CN212837841U - 一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，包括盾构管片，所述盾构管片的壁后与外围地层之间的空腔内设置有具有封闭灌浆环境的垫被，所述垫被内灌注有使垫被体积扩大并挤压充填空腔的水泥浆体，灌注后的垫被沿盾构隧道环向配合形成挤压密实外围地层土体的环向水泥结石壳体。该联合结构通过在管片背面设置垫被并实施注浆，排挤管片壁后存在的空腔中的泥水（土体），解决了管片结构加固、管片接缝防水加固、壁后空腔回填、恢复管片外围地层原状、挤压加固地层。

Description

一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构

技术领域

本实用新型涉及一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构。

背景技术

盾构工法因具有施工安全、快速、劳动强度低和对环境影响小等优点，被广泛应用于城市地铁、山体、水下隧道等施工；但盾构法施工时不可避免地会对周围地层造成扰动，引起地表沉隆。控制盾构隧道施工地表变形的关键在于对盾尾脱出管片留下空腔的及时、有效充填，通常由管片壁后注浆来完成。可是，在注浆过程中经常发生浆液堵管、泄漏；浆液进入盾尾留下的空腔后，浆液与泥水、土体及管片相互作用、无序窜浆；浆液固结硬化过程长、情况复杂和后期填充效果的评估困难和不确定性等一系列问题目前都未得到较好的解决。总而言之，关于盾构隧道管片壁后注浆存在的诸多问题需要工程界进行深入探索和妥善解决。

盾构施工技术属于暗挖法的一种，主要是利用盾构掘进机实现全机械化施工，施工阶段包括：掘进、管片拼装、灌浆、盾尾脱出、浆液加固。由于盾构机掘进前行盾尾脱离了管片，留下环向空腔（厚度≥盾尾结构层），现行设计上采用同步回填注浆、二次补充注浆处理。由于上述注浆存在诸多问题：一是注浆浆液采用的是稀浆，灌入管片立即与壁后空腔的泥浆水或土体颗粒相混合，短时间难于形成具有足够强度的结石体，未能及时有效充填盾构机留下空腔，恢复受影响地层的原状；二是混合浆液无序流窜，有的流失到管片外围的地层中，往往白白浪费掉，未能对管片外部地层起加固作业。三是未能隔断管片后方空腔与盾构机泥水平衡系统的联通，同步灌浆的浆液会流窜到盾构机机身外侧，甚至流窜到盾构机的刀盘上和掌子面，同理，盾构机的工作泥浆也会流窜到管片壁后的空腔。两者均会干扰影响盾构机正常作业；四是管片壁后同步回填注浆与盾构机的距离要拉大，未能及时实施有效的回填灌浆，导致地层变形和盾尾结构层变形。轻则管片背后存在空洞、积水，导致管片接缝的密封系统功能失效，造成管片变形、错位、开裂、崩块等缺陷，从而形成隧道渗漏水，影响结构和行车安全，给运营维护造成困难。重则导致隧道不能正常使用，甚至出现地层坍陷等事故。显然，管片壁后注浆是盾构法非常关键的工序，必须做好做精，有效防止地层变形，切实提高盾构隧道的抗渗性、整体性、安全性。

当前，盾构隧道管片壁后同步注浆采用的做法有单液浆和双液浆。尽管单液浆同步注浆存在诸多缺点，由于成本相对较低、工艺相对简单，在盾构隧道施工中仍然被广泛采用。但是随着我国经济的发展和施工管理水平的提升，尽管双液浆成本高、工艺复杂，将凭借其凝结时间更短，短期和长期强度均比较高，固结后体积变化较小，泵送时材料分离度小等优点在盾构隧道壁后注浆施工中占有一席之地。单液浆、双液浆做法虽然在浆液扩散机制方面已经取得了一些研究成果，但是对渗透阶段和劈裂阶段的研究依然深入不够，而且由于土质状况及注浆过程的复杂性，目前的研究成果还无法对注浆施工做出有效指导，对注浆参数的选取仍然依靠施工经验，显然这方面的研究还任重道远。事实证明：所谓的单液浆和双液浆应用于盾构隧道管片壁后的同步灌浆均不能较好解决地表变形和管片结构受力的难点、重点问题，往往还得需要二次灌浆加以补救。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，该联合结构通过在管片背面设置垫被并实施注浆，排挤管片壁后存在的空腔中的泥水（土体），解决了管片结构加固、管片接缝防水加固、壁后空腔回填、恢复管片外围地层原状、挤压加固地层。

本实用新型的技术方案在于：一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，包括盾构管片，所述盾构管片的壁后与外围地层之间的空腔内设置有具有封闭灌浆环境的垫被，所述垫被内灌注有使垫被体积扩大并挤压充填空腔的水泥浆体，灌注后的垫被沿盾构隧道环向配合形成挤压密实外围地层土体的环向水泥结石壳体。

进一步地，所述垫被预先安装在盾构管片的背面，沿盾构隧道环向的每一盾构管片壁后的垫被分别设置有若干独立灌浆区域和相应的灌浆管，所述灌浆管由隧道内穿过盾构管片进入垫被之中。

进一步地，所述垫被为具有渗滤浆液水体功效的高强材料制成的膜袋，所述盾构管片、盾构机尾盾结构分别设置若干个渗滤排水管。

进一步地，沿盾构机掘进方向的前、后环盾构管片的纵向接缝错开布置，同一环上的每一盾构管片壁后的垫被沿盾构管片的宽度方向设置3个独立的注浆分区。

进一步地，所述垫被中灌注的水泥浆体不与盾构机尾盾结构移动之后留下空腔内的泥浆水和土体相混合，垫被灌注成型后的体积大于盾构机尾盾结构产生的空腔体积并完全充填空腔。

进一步地，所述环向水泥结石壳体成为盾构管片衬砌结构的加强层、防水保护层和外围地层的充填挤压层。

进一步地，所述水泥浆体为高掺量的石粉。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点：

管片后方注浆是盾构隧道施工过程中必不可少和非常关键的环节，一直成为国内外研究和攻关的重点难点。普遍存在技术难度大，浆液压力难于控制，导致灌浆不及时、不到位，回填质量差、强度低而导致地层变形或存在质量安全隐患；管片受力不均而遭受挤压破坏，结构受损；管片注浆干扰盾构机泥水（或土压）平衡的工作系统，影响掘进作业；同步注浆、二次注浆可靠性差和成本高。

1、解决了管片后方灌浆与盾构机泥水平衡系统的独立性问题。在管片后方安装垫被装置，将传统方法管片后方环状空腔的灌浆，空腔与盾构机泥水平衡系统相连通，浆液到处流窜，互相干扰的难题。转化为对垫被内部的充填灌浆，垫被以一块管片为安装单元和灌浆单元，垫被灌浆完全独立于盾构机的泥水（土压）平衡工作系统，不影响掘进机的正常工作，大大提高了盾构掘进效率和管片支护效果。以垫被可灌空间的确定性去填充挤压管片后方空间的不确定性。

2、解决了管片后方灌浆的可控性问题。传统灌浆方法直接对管片后方的空腔进行灌浆，所灌入浆液与空腔中的泥水、泥土相混合，灌浆成型体的初期形状不确定，充填不饱满、固体不同质、强度低，灌浆空间不可控、灌浆浆液不可控、灌浆压力不可控。本发明直接对管片后的垫被内部进行封闭灌浆，具有可控的灌浆空间、灌浆压力、均质的灌浆浆液，在管片背面快速形成灌浆固体，成为管片的垫背结构。通过垫被将灌浆液转化为固体，成为管片的垫背层并起到管片结构加固。既充填管片后方的空腔，又挤压管片外围的地层，起到良好的加固作用。

3、解决了管片接缝及其后方空腔有效回填的结构加固问题。在对垫被内部灌浆，可灌空间确定，可灌性好，采用高掺量的代替料制备单液高性能浆液，水泥用量小，无添加有害化学材料和昂贵的添加剂，成本低，环保。在灌浆固体扩张过程中，高效挤压管片后方的泥水或泥土并取代因盾尾移动所留下的全部空腔，质量可靠。

4、解决了管片外围地层的原状恢复和有效加固的问题。在管片后方垫被灌浆的中后期，随着垫被内部灌浆体的不断扩大和硬化，进一步挤压管片后方空腔，直至全部，甚至可以超出空腔的薄弱范围，起到恢复地层原状，甚至起到对地层的有效加固作用，不会出现地层沉降或者隆起。

5、确保隧道掘进质量和安全，加快了掘进进度。

附图说明

图1为本实用新型的管片垫被注浆平面展开图；

图2为本实用新型的管片壁后垫被注浆挤压充填横断面图（图1的I-I剖视图）；

图3为本实用新型的垫被注浆前示意图；

图4为本实用新型的垫被注浆后示意图；

图5为本实用新型的管片壁后垫被注浆挤压充填空隙纵断面图（图1的II-II剖视图）；

图中：1-未密实外围地层 2-挤压密实后的外围地层 10-盾构管片 11-管片宽度B12-管片厚度 20-空腔 21-空腔厚度 30-垫被 31-水泥浆体 32-灌浆管 33-注浆后垫被结构 34-垫被的长度 40-盾构机尾盾结构 41-渗滤排水管 42-盾构开挖轮廓线 43-刷形密封 44-油脂舱 45-后腔油脂孔 46-前腔油脂孔。

具体实施方式

为让本实用新型的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本实用新型并不限于此。

参考图1至图5

一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，包括盾构管片10，所述盾构管片的壁后与外围地层之间的空腔20内设置有具有封闭灌浆环境的垫被30，所述空腔由盾构机尾盾结构40前行后所形成，所述垫被内灌注有使垫被体积扩大并挤压充填空腔的水泥浆体31，灌注后的垫被沿盾构隧道环向配合形成体积、强度可控并挤压密实外围地层土体的环向水泥结石壳体。该环向水泥结石壳体是在管片背面铺设特制的垫被中，营造可渗滤水体的封闭水泥注浆环境，进行同步分区分块水泥注浆而成。所述环向水泥结石壳体挤压垫被外部的土体进入外围地层，从而挤压密实土体，最终在管片与外围地层之间构建的联合结构，既作为衬砌管片的结构加强层，又作为管片接缝防水的保护层、外围地层的充填挤压层。

本实施例中，在盾构隧道同一环向位置的每一盾构管片壁后分别安装垫被，所述垫被与盾构管片尺寸相匹配，所述垫被分别设置有若干独立灌浆区域和相应的灌浆管32，所述灌浆管由隧道内穿过盾构管片进入垫被之中，以便向垫被内部注入水泥浆体。

本实施例中，所述垫被为具有渗滤浆液水体功效的高强材料制成的膜袋，所述盾构管片上还设置有排水孔，以便将垫被中渗滤的一部分水体排出。所述盾构管片、盾构机尾盾结构分别设置若干个渗滤排水管。为了将地层中渗漏的水体排出以及垫被中渗滤的另一部分水体排出，所述盾构机尾盾结构设置有渗滤排水管41。

本实施例中，由于盾构隧道管片拼装的结构要求，沿盾构机掘进方向的前、后环盾构管片的纵向接缝错开布置，同一环上的每一盾构管片壁后的垫被沿盾构管片的宽度方向设置3个独立的注浆分区，以便盾构机每前进1/3 B（管片宽度），即可实施相应垫被区域的注浆。

本实施例中，所述环向管片壁后的垫被分区注浆，垫被内部的水泥浆体不与盾构机尾盾结构移动之后留下空腔内的泥浆水和土体相混合，通过实施沿环向上下左右对称、同步、协调注浆，在垫被中快速形成盾构管片的垫层，用于调整和整体固定环形管片，并有效隔断盾构机尾盾结构与管片壁后空腔的联系。对垫被进一步实施控制注浆，及时形成均质、同性和饱满的水泥浆体，垫被灌注成型后的体积大于盾构机尾盾结构产生的空腔体积并完全充填空腔，即垫被充填后的厚度大于空腔的厚度，并挤压密实垫被外部的外围地层土体，达到迅速恢复地层原状结构和适当加固地层的功效。

本实施例中，所述水泥浆体为高掺量的石粉。试验研究推荐配合比为水泥：石粉：水=1：5：4，由现场灌浆试验确定。

当盾构机的盾尾累计前行1/3 B（管片宽度B 11）即可对管片背面进行初次控制注浆，迅速形成管片的垫被，有效调整和固定管片位置，防止径向漂移、错位的控制注浆。进一步控制注浆，充填管片壁后存在的空腔并构建可以提高管片结构受力和接缝防渗能力的水泥结石壳体结构，其6hr抗压强度≥0.5MPa、3天抗压强度≥10MPa。迅速恢复管片外围地层的原状，并继而对管片外围地层进行一定程度的挤压、加固。所述盾构管片壁后垫被灌注水泥浆液过程所形成的联合结构，确实增强了管片及其壁后结构的支护效果。

以每种管片为设计、制作和安装单元，其覆盖范围与管片尺寸相匹配，既能够稳妥与管片背面方便固定，又能形成特定的、封闭的灌浆空间。

本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。

本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，包括盾构管片，其特征在于，所述盾构管片的壁后与外围地层之间的空腔内设置有具有封闭灌浆环境的垫被，所述垫被内灌注有使垫被体积扩大并挤压充填空腔的水泥浆体，灌注后的垫被沿盾构隧道环向配合形成挤压密实外围地层土体的环向水泥结石壳体。

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，其特征在于，所述垫被预先安装在盾构管片的背面，沿盾构隧道环向的每一盾构管片壁后的垫被分别设置有若干独立灌浆区域和相应的灌浆管，所述灌浆管由隧道内穿过盾构管片进入垫被之中。

3.根据权利要求1或2所述的一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，其特征在于，所述垫被为具有渗滤浆液水体功效的高强材料制成的膜袋，所述盾构管片、盾构机尾盾结构分别设置若干个渗滤排水管。

4.根据权利要求1或2所述的一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，其特征在于，沿盾构机掘进方向的前、后环盾构管片的纵向接缝错开布置，同一环上的每一盾构管片壁后的垫被沿盾构管片的宽度方向设置3个独立的注浆分区。

5.根据权利要求1或2所述的一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，其特征在于，所述垫被中灌注的水泥浆体不与盾构机尾盾结构移动之后留下空腔内的泥浆水和土体相混合，垫被灌注成型后的体积大于盾构机尾盾结构产生的空腔体积并完全充填空腔。

6.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，其特征在于，所述环向水泥结石壳体成为盾构管片衬砌结构的加强层、防水保护层和外围地层的充填挤压层。

7.根据权利要求1所述的一种盾构隧道管片壁后注浆联合结构，其特征在于，所述水泥浆体为高掺量的石粉。

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