小斷面隧洞TBM掘進同步鉆孔灌漿工法

(中國水利水電第四工程局有限公司，四川 成都 610091)

TBM掘進是一種集隧洞成型、初期支護和出渣運輸于一體的自動化、工廠化施工技術，具有快速、優(yōu)質、安全、環(huán)保等優(yōu)點，已成為長隧道施工的發(fā)展方向，在長引水隧洞、地鐵施工中應用廣泛。因隧洞斷面較小，洞室圍巖接觸灌漿、固結灌漿與掘進不能同時施工，均需在TBM掘進完成后進行，影響總工期。根據(jù)蘭州水源地引水隧洞Ⅱ標段TBM掘進隧洞工況條件，設計、加工制作了鉆孔灌漿臺車，依托臺車進行鉆孔灌漿作業(yè)，不影響TBM掘進和洞內材料運輸車通行，實現(xiàn)了鉆孔灌漿與TBM掘進同步施工，節(jié)約項目直線工期，可為同類TBM掘進隧洞鉆孔灌漿作業(yè)提供參考。

1 適用范圍

本工法可適用于TBM掘進圓形隧洞、馬蹄形隧洞及其他開挖方法形成的斷面直徑不大于6m的隧洞鉆孔灌漿作業(yè)。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 施工工藝流程

本工法實現(xiàn)了鉆孔灌漿與TBM掘進同步施工，節(jié)約項目直線工期。根據(jù)小斷面隧洞特征，自行設計加工鉆孔灌漿臺車，具體施工工藝流程如下。

工況調查→臺車結構設計→臺車加工制作→現(xiàn)場安裝調試→鉆孔設備安裝→鉆孔設備調試→鉆機就位→鉆孔→灌漿阻塞器安裝→鉆孔沖洗壓水試驗→灌漿→灌漿結束→封孔、閉漿→人工封孔→臺車轉移。

2.2 操作要點

2.2.1 臺車結構設計及論證

根據(jù)隧洞工況條件調查結果，進行灌漿臺車、鉆孔臺車及水泥罐結構設計，然后到現(xiàn)場核實，修改結構設計；組織專家論證結構設計方案，根據(jù)論證會意見修改結構設計，進行力學計算后，形成臺車加工制作方案如下。

鉆孔臺車長2604mm，高2478mm，頂2200mm，翼879mm，兩翼處寬3857m，可調節(jié)寬度127mm，兩翼處空間高1542mm，可調節(jié)支腿高度934mm，調節(jié)高度15～30mm，軌道運輸車通行空間凈寬1900mm，凈高2371mm。鉆孔臺車結構見圖1。

圖1 鉆孔臺車結構

灌漿臺車長6300mm，高2479mm，頂寬2200mm，翼寬880mm，兩翼處寬3856mm，兩翼處空間高1597mm，可調節(jié)支腿高934mm，調節(jié)高度15～30mm，軌道運輸車通行空間凈寬1900mm，凈高2334mm，灌漿臺車結構見圖2。

圖2 灌漿臺車結構

制漿站臺車前端(設備段)為兩翼型，長1200mm，結構與鉆孔臺車相同，翼寬880mm，兩翼處寬3856mm，兩翼處空間高1597mm；后端為單翼型，長10600mm，寬1000mm，空間高1500mm，與軌道運輸車空間間距201mm，制漿臺車單翼段結構見圖3。

圖3 制漿臺車單翼段結構

臺車移動裝置包括可拆卸連接固定件和可拆卸式收縮帶滾輪支腿，連接固定件長1900mm，可拆卸式收縮帶滾輪支腿高934mm，可調節(jié)高度150mm，臺車移動裝置結構見圖4。

圖4 臺車移動裝置結構

水泥儲運罐為錐體與長方體組合形式，尺寸為100cm×95cm×95cm(長×寬×高)，由行走滾輪、儲罐、儲罐支架、下料閥板、蓋等組成。重154kg，儲存水泥0.8t。

門架橫梁長4.5m，高2.7m，使用工字鋼制作，固定在臺車兩翼，門架橫梁安裝電動葫蘆(提升速度為2.5m/min，行走速度15m/min，最大吊運重量2t)。

2.2.2 臺車加工制作

制作臺車的主要材料為工字鋼、角鋼、槽鋼、圓鋼和鋼板；加工設備主要為切割機、鉆床、電焊機和車床等。

材料切割采用切割機或切割槍，長度偏差±5mm，端面打磨平整；鉆孔采用鉆床，孔位偏差±1mm，鉆孔直徑偏差±2mm；焊接作業(yè)采用電焊機，焊縫須無浮渣、無氣跑、無裂紋，打磨光滑。

部件加工成裝配式，現(xiàn)場拼裝的部件均為螺栓連接，所有焊接作業(yè)在加工廠內完成，與較大部件連接后不影響運輸?shù)男〔考?，亦在加工廠內連接組裝。

2.2.3 現(xiàn)場安裝調試

臺車部件經(jīng)過廠內驗收合格后，運至現(xiàn)場按結構設計圖紙進行復驗，核對部件數(shù)量，合格后按照設計圖紙進行拼裝，所有部件采用螺栓連接，連接螺栓和螺帽均為專業(yè)廠家生產(chǎn)的合格產(chǎn)品。臺車拼裝完成后，對所有連接螺栓逐一檢查、二次擰緊，然后進行穩(wěn)定性檢查。

臺車檢查合格后，安裝可拆卸式連接固定件和帶滾輪的可拆卸式收縮支腿，進行移動試驗。

2.2.4 灌漿設備安裝

臺車兩翼平臺敷設馬道板后安裝灌漿設備，馬道板與臺車采用螺栓連接，固定牢固。

灌漿設備安裝在臺車兩翼，每翼各安裝一套灌漿設備，設備排列的次序為灌漿泵、漿液攪拌機，自動記錄儀(安裝在操作室內)，灌漿設備、操作室使用螺栓與臺車平臺連接。

2.2.5 鉆孔設備安裝

臺車兩翼平臺敷設馬道板后安裝鉆孔設備，馬道板與臺車采用螺栓連接，固定牢固。

鉆機主機及液壓旋轉裝置安裝在臺車鉆機支架上，使用螺栓與支架連接，鉆機操作系統(tǒng)和動力系統(tǒng)安裝在臺車兩翼平臺。

2.2.6 制漿設備安裝

臺車兩翼平臺敷設馬道板后安裝制漿設備，馬道板與臺車采用螺栓連接，固定牢固。

臺車一翼平臺前端安裝制漿設備，后端放置空水泥罐，另一翼平臺放置散裝水泥罐。

制漿設備排列次序為輸漿泵、儲漿機、制漿機、螺旋上料機、上料料斗、水泥罐(上料料斗位于水泥罐下部)，除水泥罐外，均使用螺栓與臺車平臺連接。

水泥罐區(qū)和空罐區(qū)平臺在馬道板上敷設軌道，間距80cm。

2.2.7 灌漿設備調試

灌漿設備安裝完成后進行設備性能調試和設備運行過程臺車穩(wěn)定性檢查。

灌漿設備性能調試方法為先空轉5min，然后將進、回漿管對接，進行注水，通過安裝壓力表和自動記錄儀觀察壓力，通過回漿管上的高壓閥門控制流量和壓力，壓力升至最大灌漿壓力，灌漿泵、漿液攪拌機、管路接頭不漏水，壓力表指針擺幅不超過20%，持續(xù)注水30min，即為合格。

在最大灌漿壓力下持續(xù)注水過程，灌漿設備不移動，臺車無移動和明顯擺動，即為灌漿過程穩(wěn)定性檢查合格。

2.2.8 鉆孔設備調試

鉆機安裝后進行鉆機性能、避讓材料運輸車和臺車穩(wěn)定性檢查。

鉆機性能檢查包括鉆機啟動后空轉5min，然后檢查液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、鉆桿轉動及推進裝置運轉情況和液壓旋轉裝置旋轉情況等。

避讓材料運輸車檢查：模擬收到材料運輸車通行信號，然后拆卸鉆機上鉆桿，通過液壓旋轉裝置將鉆機調到運輸車通行安全位置鎖定，待運輸車通過后，再將鉆機調到原位置。主要檢查液壓旋轉裝置的性能和鉆機對材料運輸車的影響情況。

臺車穩(wěn)定性檢查包括鉆機加壓模擬造孔過程中臺車的移動、偏斜和變形情況檢查。

2.2.9 制漿設備調試

制漿設備安裝后進行灌漿設備性能檢查、臺車穩(wěn)定性檢查和門架水泥罐轉運檢查。

設備性能檢查包括設備啟動空轉5min，然后進行儲漿機和輸漿泵輸水試驗檢查，儲漿機和輸漿泵、輸漿管路接頭不漏水，即為合格。

制漿試驗包括螺旋機上料、制漿機拌制漿液及漿液參數(shù)檢查。

門架水泥罐轉運檢查包括使用門架電控葫蘆調控轉移水泥罐或空罐，包括水泥罐自存儲區(qū)轉移到制漿區(qū)、空罐自儲存區(qū)轉移到水泥罐運輸平板車過程門架運轉情況檢查。

臺車穩(wěn)定檢查主要是制漿、輸漿過程，水泥罐轉運過程臺車的移動、偏斜和變形情況檢查。

2.2.10 鉆機就位

鉆孔臺車移動到預定位置固定后，先通過鉆機支架借助臺車兩翼的滑桿前后移動，使鉆機對正孔位中心樁號，再使用液壓旋轉裝置使鉆機對正孔位中心后，即可進行鉆孔。

2.2.11 鉆孔

開孔時輕壓、低速，孔深超過50cm后逐漸提高轉速和液壓，孔深達到100cm后，進入正常鉆進狀態(tài)，鉆機轉速、油壓維持正常鉆進值。鉆孔達到設計深度后，反復掃孔，盡量將孔內巖粉排出孔外。

2.2.12 灌漿阻塞器安裝

灌漿阻塞器采用灌漿、閉漿兩用機械式阻塞器，安裝在孔口，以灌漿過程最大壓力下阻塞器不發(fā)生活動為宜。進漿管、回漿管分別安裝閥門；射漿管可采用PVC管，管口距孔底距離不大于50cm。

2.2.13 灌漿管路安裝并與灌漿阻塞器連接

灌漿管路進漿管、回漿管分別與阻塞器的進漿管、回漿管活動接頭連接。

2.2.14 鉆孔沖洗壓水試驗

鉆孔沖洗包括孔壁沖洗和裂隙沖洗。孔壁沖洗采用大流量水沖洗，沖洗至孔口回水較清為止；裂隙沖洗采用脈動沖洗法，沖洗至孔口回水較清為止，沖洗時間20min。

選取5%的灌漿孔進行灌前簡易壓水試驗，檢查孔進行單點壓水試驗。

2.2.15 輸漿管路安裝

輸漿管路采用φ50PVC管，自制漿臺車輸漿泵起，至灌漿臺車漿液攪拌機，沿洞壁敷設。

2.2.16 制漿

制漿站制備0.5∶1的水泥漿，輸送至灌漿臺車漿液攪拌機，根據(jù)需要調劑使用。

漿液攪拌時間為高速制漿機攪拌時間不少于30s，普通制漿機攪拌時間不少于3min。

2.2.17 輸漿

漿液輸送采用輸漿泵，有壓輸送，漿液在輸漿管內流速為1.4～2.0m/s。

2.2.18 灌漿

灌漿采用孔內循環(huán)法，按環(huán)間分序，環(huán)內加密原則進行；灌漿壓力和漿液水灰比執(zhí)行施工技術要求，灌漿過程根據(jù)實際情況控制注入量和壓力，壓力升高值應與注入量匹配；灌漿壓力達到設計值后應保持平穩(wěn)，直至達到結束條件。

2.2.19 灌漿結束

灌漿壓力達到設計值，注入率不大于1L/min后，持續(xù)灌注30min，即可結束灌漿。

2.2.20 封孔閉漿

采用灌漿封孔法，灌漿達到結束條件后，使用0.5∶1的濃水泥漿置換孔內吸漿，回漿管排除的漿液比級達到0.5∶1后，在設計最大灌漿壓力下持續(xù)灌注15min，封孔結束，然后轉換阻塞器功能，將阻塞器由灌漿功能轉換為閉漿功能，進行閉漿。

2.2.21 人工封孔

閉漿結束后，拔出灌漿阻塞器，清除孔內積水，然后使用與隧洞襯砌混凝土相同等級的水泥砂漿封孔，待凝3天后使用手持砂輪機將孔口打磨平整。

2.2.22 臺車轉移

移動前，先在臺車前后端兩翼安裝可拆卸式連接固定件，然后將支腿滾輪一端安裝在材料運輸軌道上，另一端固定在可拆卸式連接固定件上，再調控支腿收縮裝置使臺車整體抬升，臺車與洞壁逐漸脫離接觸后，人工推移(制漿臺車使用材料運輸車拖移)至預定位置，調節(jié)支腿收縮裝置，臺車下落與洞壁完全接觸穩(wěn)定牢固后拆除支腿和連接固定件，臺車移動完成。

3 工法特點

a.鉆孔灌漿臺車包括鉆孔臺車、灌漿臺車和制漿臺車；工廠加工，螺栓連接，現(xiàn)場拼裝，快捷、環(huán)保；損壞部件易更換，使用過程維修成本低，可多次重復使用，節(jié)約施工成本。

b.臺車結構為中空“開”字形，翼狀，鉆孔灌漿設備固定在臺車兩翼平臺和鉆機支架上，中間通行材料運輸車，不影響TBM正常掘進。

c.臺車移動前在兩翼安裝的可拆卸式連接固定件及可拆卸式收縮帶滾輪支腿，對臺車進行了進一步加固，增強了整體性和穩(wěn)定性，降低了臺車重心，消除了臺車移動過程中的變形與失穩(wěn)，移動快速、平穩(wěn)、安全。

d.鉆機及支架固定在臺車上，鉆機與臺車成為整體，增強了鉆機穩(wěn)定性；使用360°液壓旋轉裝置調控鉆機，鉆機避讓材料運輸車自動化。

e.制漿站使用螺旋機上料，降低了勞動強度和制漿人工費，使用罐裝散水泥制漿，損耗小，安全、節(jié)約成本。

f.制漿臺車門架電動葫蘆轉運水泥罐，快速、安全。

g.臺車為裝配式，其結構部件尺寸可根據(jù)TBM掘進隧洞工況條件調整，可適用不同直徑TBM掘進隧洞鉆孔灌漿作業(yè)。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

鉆孔灌漿臺車包括鉆孔臺車、灌漿臺車和制漿臺車，型鋼加工制作而成，其中鉆孔臺車重1.5t、灌漿臺車重2.25t、制漿臺車重2.5t，每個臺車材料及加工制作費用分別為0.96萬元、1.45萬元、1.61萬元，共計4.02萬元。

水泥儲罐每個材料及加工制作費用為0.25萬元，10個水泥儲罐費用共計2.5萬元。門架重260kg，電動葫蘆、材料及加工制作費用為0.35萬元。

鉆孔灌漿臺車材料及加工制作費用共計6.87萬元。

移動道岔臺車重量約80t，由專業(yè)廠家加工制作，材料、加工制作及安裝費用約80萬元。

由上述費用比較可知，使用鉆孔灌漿臺車組合施工費用省、成本低。

4.2 社會效益分析

小斷面圓形TBM掘進隧洞依托臺車同步鉆孔灌漿施工工法在蘭州水源地引水隧洞Ⅱ標段成功應用，不僅解決了TBM掘進與鉆孔灌漿不能同步施工的難題，而且鉆孔灌漿臺車組合結構合理，裝配式部件安裝便利，結構牢固，維修費用低。運行期間，施工操作均在臺車兩翼平臺進行，基本不影響材料安全運輸，可適應不同直徑隧洞鉆孔灌漿作業(yè)，前景廣闊。

5 結 語

TBM掘進隧洞同步鉆孔灌漿臺車結構合理，裝配式部件加工制作、安裝費用省，移動速度快、平穩(wěn)安全，結構牢固，維修費用低，可適應不同直徑隧洞鉆孔灌漿作業(yè)；改進的液壓鉆機360°自動旋轉，避讓材料運輸火車快速、安全，罐裝水泥損耗小、螺旋機上料降低了勞動強度和人工費用，所以鉆孔灌漿臺車和施工設備可廣泛應用于TBM掘進隧洞鉆孔灌漿工程，值得推廣應用。