φ6.28m土压平衡盾构同步注浆系统控制及参数确定

盾构机的管片壁后注浆按与盾构推进的时间和注浆目的的不同，可以分为：同步注浆、二次补强注浆和堵水注浆，t-X，-]6.28m土压平衡盾构机，-般只采用同步注浆的方式。即通过同步注浆系统及盾尾的注浆管 ，在盾构向前推进、盾尾间隙形成的同时进行注浆，使浆液在盾尾间隙形成的瞬间及时起到充填作用，使周围岩体获得及时的支撑，防止岩体的坍塌，有效的控制地表沉降。同步注浆系统注浆间隙示意图，如图 1所示。

1 2 3 4 5 6 7 81.推进油缸 2尾 盾壳体 3.注浆管 4.三道尾密封5.钢板束 6.土体 7.注浆间隙砂浆 8.管片图 1注浆间隙示意图Fig.1 Sketch of Gap for Injecting Mortar同步注浆系统设计的主要参数有：砂浆泵出I：1处注浆压力、注浆管内浆液流量、注浆时间、速度及砂浆罐容积等。同步注浆时要求地层中浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和。注浆压力高，管壁外面土层将会被浆液扰动，造成地表隆起，浅埋深地段易造成跑浆；注浆压力低，浆液填充速度慢，填充不充足，使地表沉降加大。所以如何设计注浆系统主参数，控制注浆压力，对控制地表沉降，确定整机参数具有非常重要的意义目。

2同步注浆系统的组成及主参数确定6.28m土压平衡盾构机背部注浆系统原理图，如图 2所示。(深圳市轨道交通三号线 3101标段)，结合此原理图介绍如何确定同步注浆系统主参数。

由图2可知，项目同步注浆系统安装在后配套拖车上，由带有搅拌装置的砂浆罐、两个双柱塞泵(每台柱塞泵负责供应两条注浆管路)、压力传感器、手动阀及连接管路的钢管、软管及变径管等及其控制系统组成。在尾盾内部均布红、黄、兰、绿四条注浆管线。并且每条管线都备用-套同样的管线，以便-条管线堵塞来稿 日期：2012-03-10基金项目：国家重点基础研究发展计1J(973计划)(2010CB736007)作者简介：任丽维，(1971-)，女，工学学士，高级工程师，从事设计研发工作192 任丽维等：4，6.28m土压平衡盾构同步注浆系统控制及参数确定 g 1期时，启用另-条管线解决问题。注浆管布置，如图3所示。

图2 4，6.28m土压平衡盾构机背部注浆系统原理图Fig.2 Mortar System Scheme of也6.28m EPB注浆管道 盾尾 盾NIN(3排钢丝刷)止浆板图3内侧管路布置示意图Fig.3 Pipes Layout Sketch in Tail Skin项目将注浆管和油脂管直接布置在尾盾壳体内侧，此种设计在砂性地层中掘进时能对注浆管路提供可靠的保护。使管路便于维护、清理和更换。

2.1流量的确定同步注浆量理论上是充填切削土体与管壁之间的间隙所需的浆液量。但根据土压平衡盾构机工作原理可知，盾构机是在推进油缸的推力作用下向前推进的同时完成-环管片的注浆 ，然后再停止掘进，管片拼装机完成下-环管片的拼装。所以浆液实际流量应按下式计算 ：QlS·Vl (1)式中：Q广浆液实际流量，m ；s-管片与周围土体形成的环形间隙。

s1r(D -D：)/4，m (2)式中：D.-开挖直径，6.28m；D广 管片外径，6m；广盾构的最大推进速度，3.6m/h(6Omm/min)。

Ql[3.14x(6.282-62)/4 Ix3.69.7m (3)考虑到盾构在开挖过程中，由于开挖面支护压力不足引起的开挖面变形导致盾构超挖需增加的注浆量；注浆压力略高于初始地层应力因其盾尾空隙扩大需要的注浆量；盾构姿态不当引起的超挖所需注浆量；再加上浆液凝固前在地层压力的作用下发生的固结、导致浆液中的部分游离水渗透地层中的损失(5 10)%左右，盾尾壁厚注浆将达到(150-200)%1，按取最大值 A2计算实际浆液流量为：Ap。2x9.719.4，约为 20 m .故尾盾内红、黄、蓝、绿四条注浆管线沿圆周方向均布，平均分配到每条管线中的流量为：20/4，即5m ，尾盾内四条注浆管线，如图4所示。原理图中每条注浆管线的实际砂浆流量设定值为5 m 。

谶红线 3：： ：：：，/ 4绿线图4尾盾内四条注浆管线Fig.4 Four Mortar Pipe Circuits in Tail22泵出口处压力的确定泵出口处的压力与注浆管末端处地面压力、砂浆流经管路的沿程压力损失及流经阀门、变径管等的局部压力损失有关H，可用下式计算：Pb 卸l却2 (4)式中：厅-泵出口处压力；-盾尾间隙处地层压力；厂管路的沿程压力损失；△p厂 局部压力损失；其中管路的沿程压力损失可用达西公式进行计算：△p A·1/d·pv2/2；局部压力损失可按：卸： ·0v2/2计算。式中：A-沿程阻力系数； 圆管的沿程长度，m；d圆管内径，m；- 管内平均速度，Tn/s； 浆密度，kg/m 。式中： -局部阻力系数；同步注浆时要求地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，对土压平衡盾构来说 ，盾尾间隙处地面压力比开挖面大(0.5～1)bar。由此可知：双柱塞泵出口压力值与注浆管长度成正比，压力值随注浆管长度的增加而增加，因此砂浆罐和双柱塞泵在空间允许的情况下应旧能放在接近盾尾处，尽量减少压力损失。

注浆压力的设定是个复杂的问题，压力太小，造成地表沉陷；压力太大，造成地表隆起，管片变形。

应该限制在-定的波动范围内。其极限压力的设定撒于如下因素：(1)注浆压力对地层的劈裂，即劈裂压尸， ；(2)撒于前方开挖面土体压力；(3)撒于上覆土的厚度 ，对于地铁隧道-般埋深在(10-20)m之间，采用太沙基的土压力计算方法得到的隧道埋深处的地层应力 ； 。

因此，注浆压力的设定值应至少大于 且不能大于劈裂压Pr。即 ≤P≤P， 。项目泵出VI压力值为40bar。

2.3砂浆罐容积的确定砂浆罐需要储备至少-环管片所需要的砂浆量。理论上每环所需的砂浆量： V：S·L (5)No.1Jan.2013 机械设计与制造 193式中：s-管片与周围岩体形成的环形间隙，s1T(DzI )/4； - 环管片宽度为 1.5m； S·L2.7 m]，砂浆容积系数取为1-3，砂浆罐的容积为：V2.7x1.33.5 m ，砂浆罐的容积比实际要大(0.5-1)m，为宜，所以取砂浆罐的容积为5m ，满足-环管片需砂浆的量。砂浆罐必须配备砂浆搅拌装置，防止砂浆凝固。

2.4开挖-环管片所需时间盾构向前掘进-环管片所用的时间：TL/Vl (6)式中： -挖-环管片所用时间； - 环管片宽度为 1.5m；.- 盾构最大推进速度 3.6m/h(60mm/min)。

l1.5/3.60.42h，即为 25min左右，与实际掘进循环时间相符。

3同步注浆控制系统同步注浆系统通过测量压力来控制，在每条管线靠近盾尾注入点处都安装有-个压力传感器。每条注浆线路既可以调节压力又可以调节排量。

操作手可以选择两种工作模式：手动和自动。自动模式下，水泥砂浆注入所有选定的灌浆点，并通过每条线路的两个压力极限来控制。最小压力启动注浆过程，最大压力停止注浆。注浆操纵在自动模式下受到保护。主要参数传输显示在监视屏上。尤其是每条线路的最大和最小压力、每条线路的注浆量(升)以及每环总的注浆量 m)。

图5注浆系统监视屏示意图Fig.5 Monitor Screen Sketch of Mortar System手动模式下，水泥砂浆连续注入选定的灌浆点，直到达到现场表盘上设定的最大压力极限，然后停止注浆。

同步注浆系统的控制是个复杂的过程，大多是靠经验控制 ，主要是控制注浆量和注浆压力，即便在实际施工中也必须每隔-定范围都要确认效果，再将其效果反馈到实际施工中，有效控制地表沉降 。

4结束语影响同步注浆系统设计参数确定及注浆效果的因素众多，尤其与地质条件关系密切，并且同步注浆系统在盾构后配套诸多系统中尤为重要，直接关系到隧道开挖的成败，论述的设计参数确定依据为盾构设计者提供参考。