輸水隧洞TBM豆礫石回填灌漿施工工藝探討

史皓男

（康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心，沈陽康平縣110500）

0 引言

TBM具有掘進(jìn)速度快、安全穩(wěn)定等優(yōu)點，在鐵路、水利、公路等隧洞開挖過程中廣泛應(yīng)用。掘進(jìn)、預(yù)制管片襯砌以及豆礫石回填灌漿是TBM施工過程中的3個主要控制環(huán)節(jié)，其中豆礫石回填灌漿技術(shù)是決定隧洞成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素，對于工程質(zhì)量具有重要影響[1-4]。

現(xiàn)行的豆礫石回填灌漿技術(shù)存在的缺陷：1）灌漿不均勻，密實度不足，強(qiáng)度降低，影響管片背部混凝土的整體性；2）后續(xù)補(bǔ)灌工作不僅容易對預(yù)制管片造成損傷，降低支護(hù)強(qiáng)度，同時會增加相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)成本；3）若封閉措施不及時造成漏漿，則會影響灌漿質(zhì)量和現(xiàn)場施工，對圍巖固結(jié)極為不利，其回填灌漿層的傳力效果將大打折扣[5-10]。

豆礫石級配和灌漿液配合比的合理選擇是保證該工序的重要條件，雖然我國在TBM施工技術(shù)實際運(yùn)用過程中已經(jīng)積累了一些寶貴經(jīng)驗，但仍有許多問題仍未解決。

1 工程背景

引綽濟(jì)遼工程輸水工程隧洞段二標(biāo)段工程總長度為58.505km，縱向坡比為0.1%，其中適宜TBM掘進(jìn)施工長度為38.167km，其余洞段由于地質(zhì)條件等原因采用鉆爆法進(jìn)行施工。施工洞段的主要圍巖類別為Ⅱ類、Ⅲ類，巖性主要以黑云石英片巖、角閃片巖、變質(zhì)安山巖、玄武巖、砂巖等為主，部分洞段富水。TBM開挖設(shè)計斷面為直徑5.5m的圓形，預(yù)制混凝土管片內(nèi)徑為4.6m，外徑為5.2 m，強(qiáng)度為C50或C60，采用豆礫石回填灌漿法對預(yù)制混凝土管片和圍巖之間的空隙進(jìn)行密實填充。

2 施工方案

豆礫石回填灌漿主要施工工藝：1）進(jìn)行豆礫石吹填，預(yù)制管片推出尾盾后，先回填管片兩側(cè)的豆礫石，接著回填底部的豆礫石，最后回填頂部豆礫石；2）進(jìn)行底部灌漿，每隔3環(huán)就用海綿設(shè)置1道臨時封閉，然后進(jìn)行底部的灌漿工序；3）進(jìn)行封閉環(huán)灌漿，封閉環(huán)每隔30.0～50.0m設(shè)置1道，密封之后進(jìn)行灌漿；4）進(jìn)行1次水泥灌漿（4號拖車），豆礫石吹填完成后進(jìn)行一次灌漿，一次灌漿部位為拱腰以下部位；5）進(jìn)行二次水泥灌漿（16號拖車），完成腰拱以上部位的灌漿施工。TBM設(shè)備20.0～30.0m范圍內(nèi)進(jìn)行豆礫石充填施工，25.0～45.0m范圍內(nèi)進(jìn)行水泥灌漿施工。

3 施工技術(shù)研究

3.1 豆礫石回填工藝試驗

為了充分掌握豆礫石與灌漿漿液結(jié)合的密實度和力學(xué)性能，制作同比例的模具對豆礫石回填工藝展開室外工藝試驗，回填灌漿模具示意見圖1。試驗流程：1）將模具加工固定好，按施工方案進(jìn)行豆礫石吹填和灌漿；2）回填灌漿結(jié)束7d后進(jìn)行壓漿試驗，測試不同配比下回填灌漿的密實度；3）進(jìn)行室內(nèi)抗壓試驗，當(dāng)回填灌漿結(jié)束28d后，對不同配比區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯，然后進(jìn)行室內(nèi)抗壓試驗，獲得結(jié)石強(qiáng)度。

圖1 豆礫石回填灌漿工藝試驗?zāi)＞?/p>

進(jìn)行室內(nèi)外壓漿和抗壓強(qiáng)度試驗，得到不同配合比豆礫石回填灌漿下結(jié)石的力學(xué)參數(shù)，從表1可以看出，在基準(zhǔn)配合比下?lián)饺脒m量減水劑，漿液的流動性減弱，但28d抗壓強(qiáng)度卻有所提高，對取芯試樣進(jìn)行外觀觀測，發(fā)現(xiàn)加入減水劑后芯樣更加密實。從試驗結(jié)果分析得出：減水劑和水灰比對結(jié)合性質(zhì)影響較大，在常壓洞段，建議采用3號配合比進(jìn)行施工，當(dāng)處于富水洞段時，建議采用2號配合比進(jìn)行豆礫石回填灌漿施工，才能保證更高的施工成型質(zhì)量。

表1 豆礫石與漿液結(jié)石力學(xué)性質(zhì)

3.2 底拱灌漿工藝試驗

由于受到TBM后續(xù)配套結(jié)構(gòu)和設(shè)備功能的影響，同時受施工組織問題、施工用水和外水的影響，在豆礫石施工中由于回填灌漿不飽滿容易在底拱形成空腔、脫灌等不良現(xiàn)象，故而需要對底拱處的豆礫石回填灌漿工藝進(jìn)行改良。采用非稀釋性雙漿液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的灌注方法，提高灌注水泥漿的抗離析和排水能力，水玻璃摻加量分別為1.5%，2%，4%和6%，分別對串漿距離和7d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。

底拱灌注試驗結(jié)果見表2。從表2中數(shù)據(jù)可以看到：隨著水玻璃摻加量的不斷增加，底拱水泥漿的串漿距離在不斷減小，表明水玻璃的加入對于改善水泥漿的串漿具有重要影響；結(jié)石強(qiáng)度隨著水玻璃的減少呈先減后增的變化特征，表明需要摻入適宜的水玻璃才能達(dá)到最佳的灌注效果；從仿底拱灌注模型可以看到，其串漿距離與速凝灌注時相當(dāng)，而強(qiáng)度也與速凝灌注試驗相差不大，這表明該灌注方法適用于TBM現(xiàn)場灌注。

表2 底拱灌漿工藝試驗結(jié)果

3.3 回填及灌漿設(shè)備改進(jìn)

豆礫石回填工藝和設(shè)備改造：在原設(shè)計方案中，豆礫石泵位于6號拖車，并采用8cm高壓鋼絲風(fēng)管和鋼管將豆礫石骨料運(yùn)輸至相應(yīng)區(qū)域，豆礫石泵主要有2臺，其對應(yīng)的運(yùn)輸罐容量為7m3，基本滿足2環(huán)管片的豆礫石回填施工需求。而7，8號拖車上主要布置回填系統(tǒng)，罐下料口原設(shè)計為手動操作。12和13號拖車上主要布置風(fēng)壓系統(tǒng)，風(fēng)壓系統(tǒng)包括4臺75kW的空壓機(jī)和3m3儲氣罐，可以為豆礫石泵提供高壓風(fēng)，將豆礫石沿管路運(yùn)輸至相應(yīng)的管片處進(jìn)行回填。由于在實際施工過程中，施工空間有限，存在相應(yīng)的安全隱患，因此，建議將豆礫石罐下料口進(jìn)行改裝，更換為液壓啟閉自動化控制系統(tǒng)，以利于充填操作。

灌漿工藝和設(shè)備改造：原設(shè)計方案為4號拖車布置灌漿系統(tǒng)，16號拖車布置二次灌漿系統(tǒng)，在TBM前后各布置1臺100型砂漿攪拌機(jī)。原設(shè)計方案存在的問題：1）在連接橋處底拱的回填灌漿不密實；2）拖車、風(fēng)筒、電纜橋架等影響局部灌漿問題；3）原設(shè)計能力不能滿足全斷面同時灌注的需求。為此，建議進(jìn)行改進(jìn)：1）將17號拖車和18號拖車的廁所和休息室進(jìn)行拆除，并配備600L的高速制漿機(jī)和7m3容量的干粉灌，16號拖車上設(shè)置儲漿罐，容量為3m3；2）將4號拖車上的制漿機(jī)增大為400L，并購置450L/H柱塞式計量泵，與哈尼灌漿泵合作進(jìn)行底拱的雙液灌漿，在17號拖車內(nèi)增加一套雙缸泵，采用雙管路對隧洞頂拱部位進(jìn)行灌漿；3）常壓洞段采用表1中3號試驗組配比，富水洞段采用表1中2號試驗組配比，底拱灌注時水玻璃摻量為1.5%～2.0%。

3.4 現(xiàn)場回填灌漿效果對比分析

采用相同或基本相近的2個洞段按原回填灌注方案和改進(jìn)后方案進(jìn)行現(xiàn)場回填灌漿效果對比試驗，分別進(jìn)行壓漿試驗和豆礫石巖芯進(jìn)抗壓試驗，其結(jié)果見圖2。從圖2中可以看到：改進(jìn)前，底拱部位和頂拱部位的結(jié)石強(qiáng)度均小于15MPa，沒有達(dá)到設(shè)計要求，改進(jìn)后，底拱、邊墻和頂拱的結(jié)石強(qiáng)度均有不同程度提升，且均超過了15MPa，保證了隧洞成型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；從壓漿量對比可以得到，在改進(jìn)前，底拱和頂拱在10min中內(nèi)的壓漿量超過了設(shè)計規(guī)定的10L，故密實性不滿足設(shè)計要求，而改進(jìn)后，底拱、邊墻和頂拱的壓漿量均大幅降低，且遠(yuǎn)小于10 L?？梢姡闹兴岢龅亩沟[石回填灌漿工藝改進(jìn)措施工程應(yīng)用效果較佳，具有一定的工程應(yīng)用價值。

圖2 現(xiàn)場回填灌漿效果對比

4 結(jié)論

主要根據(jù)室內(nèi)外試驗對豆礫石回填及灌漿工藝的效果分析得出：常壓洞段和富水洞段的最佳水灰比分別為0.6∶1和0.55∶1，且應(yīng)適量摻入減水劑。底拱灌漿時建議采用非稀釋性雙漿液灌注法，水玻璃最佳摻量為1.5%～2.0%，水灰比為0.6∶1。根據(jù)現(xiàn)場實際情況和試驗結(jié)果，對原設(shè)計豆礫石回填灌漿工藝進(jìn)行改進(jìn)，并對前后的回填灌漿效果進(jìn)行對比，認(rèn)為改進(jìn)后的施工工藝能夠提升結(jié)石強(qiáng)度，大幅降低壓漿量，具有非常好的工程應(yīng)用價值，值得推廣運(yùn)用。