，地层表面沉降等。由于壁后注浆是隐蔽工程，一旦覆盖，很难检测，所以，在施工过程中，严格把好每一关。希望盾构法隧道壁后注浆技术在小浪底引黄工程Ⅶ标的成功应用，为其他类似工程提高一点参考价值。

参考文献

[1]张凤翔.盾构隧道.人民交通出版社.2004.(09)

[2]李旭阳、周文、何国伦．浅析盾构法隧道的防水与堵漏.《矿业安全与环保》2001.（06） 

[3]崔玉章、魏新江、洪杰．盾构隧道壁后注浆机理及对周边环境的影响．《防灾减灾工程学报》2010.（09）