一种用于盾构隧道同步注浆的可视化监测方法及改性注浆浆料与流程

本发明涉及隧道施工，特别涉及一种用于盾构隧道同步注浆的可视化监测方法及改性注浆浆料。

背景技术：

1、盾构法因具有施工速度快、对环境影响小、自动化程度高等优点，已成为城市地下隧道工程的主流施工方法。在盾构掘进过程中，为填充管片与围岩之间的环形间隙、控制地表沉降、保证管片结构的稳定性，必须进行同步注浆。同步注浆的效果直接影响隧道衬砌的长期安全与服役性能。

2、目前，同步注浆施工主要面临以下技术难题。

3、注浆过程及浆料凝固过程缺乏有效的实时监测手段。现有技术中，对管片变形的监测多采用“每环推进后测量”的方式，即在一整环管片拼装完成并注浆结束后，再对管片的变形量进行检测。然而，浆料对管片的作用力在注浆过程中持续变化，且浆料从液态到固态的凝固过程伴随体积收缩与强度发展，该过程持续数小时至数天。环后检测属于事后检测，无法捕捉注浆过程中的实时变形和浆料凝固过程中的应力演变，错失了最佳调整时机，可能导致管片在浆料与围岩压力的共同作用下产生不可逆的变形甚至开裂。

4、现有探地雷达技术在直接应用于同步注浆监测时存在固有局限。探地雷达通过发射高频电磁波并接收回波来探测地下介质分布。理论上，其可用于监测注浆层，但在实际应用中，常规同步注浆浆料主要由水泥、粉煤灰、细砂等组成，其电磁特性（介电常数、电导率）与围岩和管片的差异有限，且浆料内部存在大量微孔隙和毛细通道，这些微观结构会造成电磁波的强烈散射和能量衰减。因此，直接使用探地雷达探测常规浆料时，获得的回波信号通常信噪比低、界面模糊，难以精确识别浆料的填充边界、流动状态和凝固程度，无法满足施工精细控制的需求。

5、为解决上述问题，部分研究尝试在浆料中添加示踪剂以增强雷达回波信号。然而，现有示踪剂的选择通常仅考虑其信号增强作用，而忽略了其对浆料自身性能的影响。例如，示踪剂的加入可能破坏水泥石结构的均匀性，导致浆料后期强度下降或弹性模量发生不利变化，反而增加了结构安全风险。如何在增强雷达探测信号的同时，确保甚至改善浆料的力学与耐久性能，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、鉴于上述内容，有必要提供一种用于盾构隧道同步注浆的可视化监测方法及改性注浆浆料。该方法操作相对简单，成本可控，能够解决同步注浆过程中浆液是否填满空隙及凝固过程中浆液对管片的作用无法准确监测的问题。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种用于盾构隧道同步注浆的可视化监测方法，包括以下步骤：

4、步骤一：制备改性注浆浆料，所述改性注浆浆料包含水泥、粉煤灰、细砂、膨润土、减水剂、水以及复合示踪剂；所述复合示踪剂包括磁粉和纳米填料，所述磁粉的粒径为0.1μm-20μm，所述复合示踪剂的质量占所述改性注浆浆料总质量的0.3%-0.8%；

5、步骤二：在盾构机同步注浆过程中，将所述改性注浆浆料注入管片与围岩之间的环形间隙；

6、步骤三：在注浆过程中及注浆完成后，采用探地雷达对所述环形间隙进行连续扫描，所述探地雷达的发射天线为低频vhf波段天线，工作频率为100mhz-300mhz；

7、步骤四：接收所述探地雷达的回波信号，通过图像处理生成深度-强度剖面图，根据所述深度-强度剖面图中回波信号的强度变化和界面特征，动态监测并判断所述改性注浆浆料的填充状态、流动轨迹及凝固进程。

8、本发明中，进一步的，所述磁粉选自铁氧体磁粉或羰基铁粉中的至少一种；所述纳米填料为纳米二氧化硅或偏高岭土。

9、本发明中，进一步的，所述磁粉为经硅烷偶联剂表面改性的羰基铁粉，所述纳米填料为纳米二氧化硅，且所述羰基铁粉与所述纳米二氧化硅的质量比为3:1至5:1。

10、本发明中，进一步的，所述磁粉的粒径分布中，粒径在1μm-5μm范围内的颗粒质量占比不低于60%。

11、本发明中，进一步的，所述改性注浆浆料的制备方法包括以下步骤：

12、s1. 预分散：将所述磁粉与所述减水剂、部分所述水混合，在高速剪切分散机中分散，转速800rpm-1200rpm，时间5min-10min，形成磁粉分散液；

13、s2. 干混：将所述水泥、粉煤灰、细砂、膨润土以及所述纳米填料混合均匀，得到干混料；

14、s3. 搅拌：将所述磁粉分散液与剩余的水加入所述干混料中，先低速搅拌60s，再高速搅拌120s-180s，得到所述改性注浆浆料。

15、本发明还提出一种用于盾构隧道同步注浆的改性注浆浆料，包括以下质量百分比的组分：

16、水泥：20%-30%；

17、粉煤灰：10%-20%；

18、细砂：40%-60%；

19、膨润土：2%-5%；

20、减水剂：0.2%-0.5%；

21、水：25%-35%；

22、复合示踪剂：0.3%-0.8%；

23、其中，所述复合示踪剂包括磁粉和纳米填料，所述磁粉的粒径为0.1μm-20μm。

24、本发明中，进一步的，所述磁粉选自铁氧体磁粉或羰基铁粉中的至少一种；所述纳米填料为纳米二氧化硅或偏高岭土。

25、本发明中，进一步的，所述磁粉为经硅烷偶联剂表面改性的羰基铁粉，所述纳米填料为纳米二氧化硅，且所述羰基铁粉与所述纳米二氧化硅的质量比为3:1至5:1；所述磁粉的粒径分布中，粒径在1μm-5μm范围内的颗粒质量占比不低于60%。

26、本发明还提出一种以上所述的用于盾构隧道同步注浆的改性注浆浆料的制备方法，包括以下步骤：

27、s1. 预分散：将磁粉与减水剂、部分水混合，在高速剪切分散机中分散，转速800rpm-1200rpm，时间5min-10min，形成磁粉分散液；

28、s2. 干混：将水泥、粉煤灰、细砂、膨润土以及纳米填料混合均匀，得到干混料；

29、s3. 搅拌：将所述磁粉分散液与剩余的水加入所述干混料中，先低速搅拌60s，再高速搅拌120s-180s，得到改性注浆浆料。

30、本发明还提出一种用于盾构隧道同步注浆的可视化监测系统，包括：

31、浆料制备单元，用于制备如上所述的改性注浆浆料；

32、注浆单元，与所述浆料制备单元连接，用于将所述改性注浆浆料注入管片与围岩之间的环形间隙；

33、探地雷达单元，包括低频vhf波段天线，工作频率为100mhz-300mhz，用于在注浆过程中及注浆完成后对所述环形间隙进行连续扫描，并接收回波信号；

34、数据处理单元，与所述探地雷达单元连接，用于接收所述回波信号，并通过图像处理生成深度-强度剖面图，以动态监测并判断所述改性注浆浆料的填充状态、流动轨迹及凝固进程。

35、本发明至少具有如下有益效果：

36、1.本发明通过在同步注浆浆料中添加特定粒径（0.1μm-20μm）和掺量（0.3%-0.8%）的磁粉与纳米填料组成的复合示踪剂，显著增强了探地雷达的回波信号。如表1所示，未添加复合示踪剂的常规浆料（对比例1）雷达回波信噪比仅为8.2db，信号强度弱，难以分辨浆料与管片、围岩的界面；而本发明实施例1-3的信噪比分别达到24.6db、28.3db和26.1db，提升幅度达200%以上。基于高信噪比的回波信号，通过数据处理生成深度-强度剖面数据，能够实时获取浆料在注浆层中的位置信息，清晰反馈浆料的填充状态、流动轨迹及凝固进程，实现了注浆过程的动态可视化监测，为盾构隧道注浆层的监测提供了全新方法。

37、2.本发明采用的复合示踪剂不仅具有增强雷达回波的功能，还能通过物理填充和化学结合作用改善浆料的微观结构。如表1所示，对比例2复合示踪剂掺量过高（1.2%）时，因团聚破坏结构均匀性，28d抗压强度下降至38.2mpa；而对比例3掺量过低（0.1%）时，强度仅与常规浆料持平。本发明实施例1-3的28d抗压强度分别为44.8mpa、46.3mpa和45.2mpa，均高于常规浆料（42.5mpa），其中实施例2采用表面改性羰基铁粉与纳米二氧化硅复配，强度提升最为显著。同时，实施例1-3的抗渗等级均达到p12，而常规浆料仅为p8。这表明在粒径满足要求的情况下，磁粉在搅拌过程中可充分与浆料融合，填充浆料中的孔隙，增加密实性，起到增强和抗渗的协同作用。

38、3.通过本发明提供的可视化监测方法，操作人员可根据回波信号反馈的界面位置信息，实时调整注浆压力和流量，确保浆料均匀填充。与传统的雷达监测方法相比，本发明通过在注浆中添加磁粉，使得雷达在检测过程中可以更准确地定位浆料位置，将浆料位置清晰地反馈到监测系统，从而提高检测精度。应用例表明，采用本发明技术方案后，管片最大变形量为2.1mm，远低于设计允许值（≤6mm），与未使用本发明技术的相邻施工段相比，管片变形量降低了约40%，注浆密实度检测合格率由85%提升至98%。本发明能够及时发现并预警注浆异常，有效避免了管片变形、开裂及上浮等施工风险，保障了隧道衬砌结构的长期稳定性。

39、4.相比传统的钻孔取样检测方法，本发明无需破坏性取芯和补浆操作，通过探地雷达沿临时轨行走即可完成对注浆层的连续监测，省去了取芯补浆的过程，操作简便，易于施工人员掌握和上手。同时，本发明的探测范围达到1m-5m，完全覆盖300-1000mm的管片厚度及注浆层厚度，能够适应不同地质条件下的施工需求，为盾构隧道施工提供更可靠简便的检测方法。本发明对现有盾构施工流程改动小，仅需在浆料制备时添加复合示踪剂，并在隧道内布设探地雷达小车，具有良好的工程适用性和推广价值。

40、综上所述，本发明通过改性浆料与雷达监测技术的协同创新，在实现注浆过程可视化监测的同时，显著提升了浆料的力学性能和抗渗性能，操作简便，适应性强，为盾构隧道同步注浆施工提供了一种可靠、高效的技术方案。