TSS型注浆管及其注浆技术的研究与应用

1、TSS型注浆管及其注浆技术的研究与应用张民庆（铁道部隧道工程局，471009）提 要 本文主要介绍了TSS型注浆管及其系列配套设备的研制，以及该种注浆管注浆技术的研究和工程应用。主题词 TSS型注浆管 系列配套设备 注浆技术 研究 应用1 概述袖阀管注浆工法又称索列坦休斯工法，它是由法国Soletanche灌浆公司首创的一种注浆工法，该工法在国内外施工中已被广泛采用，但一般局限于地表垂直注浆施工。铁道部隧道工程局经过深入研究，拓宽发展，形成“饱和动态含水砂层注浆工法”，工法的主要技术是洞内采用袖阀管，采取长短管相结合注浆工艺对饱和动态含水砂层进行注浆。该工法曾在广州地铁杨体区间成功地解决了11

2、1.8m饱和动态含水砂层的注浆施工。工法的主要技术优、缺点如表1。饱和动态含水砂层注浆工法主要技术优、缺点表 表1序号优 点缺 点1套管跟进钻进成孔，解决了饱和含水砂层的成孔难题。套管跟进钻孔，工艺实施难度较大；套管跟进钻机为大型机械，增加了工程的投入；机械体积较大，使用不方便，不适宜于小型断面施工。2极座标法布设注浆孔，定位快速、方便。增加了无效注浆范围，增加了工程造价；形成了较大的注浆死角，需要大量的补孔注浆；钻孔角度较大，增加了成孔的难度；3采取套管后退式工艺安设注浆管，解决了饱和含水砂层中注浆管的安设。套管口径大，钻进困难，采取适量的排砂措施，虽然可以增加钻进速度，但工艺要求技术性特别

3、高，工人掌握较为困难，施工中稍有不慎，易引起较大的涌水、涌砂事故。4硬质PVC塑料管采用袖阀式结构，起到了单向阀管的作用，可以保证浆液顺利地注入地层，而地层中的水和砂粒不会进入注浆管而造成注浆管堵塞，保证了注浆质量；注浆管内壁光滑，PC系列止浆塞解决了止浆问题，可以实施分段注浆工艺。PVC塑料注浆管易受压变形，施工中一般只能采取钻一孔、注一孔的施工原则，工序转化频繁，降低了工效；PVC塑料注浆管相对较软，需要加强筋提高其抗折强度，这样增加了注浆管的外径尺寸，随之施工中需要采用较大的套管配套，增加了钻进难度，增加了工程成本；注浆管价格较高，材料来源不广，易限制工程的顺利进展；塑料注浆管强度较低，

4、不能有效地充当超前小导管的支护作用。综合以上主要技术特点，其不足之处主要是由于采用袖阀管限制了钻进、成孔、注浆，因而，需要研究更适合于饱和动态含水砂层的注浆管材及工艺。目前，铁道部隧道工程局研制的TSS型注浆管材及其注浆工艺是在袖阀管基础上更具有适用性、优越性的材料及工艺，它具有如下特点：（1）施工中不需要大型钻孔机械，给施工配套带来方便；（2）采取风钻或风镐顶进技术布设注浆管，不易造成注浆管布设过程中的涌水、涌砂事故；（3）采用相对位置法定位，将角度定位技术转化为距离定位技术，定位方便，易于掌握、实施；（4）可以实现注浆管沿开挖断面周边进行布设，减少了无效注浆范围，节约了注浆材料，降低了工程

5、成本；（5）注浆管口径小，钻进容易，节约了能源，降低了工程成本；（6）钢管硬度大，可以实施多孔钻注作业，节约时间，缩短工期；（7）采取顶管技术，同套管跟进成孔、下注浆管技术相比较，布设一根注浆管时间可由原来的2h缩短为2030min，节约时间7080%以上，大大地缩短了工期；（8）材料来源广，成本低；（9）注浆管为焊接钢管，周边布设后可以起到超前支护加强作用，对稳定地层十分有利。2 TSS型注浆管及其系列配套设备的研制2.1 基本原理为便于系列设备的配套，保证焊接钢管顶管布设时不易弯曲变形，TSS型注浆管采用加厚型GB32（或寸）焊接钢管加工制作。焊接钢管内径的误差是影响止浆系统的重要因素。选

6、择60根GB32焊接钢管进行内径测试。测试结果如下：平均内径：36mm；34.92mm（即平均内径小于-3%误差范围） 0根34.92mm35.28mm（即平均内径-3%-2%误差范围） 1根35.28mm35.64mm（即平均内径-2%-1%误差范围） 3根35.64mm36mm（即平均内径-1%0%误差范围） 22根36mm36.36mm（即平均内径0%1%误差范围） 27根36.36mm36.72mm（即平均内径1%2%误差范围） 7根36.72mm37.08mm（即平均内径2%3%误差范围） 0根绘制管内径频数曲线，如图1。频数曲线近似为正态分布，可见钢管内径是比较均匀的，最大误差为-

7、3%2%，这对于注浆系统的止浆十分有利。图1 注浆管内径误差频数图2.2 TSS型注浆管加工（1）采用JGQ-400移动式型材切割机切割5m长GB32焊接钢管;（2）采用气割机将焊接钢管前端割成三瓣花叶状，用铁锤将三瓣花叶状钢片向钢管轴心方向敲笼成尖锥型，用电焊焊接尖锥部位，使其密闭性良好。（3）在注浆管末端加焊68mm钢筋制成管箍。（4）按注浆管设计图（如图2所示），在注浆管周体，垂直间隔10cm，用台钻钻设4.5mm的溢浆孔。（5）利用台钻，采用10mm洗刀，沿4.5mm溢浆孔进行洗孔，洗孔深度0.51mm，这样在焊接钢管上就制作出了外大内小的台阶型钻孔。（6）采用10mm冲子，在薄铝板（

8、可用易拉罐替代）上冲出10mm圆贴片。（7）用胶粘剂将圆贴片粘贴在台阶型钻孔上。（8）注浆管贴上贴片后放置24h，待胶粘剂具有较强的粘接强度后方可使用。图2 TSS型注浆管加工示意图2.3 配套设备加工2.3.1 TSA顶管采用34（外）×2.5mm长4.8m的无缝钢管作为顶管。它主要起到推动止浆塞膨胀，使止浆塞起到止浆作用。2.3.2 TSB芯管采用18（外）×3mm长5m的无缝钢管加工芯管。一端加工35cm外丝，配合螺栓和垫片，起到阻挡止浆塞作用；另一端加工20cm外丝，用于顶杆螺母的移动，以及连接管路。芯管的主要作用是输送浆液。2.3.3 TSC顶杆螺母采用60（外）

9、×30mm（长）的圆钢加工，沿轴心方向钻M1618内丝，TSC顶杆螺母应和TSB芯管内外丝配套。螺母对应两侧钻12丝孔，深度15mm，安设15cm长的螺杆。主要通过旋转TSC顶杆螺母使止浆塞膨胀，起到止浆作用。2.3.4 TSD止浆塞止浆塞采用弹性好，回复力强，耐久性好，耐酸碱性的优质橡胶，掺加隧道局科研所提供的添加料进行制作。加工尺寸为34（外）×18（内）×80mm（长）。止浆塞制作材料标准及制作后的性能要求如下：（1）材料中天然橡胶含量不得低于70%，以确保止浆塞具有良好的弹性及恢复变形性；（2）止浆塞抗拉强度应大于20MPa，永久变形性不大于10%，伸长率

10、不小于40%；（3）止浆塞在5%的稀盐酸或10%的NaOH溶液中浸泡24h，其膨胀率小于5%；（4）止浆塞耐久性能好，硬度高，邵氏硬度应达7075。2.4 止浆塞止浆系统试验将芯管、顶管、止浆塞配套后，装入独头焊接钢管中（将焊接钢管一端焊死），顺时针旋转顶杆螺母，经过力的传递，使止浆塞膨胀（如图3），旋转至感到吃力为止。分别采用0.1、0.3、0.6、1.6MPa压力，采用注浆泵进行注水试验。1.芯管 2.顶杆螺母 3.垫圈 4.顶管 5.独头焊接钢管 6.垫圈 7.止浆塞 8.垫圈 9.固定螺母图3 止浆塞性能试验装配图经过试验，在每个压力值停滞5min，压力无损失，止浆塞止水效果好。因而可

11、以认为该种止浆塞可以起到止浆的目的，已能满足饱和含水砂层的分段注浆使用。2.5 注浆管花管部分开孔选择注浆管必须具备单向袖阀管的作用，我们对注浆管花管部分的开孔方式进行了台阶型孔、锥形孔的比较。锥形孔钻孔容易，成本低，成孔精度要求相对较，但在现场布管过程中易脱落，不能确保质量；台阶形孔能保证现场布管过程中的质量，花管钻孔容易，成本较低，成孔精度要求相对较低。经过比较，我们认为，采取台阶型孔比较合理、适用。2.6 粘接胶试验粘接胶粘接贴片后，既要保证具有一定的粘接强度，使粘接贴片不会因为在TSS注浆管布设过程中脱落，又要保证在不大的注浆压力下（1MPa），粘片可以被吹脱，使浆液注入地层，同时，粘

12、接胶又不能在水中溶解，即具有非水溶性，从而保证多孔布设、注浆作业。经对目前市场上销售的数十种粘接胶调查研究，我们重点选用了668、704、502、HL302、WD1001等5种粘接胶进行室内试验，通过研究胶粘剂的粘接强度、粘接剂在水中的性能状况、粘接强度上升情况等内容，我们认为HL302型粘接胶性能较优，比较适合TSS型注浆管的使用。2.7 溢浆孔的开孔研究为研究溢浆孔的开孔数量，我们选择了A、B两种溢浆孔型式（如图4-1、4-2）的TSS型注浆管在深圳市向西路人行地道工程南侧竖井含水砂层进行注浆试验。注浆段长60cm，注浆终压1.2Mpa，注浆量0.10.3m3。试验采用了38根A种注浆管，

13、32根B种注浆管，注浆结束后，将注浆管挖出观察注浆管溢浆孔上粘片被冲开情况。绘制溢浆孔冲开百分数（冲开孔数占总溢浆孔数的百分比）频数曲线，如图5-1、5-2所示。图4-1 A种TSS型注浆管图4-2 B种TSS型注浆管图5-1 A种TSS型注浆管溢浆孔冲开频数曲线图图5-2 B种TSS型注浆管溢浆孔冲开频数曲线图计算A、B两种TSS型注浆管注浆段总溢浆面积、芯管泄浆面积，以及它们之间的关系。 比较溢浆孔冲开频数情况同溢浆孔的开孔状况关系，可以看出若溢浆孔开孔数量不合适，则会造成部分溢浆孔不泄浆，这样，一则会影响注浆质量，二则增加了溢浆孔的数量，造成了材料浪费，增加了TSS注浆管的加工费用。经比

14、较计算分析，我们认为TSS型注浆管开孔应以注浆段溢浆孔面积为芯管泄浆面积的11.2倍为宜。3 TSS型注浆管注浆施工工艺研究3.1工艺流程TSS型注浆管注浆工艺流程如图6所示。好差施工准备封闭工作面配制浆液TSS型注浆管加工风钻引孔监控量测，控制地表隆起值30mm风镐顶管后退式分段注浆补孔注浆超前小导管施工开挖支护注浆效果检查评定图6 TSS型注浆管注浆工艺流程3.2 注浆管布设3.2.1注浆管布设计算由于TSS型注浆管采用厚壁的小口径钢管加工制成，因而，可以采用风镐将其顶入砂层，完成注浆管的布设工作，这样，完全解决了注浆管布设过程中砂的涌出。TSS型注浆管按相对位置法进行钻孔布设。相对位置是

15、利用标杆，以注浆孔开孔位置为相对原点，根据相对位置移动标杆，标杆应垂直于工作面，通过开孔位置和标杆顶端确定注浆管的布设方向。该方法操作简单，定位准确。定位参数计算公式如下：式中：、指标杆相对于开孔位置的相对位置（cm）；、指注浆孔终孔座标（cm）；、指注浆孔开孔座标（cm）；指标杆高度，一般用50cm标杆；指注浆加固段长度（cm）；3.2.2注浆管布设步骤（1）架设作业平台；（2）按照设计图纸在工作面上将注浆管孔位用红油漆标出；（3）采用0.5m标杆按开孔位置相对位置，采用相对位置定位技术进行钻杆定位，采用YT28风钻（或7655风钻），用1m钻杆对砼封闭层进行钻穿引孔。（4）采用手持风镐，利

16、用作业平台，用冲击套将注浆管顶入地层，注浆管外露1020cm。（5）注浆管布设后，采用棉纱+速凝水泥砂浆将注浆管周围封填，以避免注浆施工中产生返浆。3.3 注浆作业3.3.1注浆参数注浆参数如表2所示。注浆参数表 表2参数名称 参 数 值注浆加固范围开挖轮廓线外拱部及边墙23m，底板以下12m，掌子面砂层。注浆管长46m根据需要进行选择止浆岩墙50cm喷射砼层+（1.52m）余留止浆墙凝胶时间3060s扩散半径0.50.8m终孔间距按式进行计算确定。式中：指注浆终孔间距（m）；指浆液扩散半径（m）。注浆速度530l/min注浆段长0.6m注浆终压0.51.2Mpa（地下管线影响地带取低压，其它

17、取中、高压）单段注浆量按式进行计算确定。式中：指注浆量（m3）；指浆液扩散半径(m)；指注浆段长（m）；指地层空隙率；指地层空隙充填率；指浆液损失率，一般取1030%。3.3.2配制浆液（1）超细水泥浆的配制根据预配制水泥浆的体积，按水灰比和缓凝剂掺量计算出所需要的超细水泥、水和缓凝剂的用量。施工中宜采用水灰比为W:MC=1.5:13:1。根据用量，首先在容器中加入水和缓凝剂，强力搅拌，待缓凝剂充分溶解后，加入超细水泥，强力搅拌，混合均匀。（2）水玻璃浆的配制在浓水玻璃中加入水，边加水边搅拌，边用玻美计测试其浓度，到达所需要的稀释浓度为止。施工中宜采用水玻璃浓度为3040Be。3.3.3 注浆

18、施工注浆管全部布设完成后，开始进行注浆作业。采用TSS型注浆管配套设备，采用双液注浆泵，采取后退式分段注浆工艺进行注浆作业。后退式分段注浆工艺：将带有止浆塞的芯管和顶管连接后插入到注浆管相应位置，顺时针旋转顶杆螺母，使止浆塞膨胀，以达到止浆效果。连接注浆管路，采用双液注浆泵向孔内注浆，每次注浆段长选择为0.6m，即第一段注浆完成后，反时针旋转顶杆螺母，使止浆塞恢复到原状，将芯管后退0.6m，进行第二段注浆，如此下去，直至将整个注浆段完成。后退式分段注浆要特别注意止浆塞的损坏程度，施工过程中若发现止浆塞存在问题，应立即更换，以免引起注浆管堵塞，造成芯管无法拔出，影响正常施工。3.4监控量测采用精

19、密水准仪测试在注浆过程中地表的变形情况，控制注浆过程中地表的隆起变形。在注浆过程中，地表隆起限值为30mm，否则，应调整设计参数，采取增加注浆管数量，缩短布管间距，以达到控制地表隆起变形，确保工程施工安全，有效保护周围环境。3.5 安全措施注浆结束后，应对注浆效果进行检查评定，注浆效果未达到要求，不得进行开挖施工。在施工过程中若出现局部涌水、涌砂应立即封闭，补充注浆。注浆效果的检查评定主要采取分析法、钻检查孔法和等三种方法。分析法包括注浆过程中的PQt曲线分析、群孔注浆浆液填充率的反算分析；钻检查孔法包括检查孔的观察和检查孔注水试验，注浆结束后检查孔钻进过程中排出的岩粉中应有浆液的胶凝体，检查

20、孔钻孔结束后，将钻孔放置一段时间，观察检查孔中应没有涌水、涌砂现象；检查孔注水试验，注浆后地层渗透系数应10-4cm/s；开挖面观察及取样测试主要是观察砂层被固结情况，对开挖面砂样固结体力学指标测试，固砂体抗压强度应0.3Mpa。4 工程实例深圳市向西路人行地道工程位于深圳市深南东路与向西路丁字路口，工程由主通道和四个梯道组成。主通道穿越深圳市交通最为繁忙的深南大道。该路段区域地面交通繁忙，地下管线较多。主通道采取“浅埋暗挖法”施工。主通道设计净宽6.0m，净高2.5m，长49.34m。梯道净宽3.6m，净高2.5m，梯道总长130.4m。主通道最大覆土厚约5.3m，最小覆土厚约4.3m。该工

21、程竖井及梯道通过人工填土层、埋藏植物层（Qpd）、第四纪冲积层（Qa1+p1）；主通道穿越地层为第四纪冲积层，其中南口开挖断面内拱部及墙身为淤泥粉质粘土层和粉质粘土层，底板为中、粗砂层；北口开挖断面内为中、粗、细砂层。工程所在地区地下水属孔隙型潜水类型，稍具承压。主要赋存于第四纪冲洪积砂层中，水量丰富。地下水与深圳河有水力联系，水位随季节变化较大，稳定水位为02.6m，标高为2.292.97m。通道位于地下水位以下，开挖最大水头差为7.2m。该工程施工难度大，隧道工程局科研所针对该工程的具体工程及水文地质条件，结合开挖断面大小和工程的施工方法，提出了采用“TSS型注浆管注浆技术”处理该工程饱和

22、动态含水砂层。4.1 注浆材料 注浆材料采用超细水泥水玻璃双液浆。配比：W:MC=(1.52):1，MC:S=1:1，水玻璃浓度35Be。4.2 注浆参数注浆参数见表3。注浆参数表 表3参 数 名 称参 数 值注浆加固范围开挖轮廓线外周边2m，底板以下1m，掌子面砂层。注浆管长5m、6m两种止浆岩墙50cm喷射砼层+（1.52m）余留止浆墙凝胶时间3060s扩散半径0.50.8m注浆速度530l/min注浆段长0.6m注浆终压0.51.2Mpa（管线段取低值）单段注浆量0.10.3 m34.3 注浆设计根据地层的注浆加固范围要求，地层中的地下水流向，砂层分布状况，以及浆液在地层中的扩散能力进行

23、注浆设计。竖井注浆采取TSS型注浆管垂直注浆技术（以北侧竖井砂层第一循环注浆设计为例如图7所示）。主通道注浆采取TSS型注浆管水平注浆技术（以主通道北侧第一循环注浆设计为例如图8所示）。注浆孔终孔交圈图 注浆孔开孔孔位图 A-A断面纵剖面图 B-B断面纵剖面图图7 北侧竖井砂层第一循环注浆设计图 注浆孔终孔交圈图 注浆孔开孔图图8 主通道北侧第一循环注浆设计图4.4 注浆施工1注浆管布设：采用手持风镐，利用作业平台，用冲击套将注浆管顶入地层。2注浆作业：注浆管全部布设完毕后，开始进行后退式分段注浆工艺。3注浆顺序：注浆宜按约束开放型注浆顺序进行施工，其注浆顺序原则如下：首先将群孔的三周进行注浆

24、，从而达到约束的目的，以防止浆液过远扩散；然后采取开放型注浆，由一侧向另一侧平行推进，以达到排水的目的。4.5 注浆效果检查注浆结束后，必须进行注浆效果检查。其方法主要采取以下三种方法。4.5.1 分析法（1）注浆过程中P-q-t曲线通过对钻孔、注浆记录进行整理，分析现场注浆施工每个孔段的注浆压力P，注浆流量q，同注浆时间t的关系曲线，如图4所示，以及串浆情况，结合注浆施工采用的机械（注浆施工采用KBY双液注浆泵）性能特点，在注浆过程中，注浆压力一般应都能达到设计注浆终压，同时，注浆速度在逐渐减小，这说明浆液的扩散充填能够满足设计的扩散范围，具有一定的渗透填充、挤压密实效果，地层的注浆质量是高

25、的。 Pt曲线 qt曲线图4 注浆Pqt曲线 由曲线可以看出，开始时，注浆施工采取低压力灌注，注浆压力控制为0.50.7MPa，随着注浆的进行，浆液有效地填充了砂层的空隙，为了使浆液继续注进砂层，注浆泵压力自行逐渐提高，为保护地下管线的安全，防止浆液在饱和动态含水砂层中产生劈裂，我们采取注浆终压为11.2Mpa。在注浆过程中，通过调整注浆孔布距、注浆初始压力、注浆流量，从而达到在注浆量满足设计要求时，注浆终压也基本为设计终压11.2Mpa。根据KBY注浆泵的性能特点，在注浆开始时，我们采用较大的注浆流量即2030l/min进行注浆，随着注浆工作的进行，注浆泵无极调速，注浆流量逐渐减小，最后注浆

26、流量减小为510l/min，这充分证明了在注浆过程中，注浆材料有效地填充了砂层的空隙，达到了注浆固砂堵水的目的。（2）浆液填充率反算注浆结束后，统计注浆量Q，计算浆液在饱和动态含水砂层的填充率k，k=33.6%，k（30%，45%），同样可以说明注浆效果基本满足要求。4.5.2钻检查孔法根据注浆记录，在注浆最薄弱的部位确定检查孔。对检查孔进行钻孔检查，检查孔无涌水、涌砂。对检查孔进行注水试验，测试注浆后砂层的渗透系数为2.18×10-54.60×10-6cm/s，符合要求。4.5.3开挖后取样根据目前竖井开挖后的取样可以观察到，砂层已被加固，强度适中，砂层的加固主要为主脉下

27、的均匀渗透扩散。对取样进行力学指标测试。测试结果：经注浆加固后，细砂抗压强度提高为0.310.36Mpa；中砂为1.24Mpa；中粗砂为1.241.32Mpa。4.6 监控量测注浆施工中，监测地表最大隆起值为22.4mm，符合要求。经过TSS型注浆管注浆施工，饱和动态含水砂层加固效果好，保证了该工程的安全优质施工。5 结论与体会（1）该技术主要适用于饱和动态含水砂层（砂层为中细砂、中砂、中粗砂、粗砂，砂层渗透系数范围为102104cm/s）的铁路、市政、公路、水工、电力等各种地下隧道工程的注浆加固堵水。其它地层根据要求可选用。（2）TSS型注浆管具有袖阀管的作用。花管部分溢浆孔上覆盖着贴片，这

28、样可以保证浆液通过溢浆孔进入地层，而地层中的水和砂粒难以进入注浆管材，从而达到注浆管的单向阀作用。TSS型注浆管采用普通焊接钢管加工制作，管材料源广，加工容易。（3）采用TSS型注浆管，采取超细水泥水玻璃配双液浆进行注浆施工，采用TSS型注浆管的配套系列设备，可以满足后退式分段注浆工艺，其注浆分段长度短（一般取0.61.0m），可以有效地解决海陆交互相冲积饱和动态含水砂层中，中、粗、细砂交互出现，地质多变等复杂条件下，注浆加固的均一性，提高其整体加固效果。浆液在砂层中主要形成均匀渗透扩散，不易发生大量的劈裂、挤压状况，可以较好地均匀加固砂层，形成完整的防水帷幕。（4）利用顶管技术进行注浆管布设

29、，施工速度快，不会发生涌水、涌砂，较好地解决了在饱和动态含水砂层中的成孔、布管工艺（5）施工设备配套简单、工艺易操作，施工成本较低。同洞内长短管相结合注浆工艺（广州地铁杨体区间采用）相比，施工进度可提高50%。同盾构法相比，采取TSS型注浆管注浆工艺施工饱和动态含水砂层，可以减少对环境的污染，同时，施工成本降低60以上。（6）该技术具有广阔的应用前景，由于作者水平有限，尚有许多不足之处有待进一步深入研究。RESEARCH AND APPLICATION OF THE TSS TYPE PIPE FOR GROUTING AND THE GROUTING TICHNIQUEZhang Minqing Science Research Institute of Tunnel Bureau ,Ministry of RailwaysAbstract Th