盾构开挖间隙超前注浆材料、全间隙时空同步的注浆系统、方法

本发明涉及盾构施工，尤其涉及一种盾构开挖间隙超前注浆材料、全间隙时空同步的注浆系统、方法。

背景技术：

1、盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结以及地下水的渗透，是导致地表沉降的重要原因。为减少和防止地表沉降，在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料填充盾尾环形建筑空隙。

2、采用盾构边掘进边注浆方式，通过盾构机自设的同步注浆系统及管片预留注浆孔，注浆在盾构尾建筑空隙形成的同时进行。同步注浆使盾尾建筑空隙得到及时填充，地层变形及地表沉降得到控制，在浆液凝固后，强度得到提高，但可能有局部不够均匀或因浆液固结收缩产生空隙，因此，为提高背衬注浆层的防水性及密实度，必要时再补充以二次注浆，进一步填充空隙并形成密实的防水层，同时也达到加强隧道衬砌的目的。

3、另外，为了确保下穿工程中既有隧道的结构安全，判断施工措施对既有隧道变形的控制效果，许多学者对下穿工程中不同的控制措施展开了大量研究，近距离下穿多采用注浆等辅助工法。因此，通过及时、有效的填充克泥效等材料进行“中盾注浆或者盾体注浆”填充“开挖间隙”以及同步注浆和二次补浆填充“盾尾间隙”这两种间隙，从而达到对地层和周围结构的微变形、精细化控制，但由于成本的考虑，目前一般仅在对沉降变形控制要求高的区间填充开挖间隙。

4、现有的盾构施工沉降控制技术，主要是同步注浆和二次补浆，在重大危险源或者沉降敏感区采用在盾体预留的注浆孔注浆，但是一般在该注浆孔注浆都需要特殊的注浆设备，施工成本太高。

技术实现思路

1、鉴于现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种盾构开挖间隙超前注浆材料、全间隙时空同步的注浆系统、方法，以解决现有技术中注浆材料成本高，注浆效率低，注浆工序繁琐的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明首先提供一种盾构开挖间隙超前注浆材料，所述开挖间隙为盾壳外壁与隧道内壁间的锥形环形间隙，该注浆材料适用于无水地层，包括：a液，为膨润土泥浆，由膨润土、外掺料a、外掺料b、抗分散剂和水制成，其中外掺料a为羧甲基纤维素，外掺料b为uea膨胀剂，并且膨润土为60-150份，外掺料a为5-40份，外掺料b为5-20份，抗分散剂为1-20份；b液，为水泥浆液，由水泥和水制成，水泥为30-60份；所述a液与b液中的水总量为300-360份；并且所述a液与b液按照1:1的比例混合并超前注入所述开挖间隙，盾构推进盾尾脱出后，开挖间隙在盾尾上部与隧道内壁间形成已被超前填充的盾尾间隙。

4、本发明再提供一种盾构开挖间隙超前注浆材料，所述开挖间隙为盾壳外壁与隧道内壁间的锥形环形间隙，该注浆材料适用于富水地层，包括：a液，为膨润土泥浆，由膨润土、外掺料b、外掺料c、抗分散剂和水制成，其中外掺料b为uea膨胀剂，外掺料c为聚丙烯酰胺，并且膨润土为50-300份，外掺料b为10-30份，外掺料c为0.1-0.5份，抗分散剂为1-20份；b液，为水泥浆液，由水泥和水制成，水泥为50-150份；并且所述a液与b液中的水总量为450-550份；所述a液与b液按照1:1的比例混合并超前注入所述开挖间隙，盾构推进盾尾脱出后，开挖间隙在盾尾上部与隧道内壁间形成已被超前填充的盾尾间隙。

5、较佳的，所述a液与b液中的水各占总量的一半。

6、较佳的，所述a液中膨润土为80-100份，外掺料a为5-20份，外掺料b为6份，抗分散剂为4份；所述b液中水泥为40份。

7、较佳的，所述a液中膨润土为100-200份，外掺料b为20份，外掺料c为0.15份，抗分散剂为2份；所述b液中水泥为75份。

8、较佳的，该注浆材料满足：

9、稠度在8-14cm之间；

10、密度在1250-1350g/cm3之间；

11、保水性不小于95%；

12、含水率不小于55%；

13、3d单轴抗压强度不超过100kpa，28天单轴抗压强度不超过200kpa。

14、本发明还提供一种基于所述注浆材料的盾构全间隙时空同步的注浆系统，所述全间隙包括开挖间隙和盾尾间隙，所述开挖间隙为盾壳外壁与隧道内壁间的锥形环形间隙，所述盾尾间隙为盾尾脱出后与管片外壁间的矩形环形间隙，该注浆系统包括：a液制备系统和a液输送管路，为盾构渣土改良系统的一部分，所述a液制备系统包括膨润土罐，其为盾构系统自带设备，布置在盾构施工地面上，用于制备a液；所述a液输送管路一端与所述膨润土罐连通，另一端通过三通分为两路，一路与回转机构连通用于向掌子面输送一部分a液进行渣土改良，另一路与双液浆注入系统连通用于向开挖间隙输送另一部分a液；b液制备系统和b液输送管路，所述b液制备系统包括水泥砂浆搅拌罐，布置在盾构隧道内，用于制备b液；所述b液输送管路一端与所述水泥砂浆搅拌罐连通，另一端与双液浆注入系统连通用于向开挖间隙输送b液；双液浆注入系统，所述双液浆注入系统包括混合泵，用于将另一部分a液和b液混合并超前注入所述开挖间隙；以及同步注浆系统和同步注浆管路，所述同步注浆系统为盾构系统自带设备，布置在盾构施工地面上，用于通过所述同步注浆管路向所述盾尾间隙进行同步注浆。

15、较佳的，该注浆系统还包括注浆泵，所述注浆泵包括第一注浆泵、第二注浆泵，其中所述第一注浆泵安装于靠近所述双液浆注入系统一侧的一路a液输送管路，所述第二注浆泵安装于靠近所述双液浆注入系统一侧的a液输送管路。

16、本发明又提供一种根据所述注浆系统的盾构全间隙时空同步的注浆方法，包括如下步骤：s1：按照制备a液和b液的组分配比称量所需组分重量；s2：将制备a液所需的膨润土、外掺料、抗分散剂和水放入搅拌机进行搅拌，然后将搅拌料放入膨润土罐中膨化形成膨润土浆液，膨润土浆液作为a液；s3：将水泥和配比中剩余的水放入水泥砂浆搅拌罐中充分混合形成水泥浆液，水泥浆液作为b液；s4：利用a液输送管路将膨润土罐内的一部分a液输送至渣土改良系统，通过渣土改良系统将a液注入盾构掘进地层进行渣土改良，同时利用a液输送管路将膨润土罐内的另一部分a液输送至双液浆注入系统；s5：利用b液输送管路将水泥砂浆搅拌罐内的b液输送至双液浆注入系统；s6：利用双液浆注入系统将a液和b液按照1:1的比例混合，并超前注入所述开挖间隙；s7：开挖间隙注浆完毕后，盾构推进盾尾脱出，再利用同步注浆系统向所述盾尾间隙进行同步注浆，完成盾构壁后全间隙时空同步的注浆。

17、本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提出一种盾构开挖间隙超前注浆材料、全间隙时空同步的注浆系统、方法，至少能够带来如下有益效果：本发明提出的注浆材料的a液利用了渣土改良的膨润土浆液，能够降低设备成本，同时b液采用水泥浆液，避免了水玻璃对环境以及注入工艺要求高的问题。本发明提出的注浆材料a液和b液混合，能够用于对盾体间隙超前注入，使得开挖时的开挖间隙（盾体间隙）能够被及时有效地加以填充，能够更好、更及时地控制沉降，这对于沉降变形控制要求高的区间尤为重要。本发明提出的注浆材料具有低强度，不凝固的特性，保证了盾构的正常推进，只有材料性质满足了不影响盾构推进的前提，才能使用对开挖间隙进行超前填充。本发明提出的注浆系统结构简单，操作方便，利用既有的盾构渣土改良系统对盾构掘进地层注入a液，对盾体间隙超前注入a液和b液的混合液，对盾尾间隙注入同步注浆浆液，实现对盾构掘进地层进行渣土改良的同时实现盾构壁后全间隙时空同步的注浆，更好、更及时地控制沉降，减少施工周期，提升施工效率。本发明提出的注浆系统充分利用已有盾构设备，在已有的盾构渣土改良和常规同步注浆上改进，无需大量增加设备和管路，这对于盾构隧道和盾构机内的狭小空间环境下的顺利进行是非常有利的。本发明的注浆材料a液和b液的制备成本低，利用本发明的注浆系统既能对盾构开挖刀盘前的土体注入a液，又能对盾体间隙注入a液和b液，能够有效降低施工成本，提高注浆效率，使地表变形和地表沉降得到有效的控制，使下穿工程中既有隧道的结构安全得到保证。

18、应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。