PID控制在盾构施工中的运用

郭非凡

[摘 要]盾构机掘进的施工管理是一项复杂科学的系统工程，推进操作、姿态控制、注浆质量和管片拼装等都会对工程质量造成较大影响。本文主要针对注浆工艺在地铁隧道掘进中的应用进行了简要分析，并探讨了注浆施工中的常见问题和质量控制措施。

[关键词]盾构机；地铁；注浆工艺，质量控制

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）14-0122-01

引言：

随着盾构法施工在地铁项目中的广泛应用，盾构施工的科学管理就显得越来越重要。其中注浆工艺在盾构掘进管理中的作用尤其醒目，注漿质量的好坏对地铁隧道的质量有着直接显著地影响，可能会造成地表沉降、隆起或管片破损、上浮等严重后果，因此，在施工中对注浆工艺的研究和应用有着十分重要的意义。

1.注浆工艺概述

由于地铁管片外径小于盾构机刀盘开挖直径，当管片拼装完成并脱出盾尾后，管片外侧会与土体之间形成环形施工间隙。若不能及时进行回填，必然会造成地表沉降。为了防止发生地表沉降的情况，要在该环形空隙中要注入压力砂浆以保持地层稳定。

1.1 注浆的目的

（1）控制隧道及地表沉降

向管片背后注浆，及时填充施工间隙，降低对周边地层的扰动，使地层有了支撑就不易发生地表沉降变形。同理，由于造成的施工间隙为环形间隙，若不进行注浆填充，则会造成拼装后的管片下沉，使隧道实际轴线偏离设计轴线，影响后期工程正常使用。

（2）纠正盾构机姿态

通过改变盾构机盾体与管片相对位置也可以达到纠正盾构机姿态的目的。合理的应用注浆工艺，在管片外周单侧注浆，或通过控制两侧注浆量的不同也可以达到改变管片与盾体相对位置的目的，进而实现盾构机的姿态纠偏，控制盾构机的施工轴线。

（3）固结地层、防止喷涌

根据不同的地质条件，合理的改变注浆量，可以达到固结管片外侧地层，改善管片受力状况的目的。同时由于注浆后管片外侧被一层浆液包围凝固，还可以达到改善管片接缝处防水能力，并能够防止周边地下水流至开挖面造成喷涌的现象。

1.2 浆液的种类及特性

注浆工艺所用浆液一般分为单液浆和双液浆两种。

（1）单液浆一般是由水泥、砂子、粉煤灰、膨润土、水等按一定比例直接搅拌而成的浆液，其典型配比如表1所示。根据强度的不同，单液浆又分为惰性浆液与硬性浆液两种。惰性浆液没有掺加水泥等凝胶物质，早期和后期强度较低，而硬性浆液掺有水泥，早后期均有一定强度。

单液浆预制工艺简单，易于控制，不宜堵管，造价低，一般应用于盾构机同步注浆系统中。

（2）双液浆是指由水泥、粉煤灰、膨润土、水等搅拌而成的甲液和水玻璃等组成的乙液混合成的浆液。双液浆典型配比如表2所示。根据初凝时间的不同，双液浆也可分为瞬凝型（小于20s）和缓凝型（30～60s）。为减少注浆过程中对周边地层影响，目前多采用瞬凝型。

双液浆凝结迅速，能够保证管片的早期稳定，可有效阻截水流，但是工艺复杂、容易堵管，难以做到同步注浆，因此一般多用于二次注浆系统。

2.注浆工艺的应用

管片衬砌外侧空隙形成时，应立即进行注浆，并保持一定压力。为防止浆液从开挖面、盾尾缝隙、管片接缝、管片注浆孔等位置流入隧道，一般可采取加强姿态管理减小盾尾间隙、增加盾尾油脂注入、粘贴止水条、用碎布堵塞、更换盾尾刷等措施。根据注浆与盾构机推进的关系，管片背后注浆又可分为同步注浆和二次注浆。

2.1 同步注浆

同步注浆是指在盾构机推进的同时向施工间隙注浆的一种方式，属于水平衬砌背后注浆。同步注浆能够及时的填充施工间隙，进而有效防止地表沉降，并能够控制盾构机姿态，控制好同步注浆参数具有重要意义。

（1）注浆量选择

注浆量的多少直接影响盾构机姿态和地表沉降。根据施工经验一般为管片外周施工间隙的1.2～2.5倍。注浆量计算公式如下所示：

（2）注浆压力选择

同步注浆压力既要大于管片外侧水压力和土压之和，又不能超过盾尾刷所能承受的最高设计压力。注浆压力过大，还会造成地表溢浆；注浆压力过小则会导致填充速度慢，空隙不能及时补充，进而使地表发生沉降。通常将同步注浆压力设为0.2～0.4MPa。

2.2 二次注浆

二次注浆即为同步注浆效果不理想时，对前期注浆进行补充注浆的一种方式。属于垂直衬砌背后注浆，即注浆管通过管片注浆孔垂直于管片内表面向管片背后注浆。根据地表检测数据和盾构机姿态，二次注浆可以多次进行。

二次注浆压力一般控制在2.5MPa以下，每环注浆量为该环所需加固土体放量的20%，实际操作时还应结合注浆压力具体控制。

2.3 注浆工艺的应用

在隧道掘进施工中，同步注浆与二次注浆都要运用。在盾构机推进时必须要进行同步注浆，二次注浆可以在管片拼装完成后根据需要随时进行，对推进后形成的管片缝隙及时的补充浆液进行固化，并起到控制盾构机姿态的作用。在实际施工中除了控制好注浆量和注浆压力等参数，还应做好浆液质量检测。严格按照浆液配比以保证浆液稠度、离析率、强度、凝结时间等指标。

在盾构机始发和盾构机接收阶段，一般要求浆液能够尽快凝结，以达到加固土体、防止洞口漏浆的作用，此时多采用二次注浆机向预留注浆孔注入双液浆来达到目的。

3.注浆施工中的常见问题和控制措施

3.1 注浆施工中的常见问题

（1）地表沉降或隆起

注浆量过少或浆液强度过低、容易离析并渗透到周围地层以及施工监测不及时等都会造成地表沉降。注浆压力过大或注浆量偏高以及穿越建筑物时为防止沉降而进行补充注浆时控制不到位等则会造成地面隆起。

（2）地面或隧道内漏浆

在软弱地层或注浆量过大时都会造成地表溢浆。隧道内漏浆主要分为螺旋机喷涌、盾尾漏浆、管片接缝处漏浆以及主驱动密封或铰接密封处漏浆等。

（3）注浆管堵塞

浆液稠度过高，初凝时间过短、长距离输送或长期停机时都会造成注浆管堵塞。注浆管堵塞在隧道施工中较为常见。

（4）管片破损、错台、上浮或隧道变形

当注浆量和注浆压力控制不当时，还会使拼装完成后的管片发生上浮或错台，进而导致管片破损，引发隧道变形脱离设计轴线。

3.2 一般质量控制措施

注浆管理不到位也会造成严重后果，严重影响隧道质量，因此必须加强注浆管理，严格控制注浆质量。

（1）合理选择注浆方式和浆液类型

同步注浆尽量采用水平衬砌背后注浆，二次注浆可以根据施工需要灵活选择。浆液类型应根据性能不同合理选择，严格按照配比预制，并根据地质情况变化及时调整浆液配比。在转弯半径小的区段选择早期强度高凝结速度快的浆液，在洞门和联络通道区域应采用双液浆进行二次注浆。

（2）合理选择注浆参数并及时调整

注浆压力和注浆量应根据盾构机姿态和地面监测数据进行严格控制，及时调整，并做好施工记录。注浆压力一般略高于周围水压和土压之和，不得高于盾尾刷所能承受的设计压力。

（3）合理选择注浆位置

为控制管片上浮和控制盾构姿态，应根据监测数据及时调整注浆位置，包括盾构机同步注浆自带的四个注浆孔，以及二次注浆时对同环管片注浆位置的选择。在二次注浆时还应采用双液注浆进行隔环全孔注浆以阻断盾尾后方水源。

（4）注意注浆施工中的协调配合

在严格按照施工技术交底进行施工的同时，还应注意同步注浆与二次注浆的协调配合，以及地面沉降、溢浆等实时监测数据的分析应用，确保注浆施工的科学合理。

（5）制定相关应急预案

包括螺旋机喷涌、管片渗漏、盾尾漏浆等应急预案，与注浆工艺相结合，做好预防，严控施工隐患。

4.案例分析

4.1 天津地铁某区间隧道施工过程中，在临近盾构机接收前，盾构机推进其他参数一切正常的情况下，出现拼装完成后的管片一路下沉并破损，盾构姿态与设计轴线上下偏差十几公分。经过专家讨论分析，首先要进行超挖刀复位，怀疑之前进行超挖动作时超挖刀油缸未完全复位，导致仍有部分超挖；然后要在控制推进姿态的同时加强同步注浆，并在正下方的那几环进行二次注浆，最终盾构机未造成大的事故安全进入接收井，该隧道历经坎坷，顺利贯通。

4.2 徐州地铁某临河区间在隧道施工过程中，由于管理協调不到位，同步注浆与二次注浆没有进行好相应配合。二次注浆量过多，导致只要一进行同步注浆，就造成地面溢浆，还好地表无建筑物也并未造成地面隆起，后期经过对地面实时监测并加强配合，情况逐渐好转。

结束语

科学合理应用注浆工艺对于控制隧道沉降及管片拼装质量有着十分重要的意义。在预制浆液时做好浆液配比及质量检测，盾构推进时控制好同步注浆参数，合理把握二次注浆时机和位置，层层把关，才能保证隧道施工质量，安全无隐患的按时完成施工任务。

参考文献

[1] 吴巧玲.盾构构造及应用[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2] 周文波.盾构法隧道施工技术与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3] GB50446-2008盾构法隧道施工与验收规范[S].