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摘 要：超前注浆技术是隧道施工中的重要辅助方法，在隧道的不良地段施工中发挥着重要的作用。文章结合工程实例，介绍了土压平衡盾构不良地层加固超前注浆施工工法的特点、工艺流程及其操作要点，并通过验证证明了该工艺可以有效地加固开挖土体，控制地表沉降，工程达到了预期效果。
关键词:盾构掘进；安装；超前注浆；施工工艺
引言
现如今，隧道工程已被逐渐应用于地下施工。而隧道浅埋破碎带施工中在开挖时容易造成冒顶式塌方，存在重大的安全和质量隐患，需要采取措施进行预加固，其中常见的技术主要有地表注浆加固、洞内二次补浆等。但对于特殊的环境、场所，需要考虑各种原因，来选择科学的施工工法。本文结合项目实例，针对盾构下穿机场飞行区过程中遇到软弱不良地质而地面无法加固处理的情况下，采用盾构机加装超前钻机，在洞内进行超前预注浆的形式，以有效控制地表沉降。
1 工程简介
某项目采用2台8.8m 直径土压平衡盾构机，掘进机场北站-机场站区间3.3 km，下穿机场滑行道及停机坪总计1.6km，如图1所示，最小覆土层11m 左右，其中有760 m隧道拱部以上2m 范围内存在软弱淤泥及砂层，120 m 隧道轨面以下存在淤泥质粘土。
图1- 盾构穿越机场平面图
2 设备选型
由于隧道上部地表为机场滑行道及机坪且机场要求不停航施工，从地表钻孔注浆对地层进行加固的常规方法无法适用，只有采用“洞内超前注浆”法才能满足施工要求。根据现场隧洞内场地狭小，要求所选用的钻机在洞内操作方便，功率强大，性能优良，转移便捷，体积小，占用作业空间小。盾构机盾壳外部存在一定的土压，且该地段围岩为粉质粘土及砂岩，注浆孔容易出现塌孔现象，因此选用Doofor 钻注一体机作为超前注浆设备。该钻机可通过加止浆塞的方式，实现防止浆液回流的功能。
3 设备安装
用于超前注浆作业的钻注一体机设备共两台，1 号钻机安装在拼装机上，用于隧道上部及中心超前孔的钻注；2 号钻机安装在拼装机后部的安装架上，用于隧道下部超前孔的钻注。
3.1 安装1 号钻机
(1)旋转拼装机右肩至水平位置，安装1号钻机注底座于拼装机右肩上。
(2)安装拖链内部超前钻所需管路。
(3)运输1 号钻机至隧道内，拼装机右肩旋转至底部，安装1 号钻机。运输时应注意保护超前钻上的阀组箱。
(4)通过导链折叠钻机至图2 位置，将1号钻机安装上钻机底座。
3.2 安装2号钻机
1号钻机折叠好后，将环形梁及2号超前钻运输至隧道内，按图3 安装。
3.3 设备调试
两台超前钻注一体机机械部分安装好后连接管路进行调试。
3.4 Doofor 钻机技术参数
图3-2 号钻机安装示意图
4 超前注浆施工工艺
在盾构机前端设置钻注管孔，通过安装在管片拼装机上的1 号钻机和固定在拼装机后部安装架上2 号钻机进行钻孔注浆作业，钻注作业通过无线电设备进行，钻注过程中利用止浆塞和防喷装置防止泥浆和注浆材料渗漏，注浆结束判断依据采用定量、定压标准进行控制，保障地层注浆加固的质量。
4.1 施工工艺流程（图4）
4.2 超前注浆施工
4.2.1 注浆孔设计与钻孔施工
（1）注浆孔设计
为了实现洞内超前注浆加固软弱土层的效果，根据现场土层分布情况和盾构机结构特点，设计要求在盾构机主机拱部180°及仰拱90°范围内设置超前预注浆孔，注浆孔环向间距不大于1.3 m，注浆孔角度不大于10°，注浆孔距离刀盘间距不大于3 m，浆液扩散半径1.2 m，每次注浆范围为刀盘前方4 环管片。
图4施工工艺流程
表1 整机参数表
（2）钻孔施工
钻孔按照先周边再拱顶，隔孔钻进的原则进行，利用钻注一体机，具体施工过程如下：
将止浆塞塞入密封装置，并与球阀2连接起来。保持球阀2 为关闭状态，打开盾构导管球阀1，继续向前将止浆塞完全塞入盾构导管。
将止浆塞上配套的密封装置法兰与球阀1 法兰连接在一起。
钻机就位，调整钻机角度，先将钻头与钻杆通过反向插入防喷装置内，然后将钻杆与钻机连接好。再将防喷装置、渣土收集阀与止浆塞球阀2 相连。
打开止浆塞球阀，开启钻机（钻机操作方法详见钻注一体机说明书），钻进至盾体内预定深度。
通过止浆塞注水口注入压缩空气，使止浆塞塞膨胀，密封盾构机导管。
4.2.2 注浆施工
（1）注浆量估算
单孔注浆量按下式进行计算：
Q=πR2Hnα（1+β） （1）
式中：Q—单孔注浆量m3；
R—浆液扩散半径，取1.2 m；
H—超前注浆加固深度，取12 m；
n—黏土孔隙率，取35%；
α—地层填充率，依据经验取黏土40%；
β—浆液损失率，取20%；
按照以上计算单孔注浆量Q=9.12 m3。
（2）单孔注浆结束标准
单孔注浆结束以定量定压相结合的方式控制，具体的：a 定量标准：单杆（1.8 m）设计注浆量粘土地段为2.4m3，当单杆注浆量达到设计注浆量的1.5~2倍，压力仍然不上升，可采取调整浆液配比，改变注浆材料缩短凝胶时间或进行间歇注浆等措施使注浆压力达到设计终压，结束该次注浆。
b 定压标准：超前加固注浆终压定为：0.5~1.0MPa，当最后一根杆注浆到达设计量后，使注浆压力达到设计终压并维持5 min以上可结束该孔注浆。
（3）注浆准备
注浆管路连接。
根据预计的注浆量，检查注浆材料数量能否满足连续注浆要求，如不能保证，则要等补足数量后才能注浆。
对注浆系统进行压水检查，压水压力为设计注浆压力的1.2倍，以检查各注浆机具的密封性和完好性，同时检查砂浆罐搅拌机运行状况，发现问题立即解决，以避免在注浆过程中因机械故障而造成注浆中断。
检查止浆塞的磨损程度，若发现止浆塞不能有效密封止浆，应立即更换，以免影响正常施工。
（4）注浆
通过钻机注浆口开始注浆作业，边退杆边注浆，直至距离盾构刀盘前端1.2 m 处停止注浆作业（此时约为5 根杆）。
钻杆继续退回，同时钻机注浆口注入膨润土，防止浆液通过成型钻孔向盾构刀盘渗透。
钻头退回至渣土收集阀内，关闭球阀2，开始准备下一个孔位注浆。
5 效果验证
本工程盾构下穿机场飞行区，设计要求施工沉降的预警值和控制值分别为16mm和20mm。针对下穿机场不良地质段前100的地表监测数据进行了整理、汇总，以此验证洞内超前注浆的实用效果，以便及时调整
施工参数、设备参数，更好指导后续施工。
选取左、右线淤泥段前100m 监测数据进行分析研究，监测时间分别为左线2016 年3 月13、20 日和右线2016 年4 月14、21 日，
变形时间曲线如图5 所示。
从图可以得出，左线和右线淤泥段前100m 测点的变形趋势基本相当，具有前期波动性大、后期趋于稳定的特征，综合分析，左、右两线各断面的沉降量均较小，未超过沉降控制值，说明了淤泥段盾构施工过程中采用洞内超前注浆工艺对于机场滑行道地表沉降控制较为有效，达到了预期效果。
图5- 左右线监测点变形时间曲线
6 工法特点
（1）在隧道内进行地层超前加固，避免了传统加固方法从地表钻孔注浆的施工过程，极大的降低了施工过程对周围水土环境的影响，尤其避免了对地表设施的破坏。
（2） 采用钻注一体机等施工设备，灵活安装在盾构原有管片拼装机等位置上，并且采用无线电设备进行控制操作，自动化程度高，保证钻孔注浆过程的可靠性和高效性。
（3） 采用止浆塞和防喷装置，可以有效防止泥浆和注浆材料的渗漏。
（4） 注浆结束判断依据采用定量、定压标准，有效保障注浆效果，保证土体加固质量的可靠性。
7 结语
综上，工程实践表明，通过土压平衡盾构洞内超前注浆加固技术的应用，该项目工程施工圆满成功，地面沉降控制在5mm 范围内，既提高了施工效率，降低了施工对周围环境的影响，又保障了施工安全，有力保证了工程施工的施工进度和施工质量，为以后类似工艺提供了重要的技术参考。
参考文献:
[1] 黄捷.富水砂性土地层浅埋暗挖隧道超前注浆加固技术[J].工程技术:文摘版.2016(5):00296-00297
[2] 迟泽勋.地铁暗挖施工中的不良地质超前注浆加固技术[J].工程技术:引文版.2017(1):00146-00146
论文作者:袁红
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/15
标签：注浆论文; 钻机论文; 盾构论文; 超前论文; 隧道论文; 地表论文; 钻孔论文; 《防护工程》2017年第24期论文;