盾构施工用二次注浆方法与流程

本发明属于土木工程隧道盾构施工技术领域，更具体地说，涉及一种盾构施工用二次注浆方法。

背景技术：

在隧洞盾构掘进施工中，管片与围岩之间的建筑空隙必须用注浆浆液填充，即注浆。注浆目的是：(1)及时填充盾尾建筑空隙，支撑管片周围岩体，有效地控制地表沉降；(2)凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水能力；(3)为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，有利于盾构掘进方向的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。注浆方式有同步注浆和二次注浆两种。同步注浆是通过盾尾注浆管在掘进的同时进行注浆；二次注浆是在管片脱出盾尾后，通过管片上的注浆用预留孔进行二次补浆。

但是，在硬岩富水区段常常出现“注浆量不足”而引起“管片上浮”等问题，隧洞质量难以保障，也容易引发质量和安全事故。“注浆量不足”的主要原因是，在硬岩富水区段，管片与围岩之间的建筑空隙中充满了高压液体(实际上是循环泥浆和地下水等的液体混合物，为描述方便，以下简称为高压液体)，由于围岩密实基本上是一个相对密封的空间，其中的高压液体很难进入围岩进行流通交换，因此此空间中的高压液体很难被排挤流走，造成浆液很难注入。

在类似隧洞盾构施工中，为了提高注浆量，普遍采取超压注浆(即提高注浆压力)的办法，但超压注浆会对盾尾刷及管片密封条构成威胁，极易造成管片裂纹、连接处漏水，严重时甚至会“击穿”盾尾刷，从而引发安全质量事故。可见，盾构施工中普遍采用的“超压注浆”方法存在很大的质量安全风险。

有鉴于此，确有必要提供一种安全、可靠、有效的盾构施工用二次注浆方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种安全、可靠、有效的盾构施工用二次注浆方法，实现在不损害盾尾刷及管片密封条安全的情况下，顺利完成盾构施工中的二次注浆。

为了实现上述目的，本发明提供了一种盾构施工用二次注浆方法，其包括以下步骤：

1)对于需要进行二次注浆的隧洞，在其管环上的不同位置开设注浆孔和泄压孔，在注浆孔中安装注浆阀，在泄压孔中安装泄压阀，泄压阀的临界压力设置为管片外空隙中高压液体压力的0.9～1倍；

2)通过注浆孔向管片外空隙注浆，注浆过程中，管片外空隙中的高压液体从泄压阀自动排出，从而实现连续注浆；

3)当发现有浆液从泄压阀流出时，停止注浆作业，封闭注浆孔。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，所述隧洞是由盾构掘进后拼装管片形成的，隧洞的每一管环的管片上都设有注浆用预留孔，二次注浆作业时是以管片上合适位置的预留孔作为注浆孔和泄压孔的。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，所述步骤2)注浆时所使用的浆液可以是密度小于管片外空隙中高压液体密度的轻质浆液，也可以是密度大于管片外空隙中高压液体密度的重浆液。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，当使用轻质浆液注浆时，泄压孔位于注浆孔所在管环且位置低于注浆孔，或是位于注浆孔前一管环且位置低于注浆孔或与注浆孔高度相近。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，当使用重浆液注浆时，泄压孔位于注浆孔所在管环且位置高于注浆孔，或是位于注浆孔前一管环且位置高于注浆孔或与注浆孔高度相近。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，在进行步骤1)之前，需要先对隧洞的管环进行开孔检查，检查时依次打开管环上的预留孔，检查预留孔中是否有气体喷出或者液体流出：如果同一管环上的全部预留孔都没有气体喷出或者液体流出，隧洞的这一管环无需进行二次注浆；如果同一管环上有一个或更多个预留孔中有气体喷出或者液体流出，这一管环需要进行二次注浆。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，如果同一管环上仅有1～2个高位预留孔中有气体喷出或者液体流出，直接以该管环的最高位预留孔作为注浆孔、以注浆孔所在管环的前一管环上的第二高位预留孔或最高位预留孔作为泄压孔，采用轻质浆液按照步骤1)～3)进行注浆，达成二次注浆施工目的。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，如果同一管环上有两个以上高位预留孔中有气体喷出或者液体流出，二次注浆的操作步骤如下：

首先以该管环上的最高位预留孔作为注浆孔、以同一管环上的一个或两个次高位预留孔作为泄压孔，采用轻质浆液按照步骤1)～3)进行注浆；

当封闭轻质浆液的注浆口后，将轻质浆液注浆的泄压阀更换为注浆阀，同时在注浆阀所在管片的前一管片上的预留孔安装泄压阀，然后采用重浆液向管片外空隙中注浆，直至发现有重浆液从泄压阀流出时，停止注浆作业，封闭注浆孔，达成二次注浆施工目的。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，所述注浆过程中，需要根据高压液体的压力变化对泄压阀的临界压力进行微调，以保证压力动态平衡。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，若需要进行二次注浆的隧洞太长且已经发生了管片上浮，在步骤1)之前，先用快凝物质注入管片外空隙制作止水环，把管片外的长空隙纵向分割为短空隙，再利用步骤1)～3)对短空隙进行分别注浆。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，在进行步骤1)之前，如果管片与围岩之间的空隙中存在气体，需要先在管环的最高位预留孔中插入放气管，将位于管片外空隙中的压缩空气放出，才能开始步骤1)。

作为本发明盾构施工用二次注浆方法的一种改进，如果需要进行二次注浆的管环是盾尾附近新推出的管环，需要使用油脂注入方法避免盾尾与新注入的浆液凝固后粘连。

与现有技术相比，本发明盾构施工用二次注浆方法是在盾构掘进过程中，采用与管片外空隙中高压液体基本等压的方式，在压力动态平衡状态下，用浆液置换管片外空隙中的高压液体，因此既能轻松有效地将浆液注入管片与围岩之间的空隙，有效保证足量的注浆量，又不会损害盾尾刷及管片密封条的安全，避免了常规超压注浆带来的安全质量事故，降低了盾构施工风险。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明盾构施工用二次注浆方法及其有益技术效果进行详细说明。

图1为一种常用的隧洞管环的结构示意图。

图2为图1中隧洞管环的俯视图。

图3为图1中隧洞管环的一个标准块的结构示意图。

图4为本发明盾构施工用二次注浆方法的一个实施方式的注浆流程图。

图5为本发明盾构施工用二次注浆方法的一个注浆实例示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

为了便于理解，首先对隧洞及其管环、管片进行简单说明。请参阅图1-3，隧洞是由盾构掘进后管片拼装成的管环组成的，每一个管片上都设有注浆用预留孔22。在一种典型的隧洞中，隧洞的每一管环由三个标准块200、两个邻接块202和一个封顶块204共六个管片拼装构成，其中的每一个管片上都设有一个注浆用预留孔22。

请参阅图4，本发明盾构施工用二次注浆方法包括以下步骤：

s1、对于需要进行二次注浆的隧洞，在其管环上的不同位置开设注浆孔和泄压孔，在注浆孔中安装注浆阀，在泄压孔中安装泄压阀，泄压阀的临界压力设置为管片外空隙中高压液体压力的0.9～1倍；

s2、通过注浆孔向管片外空隙注浆，注浆过程中，管片外空隙中的高压液体从泄压阀自动排出，从而实现连续注浆；

s3、当发现有浆液从泄压阀流出时，停止注浆作业，封闭注浆孔。

在本发明中，可以直接以隧洞管片上合适位置的注浆用预留孔22作为注浆孔和泄压孔，无需在管片上另外开孔。

在不同情况下，本发明步骤s2所使用的浆液可以是密度小于管片外空隙中高压液体密度的轻质浆液，也可以是密度大于管片外空隙中高压液体密度的重浆液(即普通的常规浆液)，只要能够在压力动态平衡控制调节下，以浆液等体积置换出管片后空间内的高压液体即可。

所述重浆液是指常规注浆用普通砂浆，其密度远大于水；轻质浆液是指对常规注浆用砂浆进行改造后获得的一种浆液，其将常规砂浆中的“砂”去掉，用轻质骨料如珍珠岩颗粒等代替，另外添加絮凝剂、减水剂、调凝剂等外加剂按一定配比调制而成。由此方法调制出的轻质浆液密度远远小于常规注浆用砂浆，可满足各种特殊场景下的使用。当用于本发明二次注浆时，轻质浆液的密度可调制为小于1(所用珍珠岩颗粒多为憎水型)，当用于同步注浆时，轻质浆液的密度可调制为1～1.4(所用珍珠岩颗粒可部分为憎水型，以降低造价)，可根据施工要求和用户需要进行调制。

当使用轻质浆液注浆时，泄压孔位于注浆孔所在管环且位置低于注浆孔，或是位于注浆孔前一管环且位置低于注浆孔或与注浆孔高度相近。

当使用重浆液注浆时，泄压孔位于注浆孔所在管环且位置高于注浆孔，或是位于注浆孔前一管环且位置高于注浆孔或与注浆孔高度相近。

根据隧洞同步注浆效果的不同，本发明盾构施工用二次注浆方法的具体步骤会有所不同。因此，在进行步骤s1之前，需要先对隧洞的管环进行开孔检查，从上到下依次打开管环上每一管片的预留孔，检查预留孔中是否有气体喷出或者液体流出，再根据具体情况进行二次注浆。对于图1-3中所示的管环来说，因为其整个管环存在六个预留孔22，因此开孔检查的结果共分为七种情况，分别是有0、1、2、3、4、5、6个预留孔22中有气体喷出或者液体流出。易于理解的是，因为隧洞施工同步注入的砂浆凝固体都是位于管片外空隙中的下半部分，因此没有气体喷出或者液体流出的预留孔都是相对低位的预留孔，有气体喷出或者液体流出的预留孔都比没有气体喷出或者液体流出的预留孔所在位置更高。

显而易见，有气体喷出或者液体流出的预留孔个数越多，说明隧洞的这一管环的同步注浆效果越差：6个预留孔中全部都有气体喷出或者液体流出时同步注浆效果最差，6个预留孔中全部都没有气体喷出或者液体流出时同步注浆效果最好。只有全部预留孔中都没有气体喷出或者液体流出时，隧洞的这一管环才无需进行二次注浆，其他有1～6个预留孔中有气体喷出或者液体流出的情况，都说明本管环管片与围岩之间的空隙没有全部被充填，因此需要进行二次注浆。

对于同一管环上仅有1～2个高位预留孔中有气体喷出或者液体流出的情况，直接以该管环的最高位预留孔作为注浆孔、以注浆孔所在管环或前一管环上的第二高位预留孔作为泄压孔(如果所在管环和前一管环上的第二高位预留孔都无气体喷出或液体流出，应采用前一管环上的最高位预留孔作为泄压孔)，采用轻质浆液按照步骤s1～s3进行注浆，即可达成二次注浆施工目的。

对于同一管环上有两个以上高位预留孔中有气体喷出或者液体流出的情况，二次注浆的操作步骤是先采用轻质浆液注浆，再采用重浆液注浆。下面以有3个高位预留孔中有气体喷出或者液体流出的情况为例，对具体注浆步骤进行说明。

请参阅图5所示的本发明盾构施工用二次注浆方法的一个注浆实例示意图，图中所示为隧洞的横截面，外环代表已掘进的围岩隧洞内壁，内环代表拼装好的管环。由于同步注浆效果不佳，内外环之间的空隙只有下部被同步砂浆40充填，其余的部分需要进行二次注浆充填。使用本发明的方法进行二次注浆时，步骤如下。

s20、首先以该管环上的一个最高位预留孔作为注浆孔安装注浆阀220、以同一管环上的一个或两个次高位预留孔作为泄压孔安装泄压阀240，采用轻质浆液向管片外空隙注浆，注浆过程中，管片外空隙中的高压液体30从泄压阀240自动排出，从而实现连续注浆。

二次注浆作业时，从最高位预留孔位置插入注浆管，向管片外空隙注入轻质浆液50，轻质浆液50的密度小于高压液体30的密度，因此注入后会漂浮在高压液体30上面，不会沉入高压液体30之下。轻质浆液50的注入会引起管片外空隙中高压液体30的压力升高，当高压液体30的压力高于泄压阀240的临界压力时，泄压阀240自动打开，高压液体30从泄压阀240中自动排出，形成了轻质浆液50与高压液体30的动态平衡置换。由于本发明在注入轻质浆液50的同时放出了管片外空隙中的高压液体30，因此二次注浆时不会造成管片外空隙中的压力升高而出现注浆不进的情况，注浆工作能够持续进行。

s22、当发现有轻质浆液从泄压阀240流出时，停止注浆作业，封闭注浆孔。

步骤s20形成了轻质浆液50与高压液体30的动态平衡置换，轻质浆液50的注入量基本等于高压液体30的流出量，当发现有注入的轻质浆液50从下方泄压阀240流出时，表示泄压孔上方的高压液体30已经全部被轻质浆液50所替换，此时停止最高位预留孔的注浆作业，封闭最高位预留孔。

s24、将前次注浆作业的泄压阀240更换为注浆阀，同时在注浆阀所在管片的前一管片相似高度的预留孔安装泄压阀240；然后选择密度大于高压液体密度的重浆液，通过注浆阀向管片外空隙中连续注浆；

s26、当发现有重浆液从前一管片的泄压阀流出时，说明本环管片外空隙内的高压水已全部被置换出来，并且已被轻质浆液(上方充填)和重浆液(下方充填)全部充填完成，本管环的二次注浆作业已全部完成；此时停止本管环的二次注浆作业，封闭本管环的注浆孔。

本发明任一步骤(如步骤s2、步骤s20、步骤s24等)注浆时，需要将泄压阀的临界压力设置为管片外空隙中高压液体压力的0.9～1倍，优选为1倍(即泄压阀的临界压力等于泄压孔所在位置的高压液体压力)，且注浆过程中，都需要根据高压液体的压力变化对泄压阀的临界压力进行微调，以保证压力动态平衡，确保持续注浆。

通过以上描述可知，本发明盾构施工用二次注浆方法是在盾构掘进过程中，采用与管片外空隙中高压液体基本等压的方式，在压力动态平衡状态下，用浆液置换管片外空隙中的高压液体，因此既能轻松有效地将浆液注入管片与围岩之间的空隙，有效保证足量的注浆量，又不会损害盾尾刷及管片密封条的安全，避免了常规超压注浆带来的安全质量事故，降低了盾构施工风险。

对于隧洞太长距离没有达到二次注浆效果导致已经发生管片上浮的情况，利用本发明的方法进行二次注浆施工前要先了解隧洞的坡向、坡角等情况，可先用水玻璃等快凝物质注入管片外空隙制作止水环，把管片外的空隙进行纵向分割，把长空隙分割为短空隙再分别进行注浆。分割区间的长度可以依据所配制浆液的凝固时间等综合因素酌情确定，如水平隧洞可分割为20米、倾斜隧洞分割为10米等多个小区间分别进行二次注浆施工，分割的目的是防止高压液体流动和浆液流窜，避免二次注浆作业受其干扰，以保证注浆效果。

需要说明的是，本发明能够进行二次注浆的前提是管片与围岩之间的空隙中充满了高压液体，如果管片与围岩之间的空隙中存在气体，则在进行注浆之前，需要先在管环的最高位预留孔中插入放气管，将位于管片外空隙中的压缩空气放出，才能开始注浆。

另外，如果需要在盾尾附近新推出的管环进行二次注浆，要注意有效使用油脂注入方法避免盾尾与新注入的浆液凝固后粘连。

与现有技术相比，本发明注浆时的注浆压力与管片后的高压液体呈“动态平衡”自动调节状态(即使注浆压力、管片后高压液体压力和泄压阀设定压力保持动态平衡状态)，因此能够在不损害盾尾刷及管片密封条安全的前提下，以注入的浆液等体积置换出管片后空间内的高压液体，可大大提高二次注浆的效果，极大弥补同步注浆的不足，因此具有提高隧洞注浆质量、提高工作效率、缩短工期等优点，同时对于保障隧洞及施工安全也具有重要意义。可用于地铁、公路、输水、输电等地下隧道工程盾构施工中的二次注浆。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。