一种基于外嵌式通道与伸张性囊袋的管片衬砌注浆系统的制作方法

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种基于外嵌式通道与伸张性囊袋的管片衬砌注浆系统。

背景技术：

对于目前国内各大城市的地下隧道工程，由于地质构造与人类活动原因，地层中存在不同粒径地层颗粒与一定压力地下水的影响，因此盾构掘进会形成不同形状、不规则分布的盾尾空隙，常规注浆工艺条件下的浆液被注入盾尾空隙后，在浆液凝固前，容易被地下水稀释、被流动的地下水带走、以及局部区域的跑浆现场，导致浆液流失与周边松散地层，盾尾空隙无法得到有效充填，尤其是隧道拱顶区域，在地表车辆振动荷载与地下水位变动等外界因素干扰下，隧道四周未充填到位的局部空隙逐渐向上发展形成地层空洞，地层空洞的存在导致隧道结构与地层稳定性受到威胁，影响了周边环境安全。对于周边环境保护要求极其苛刻的城市轨道交通工程而言，是一大控制性因素。基于地层特性与盾构法隧道现行注浆技术水平，常规注浆工艺无法满足盾尾空隙三维环状空间有效充填的需求，不利于隧道结构稳定与环境安全保护，不利于工程投资控制，随着全国各地盾构隧道工程规模的日益壮大，常规注浆工艺带来的弊端也越来越明显。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于外嵌式通道与伸张性囊袋的管片衬砌注浆系统，实现富水大粒径地层盾构隧道盾尾空隙三维环状空间被浆液有效充填，最大程度确保盾构隧道与周边地层之间有效接触，实现隧道结构与周边地层稳定，确保周边环境安全。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于外嵌式通道与伸张性囊袋的管片衬砌注浆系统，包括由管片衬砌组成的隧道结构，其特征在于：

管片衬砌中心部位预埋有兼做吊装孔的注浆孔，管片衬砌外弧面设有横纵向外嵌式通道，沿管片环向的为浆液扩散主通道，沿隧道纵向的为浆液扩散次通道，浆液扩散主通道与注浆孔直接相连；

外嵌式通道采用预埋槽道，预埋槽道内设有高伸张性的囊袋。

注浆孔端部与预埋槽道之间设有素混凝土层，注浆期间采用带逆止阀的注浆管插入注浆孔，捅破素混凝土层后进行即时注浆与二次注浆。

囊袋分层压紧于预埋槽道，内，囊袋上表面不高于预埋槽道开口处高度。

拼装成环的管片衬砌脱出盾尾时，在管片衬砌与周边的地层之间形成盾尾空隙；

盾尾空隙在管片衬砌脱出盾尾的同时，第一时间被浆液充填密实，随后在管片衬砌脱出盾尾时，采用二次补浆形式进一步注浆充填。

隧道结构的管片衬砌包括封顶块、封顶块两侧的邻接块、以及其余部分的标准块，环向组装后纵向拼接；每块管片上都设有环纵向螺栓孔与手孔，螺栓孔在接缝两侧相邻管片衬砌的手孔内穿过；

环向各相邻管片衬砌的浆液扩散主通道对接联通，环纵向浆液扩散主通道与次通道内伸张性囊袋在注浆压力的作用下，完全伸张后，将盾尾空隙完全填满。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种新型的盾构隧道盾尾空隙三维环状空隙注浆系统设计理念，丰富了富水地层盾构隧道注浆方法。无论是何种地层，常规注浆工艺均存在盾尾建筑空隙无法得到有效充填的弊端，采用管片外弧面预埋槽道（浆液扩散通道）与伸张性囊袋相结合的方式进行注浆，可满足浆液在有限空间内的流动以及盾尾空隙三维环状空隙的有效范围的充填，达到浆液不向盾尾空隙以外地层渗漏的目标，不但满足了隧道结构安全与地层稳定要求，而且最大程度减少了浆液注浆量，节约了工程投资。

盾构隧道管片衬砌、内置注浆孔、管片外弧面预埋槽道及其内置伸张性囊袋、注浆管，以及压注浆液等涉及的钢材、水泥浆、防水混凝土以及注浆孔封堵处理所用的机械设备等均为常规材料（设备），其相应尺寸为常规类型，便于加工制造；预埋注浆用管的布置应与管片外弧面预埋浆液扩散主通道相对应；沿管片环向分布的浆液扩散主通道与沿隧道纵向分布的浆液扩散次通道，可实现浆液在通道内的自由流动，扩散通道内设置的高伸张性囊袋，具备浆液压力作用自由伸张的性能，浆液扩散通道数量与囊袋的伸张程度应满足盾尾空隙被完全充填的需求。进而确保管片衬砌与周边地层的有效接触，实现隧道结构与地层（围岩）联合承载。极大提升了隧道工程质量与风险管控水平，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

附图说明

图1为管片衬砌环横断面布置图。

图2为标准块正立面图。

图3为标准块底面展开图。

图4为i-i断面图（注浆前）。

图5为i-i断面图（注浆后）。

图中，1-管片衬砌，2-注浆孔，3-浆液扩散主通道，4-浆液扩散次通道，5-预埋槽道，6-囊袋，7-注浆管，8-地层，9-盾尾空隙，10-浆液，11-螺栓孔，12-手孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于外嵌式通道与伸张性囊袋的管片衬砌注浆系统，包括由管片衬砌1组成的隧道结构，管片衬砌1中心部位预埋有兼做吊装孔的注浆孔2，管片衬砌1外弧面设有横纵向外嵌式通道，沿管片环向的为浆液扩散主通道3，沿隧道纵向的为浆液扩散次通道4，浆液扩散主通道3与注浆孔2相连。隧道结构的管片衬砌1环向包括封顶块、封顶块两侧的邻接块、以及其余部分的标准块，环向组装后纵向拼接；环向各相邻管片衬砌1的浆液扩散主通道3对接联通，环纵向浆液扩散主通道3与次通道4内伸张性囊袋6在注浆压力的作用下，完全伸张后，可将盾尾空隙9完全填满。。外嵌式通道采用预埋槽道5，预埋槽道5内设有高伸张性的囊袋6，囊袋6分层压紧于预埋槽道5。

浆液扩散主通道3的布置与浆液扩散次通道4的数量，基于囊袋6充分扩张后有效覆盖范围一致进行考虑。

注浆孔2端部与预埋槽道5之间设有一定厚度的素混凝土层，注浆期间采用带逆止阀的注浆管7插入注浆孔2，捅破素混凝土层后进行即时注浆。

拼装成环的管片衬砌1脱出盾尾时，在管片衬砌1与周边的地层8之间形成了盾尾空隙9，其空间被浆液10完全充填。

基于上述结构的基于外嵌式通道与伸张性囊袋的管片衬砌注浆方法，包括以下步骤：

步骤一：将高伸张性囊袋6分层压紧、布设于预埋槽道5内，基于横纵向浆液扩散通道数量与位置要求，在管片模具上设置预埋槽道5，采用卡具将预埋槽道5进行充分固定，满足管片衬砌1浇筑期间不发生位移或变形的要求；

步骤二：预埋注浆孔2，浇筑管片衬砌1，在管片衬砌1背后形成横纵向分布的浆液扩散主通道3与浆液扩散次通道4；

步骤三：将管片衬砌1运至现场，进行隧道掘进与管片拼装，形成盾构隧道衬砌结构；

步骤四：拼装成环的管片衬砌1脱出盾尾，在管片衬砌1与周边地层8之间形成盾尾空隙9；

步骤五：在管片衬砌1脱出盾尾后形成盾尾空隙9的同时，第一时间通过带止浆阀的注浆管7进行即时注浆，浆液10沿着浆液扩散主通道3流动，浆液10流动过程中，浆液扩散主通道3内的囊袋6被逐步扩张，同时浆液逐步流向浆液扩散次通道4，浆液扩散次通道4内的囊袋6被逐步扩张；

步骤六：通过持续注浆，在囊袋6的保护与限制下，浆液10无法随意流动，只能限定在囊袋6的伸张范围内流动，不会被地下水稀释，也不会流入周边地层，更不会出现局部跑浆现象；

步骤七：随着浆液10的初凝、终凝，浆液体积有所减小，及时进行二次注浆，确保有限范围的盾尾空隙9被完全充填，隧道周边地层8的稳定性可以得到保证。

注浆孔2在管片衬砌1浇筑期间采用螺纹套管同步预埋。

注浆孔2端部与预埋槽道5之间设有素混凝土层，注浆期间采用带逆止阀的注浆管7插入注浆孔2，捅破素混凝土层后进行即时注浆。

浆液10的注入以注浆量与注浆压力双重标准进行控制，最大注浆量控制在理论盾尾空隙9体积的1.1～1.2倍，注浆终压以地层水土压力数值为参考。囊袋6的伸张性需要满足注浆压力作用下逐步扩张的需要，同时浆液扩散主通道3与浆液扩散次通道4内囊袋6最大扩张体积，至少应满足2倍盾尾空隙9体积的要求。

最大注浆压力应以隧道拱顶处地层水土压力的1.5～2倍进行控制，最大程度减小注浆扰动与囊袋局部扩张。

通过注浆管7进行即时注浆或二次注浆过程中，由于浆液扩散通道体积小，因此应采用高压、间歇式注浆方式，有利于浆液扩散通道内伸张性囊袋6的充分扩张。

浆液10的流动性与初凝时间，需要满足主通道与次通道内囊袋6被逐步充填、扩张，并填满盾尾空隙9的需求，同时浆液凝固、体积收缩形成的局部空隙，通过注浆管7进行二次注浆。

参见图1-5对本发明的结构体系做更进一步的详细说明：

所述系统包括由盾构隧道管片衬砌1组成的隧道结构，为装配式衬砌结构，每环管片由若干块管片拼装而成，一般而言可按照标准块+邻接块+封顶块的形式进行组合，每块管片中心部位均设有注浆孔2，同时兼备管片吊装孔功能，注浆孔2一般在管片衬砌1浇筑期间采用螺纹套管同步预埋。管片外弧面设有预埋槽道5，形成环向的浆液扩散主通道3与纵向的浆液扩散次通道4，槽道内嵌高伸张性的囊袋6，浆液通过预埋的注浆孔2与带逆止阀的注浆管7持续注入。注浆孔2与管片外弧面设置的预埋槽道5严格对齐。包含囊袋6在内的预埋槽道5、带逆止阀的注浆孔2与管片衬砌同步浇筑而成。横纵向浆液扩散通道尺寸、数量，与囊袋的体积及伸张性能需要满足盾尾空隙9三维环状空隙被有效充填的需求，满足隧道结构整体受力与地层稳定性要求。预埋槽道5内部净空尺寸一方面需要满足分层压紧于通道内囊袋6需要，另一方面也需要满足管片衬砌1结构受力需要（囊袋6表面高度略低于槽道5开口高度），不能对管片衬砌1结构强度有明显削弱影响。包含囊袋6在内的预埋槽道5在管片模具上进行有效固定，在管片衬砌1同步浇筑。

在预埋槽道5与囊袋6的限制下，浆液10在盾尾空隙9内的流动范围受到约束，同时浆液10特性也不会受周边地下水稀释的影响，浆液10的凝固时间可控（与室内试验情况基本一致），基本可确保地层8与管片衬砌1之间的有效接触，满足隧道结构与地层稳定，实现周边环境保护目标。

管片衬砌1中预埋注浆孔2与外弧面预埋槽道5之间存在10mm厚度左右的素混凝土层，需要满足注浆前该部位在外侧地层8水土压力作用下的稳定性，同时也需要满足注浆期间，注浆管7方便捅破后进行即时注浆，确保浆液10顺利进入囊袋6。预埋注浆孔2另一端与盾构隧道同步注浆系统直接相连，在管片衬砌1脱出盾尾的第一时间，进行即时注浆。

浆液10凝固后体积收缩的影响，可通过注浆孔2进行二次注浆，进而确保盾尾空隙9被完全充满，确保管片衬砌1与地层8的稳定性，进而确保周边环境安全。

浆液10的注入以注浆量与注浆压力双重控制标准执行，最大注浆量控制在理论盾尾空隙的1.1～1.2倍，注浆终压以地层水土压力为参考。

具体施工步骤为：

步骤一：根据设计要求，将囊袋6分层压紧、布设于槽道内，基于横纵向浆液扩散通道数量与位置要求，在管片模具上按照横纵向浆液扩散通道的方向与数量预埋槽道5，采用卡具将预埋槽道5进行充分固定，满足管片衬砌1浇筑期间不发生位移或变形的要求；

步骤二：按盾构隧道管片制作精度与结构耐久性要求，预埋注浆孔2，浇筑管片衬砌1，在管片衬砌1背后形成横纵向分布的浆液扩散主通道与次通道；

步骤三：根据工筹安排与现场进度要求，将管片衬砌1运至现场，进行隧道掘进与管片拼装，形成盾构法隧道衬砌结构；

步骤四：拼装成环的管片衬砌1脱出盾尾，在管片衬砌1与周边地层8之间形成盾尾空隙9；

步骤五：在管片衬砌1脱出盾尾形成盾尾空隙9的同时，第一时间通过带止浆阀的注浆管7进行即时注浆，浆液10沿着扩散主通道3流动，注浆10流动过程中，主通道内的囊袋6被逐步扩张，同时浆液逐步流向次扩散通道、次扩散通道内的囊袋6被逐步扩张；

步骤六：通过持续注浆，浆液10被注入盾尾空隙9，在囊袋6的保护与限制下，浆液10无法随意流动，只能限定在囊袋6的伸张范围内流动，不会被地下水稀释，也不会流入周边地层，更不会出现局部跑浆现象；

步骤七：随着浆液10的初凝、终凝，浆液体积有所减小，根据浆液材料属性及时进行二次注浆，可确保有限范围的盾尾空隙9被完全充填，隧道周边地层8的稳定性可以得到保证。

在盾构隧道掘进期间形成的盾尾空隙9，经常会由于盾构转弯或地层超挖而形成不规则分布的空隙，同时注入的浆液会被地下水稀疏或被流动的地下水带走，再加上注浆压力分布不均衡，注浆过程中会进一步扰动盾尾空隙9周边地层，进而会加剧浆液的流失或跑浆现场，这些都会导致盾尾空隙9这个有限的三维空间无法得到有效充填，而通过伸张性囊袋6内浆液10的及时注入，可保证盾尾空隙9这个有限空间被及时充满，确保管片衬砌1背后密实、隧道结构和周边地层8稳定。

在富水、大粒径砂卵石地层盾构隧道掘进形成不同形状、不规则分布的盾尾建筑空隙，浆液注入盾尾空隙后被地下水稀释、被流动的地下水带走、局部地层松散或超挖区域浆液渗漏等现象较为普遍，采用预埋槽道形成的浆液扩散通道与伸张性囊袋进行限定范围的注浆，可实现盾尾空隙限定范围内的有效充填，进而确保盾尾空隙被浆液充满，实现隧道结构与地层（围岩）之间的有效接触。

盾构隧道掘进、管片拼装与注浆施工等都是常规工艺，所涉及的管片衬砌与其他辅助设施都是常规机械设备；预埋槽道5、伸张性囊袋6以及注浆采用的钢筋、防水混凝土、钢模板、防水材料、注浆管7等均为常规材料，受力钢筋采用三级抗震钢筋、防水混凝土一般采用p10或p12，钢模板采用q235钢；管片衬砌1外弧面设置的预埋槽道采用高硬度、耐腐蚀橡胶材料，内嵌的伸张性脑袋采用高弹性pvc材料。

盾构隧道掘进期间涉及的管片衬砌（c50防水钢筋砼）、接缝防水材料（三元乙丙epdm）、管片螺栓（m30）以及注浆材料（单液水泥浆）均为常规工艺与常规材料，管片衬砌浇筑期间预埋注浆孔2用套管采用pvc管。

浆液10在横纵向扩散通道与伸张性囊袋6内的流动与充填，可以不受地下水压力的影响，同时也不会向周边地层8跑浆，最大程度实现了盾尾空隙8范围内浆液的10有效充填，同时也可以最大程度实现理论上的注浆量，不但可以实现管片衬砌1与周边地层8之间密贴，实现地层8稳定与周边环境安全，也可以最大程度节约注浆量，节省工程投资。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。