雙護盾TBM隧道施工防滲技術

馬金光

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司 山東濟南 250000)

1 工程概況

青島地鐵四號線04工區涵蓋1個車站和5.5個區間。車站采用暗挖法施工，區間主要采用TBM施工，局部采用礦山法施工，線路總長約5 500 m，采用兩臺雙護盾TBM施工。TBM區間隧道襯砌采用C50預制鋼筋混凝土管片，襯砌環外徑6.0 m，內徑5.4 m，管片厚度0.3 m，環寬1.5 m。各區間地質復雜，圍巖強度在Ⅱ～Ⅳ級不等，局部圍巖穩定性較差，地下水類型主要為第四系孔隙水、弱承壓水及基巖裂隙水(風化裂隙水及構造裂隙水)，局部富水性富。TBM區間隧道結構防水等級為二級，結構不允許漏水，結構表面可有少許濕漬。

本著百年工程的施工要求，隧道成形后在富水性富的地段其結構不允許漏水，后續在處理隧道內局部滲漏時不僅難度大，而且消耗大量人力財力[1]，所以前期防滲工作要到位。以青島地鐵四號線勘測地質及水文情況為背景[2]，對雙護盾TBM隧道施工防滲工作展開研究。

2 隧道防滲措施

2.1 管片防滲

隧道成形管片防滲主要通過管片的自防水、相鄰管片接縫處防水以及管片螺栓孔防水三個方面的工作做到整體防滲[3-4]。

(1)管片自防水

根據設計要求，該工程使用的管片采用防水混凝土強度等級為C50的預制鋼筋混凝土管片，砼抗滲等級采用P12。管片使用混凝土條件如表1所示。

表1 混凝土技術條件

管片在拼裝前不得有肉眼可見裂縫。管片在試用期間應滿足強度、抗裂要求，最大裂縫寬度不得大于0.20 mm。對于潛在腐蝕性的地層使用的管片需要對其涂抹防腐涂層，保證管片不被腐蝕。

(2)管片接縫防水

管片拼裝縫采用一道彈性密封墊和一道遇水膨脹膠條進行防水，每塊管片對角粘有自粘性防水膠片，在管片縫隙位置粘貼防水墊片，來實現管片縫隙總體防滲[5]。

本工程采用的彈性密封墊是三元乙丙(EPDM)橡膠密封墊[6]，其由單一的多孔型三元乙丙橡膠與遇水膨脹橡膠復合而成，具有雙重保險的密封止水功能，當管片之間產生一定的間隙和偏移時，其也能有效地確保密封止水作用。三元乙丙橡膠密封墊的指標如表2所示。

表2 三元乙丙橡膠密封墊指標

遇水膨脹膠條采用的是遇水膨脹橡膠止水條，其遇水后會逐漸膨脹，一方面可以堵塞可能存在的毛細孔隙，另一方面可以使其相鄰管片接觸更加緊密，從而產生較大的抗水壓力，止水條遇水后形成不透水的可塑性膠體且具有一定的耐腐蝕性。遇水膨脹橡膠的指標如表3所示。

縫隙位置采用的防水墊片是丁腈軟木橡膠板，其可使相鄰管片接縫保持永久的彈性狀態以及足夠的承壓能力，以適應隧道存在一定量的沉降以及長期處于蠕動狀態而產生的接縫張開和錯動，保證相鄰管片接縫的防水效果[7]，不僅具有填接縫的作用，還能對局部應力起緩解作用，并且不含石棉屬于環保型密封材料。丁腈軟木橡膠板的指標如表4所示。

表3 遇水膨脹橡膠指標

表4 丁腈軟木橡膠板指標

管片角部貼的自粘性防水膠片是自粘性橡膠薄板，其粘貼于管片的兩個對角保證管片拼裝后兩個接觸的角中間都有薄板，自粘性橡膠薄板可保持永久柔韌性、粘著性，能承受一定程度的位移，變形有良好的追隨性[8]，極佳的防水密封性及抗化學腐蝕性使用方便，用量準確，減少浪費，性價比極優，不含任何溶劑，安全且環保等特點。自粘性橡膠薄板的指標如表5所示。管片接縫防水整體效果如圖1所示。

圖1 管片接縫防水整體效果

表5 自粘性橡膠薄板指標

(3)管片螺栓孔防水

該工程螺栓與螺栓孔之間采取遇水膨脹橡膠螺孔密封圈進行防水，通過對螺栓的擰緊，使密封圈受到擠壓其能很好地填充在螺栓與孔壁之間封閉空間，從而達到防水的目的。遇水膨脹橡膠螺孔密封圈指標如表3所示。

2.2 豆礫石回填及壁后注漿

2.2.1 豆礫石回填

雙護盾TBM在施工過程中引起的地層應力的損失，隧洞周圍受擾動或受剪切破壞而形成的破碎巖再固結以及地下水的滲透，將導致周圍圍巖應力的重新分布。為了防止隧洞周圍圍巖發生變形，使襯砌好的管片與被開挖圍巖形成共同受力的整體結構，減少管片在自重及內部荷載作用下的變形，需要在開挖過的隧洞和管片外徑之間的環形空隙及時進行豆礫石回填以及必要的注漿[9]。

管片襯砌完畢推出尾盾后對管片底部進行回填豆礫石，對尾盾以后3環進行全環豆礫石回填，將管片外側與圍巖之間的空隙應回填密實。將豆礫石運至豆礫石泵，然后用高壓風通過管片注漿孔吹入。

充填順次按照先底部、次兩側、后頂部的順序，避免吹填的豆礫石出現架空情況。

(1)起始環回填

本工程選用的豆礫石材料為粒徑5～10 mm的碎石[10]，根據施工現場的實際情況調控，當襯砌好的首環管片露出盾尾時，從首環管片的0孔位進行管片底部的豆礫石吹填，量控為主，壓力控制為輔。TBM掘進3～5環后，對管片兩側以及頂部進行豆礫石梯度回填。

(2)豆礫石回填

豆礫石回填是在起始環回填的基礎上進行的，在襯砌好的管片脫離護盾后立即進行，管片外徑與開挖圍巖之間的空腔應充填密實，豆礫石底部回填堅持“推進完成一環必須回填完成一環”的原則進行。

①底部豆礫石回填

底部豆礫石回填是回填的關鍵部分。TBM推進過程中每環管片露出盾尾后從管片兩側的1-1′孔位進行吹填豆礫石，當吹填過程中操作人員感到管道內無豆礫石流動時停止豆礫石回填，取下噴頭將1-1′孔位臨時封堵。管片底部豆礫石回填如圖2所示。

圖2 管片底部充填豆粒石效果

②兩側拱豆礫石回填

在豆礫石吹填過程中為了防止產生偏壓導致管片發生相應錯臺或損壞，必須自下而上進行回填，并且采用雙機對稱吹填。兩側拱豆礫石回填應滯后尾盾3環開始。具體方法:將吹填豆礫石噴頭先、后裝入兩側拱的3-3′孔位進行豆礫石吹填(見圖2)，2-2′孔位作為觀察孔。當吹填過程中操作人員感到管道內無豆礫石流動時停止吹填，取下噴頭并將3-3′孔位臨時進行封堵，完成一次兩側拱豆礫石的回填，可同步掘進、襯砌向前推進。管片兩側豆礫石回填效果如圖3所示。

圖3 管片兩側充填豆粒石效果

③頂部豆礫石回填

頂部豆礫石回填要在兩側拱豆礫石吹填部位滯后5環處進行。具體方法:將吹填豆礫石的噴頭先、后裝入頂部的注漿孔4-4′孔位吹填(見圖4)，當吹填過程中操作人員感到管道內無豆礫石流動時停止吹填，將噴頭取下對4-4′孔位進行臨時封堵。然后將噴頭安裝在頂部5孔位進行豆礫石吹填，在吹填過程中噴頭觀察人員與豆礫石機操作人員要密切配合，尤其是豆礫石機操作人員要認真觀察吹填情況，當操作人員感覺到管道內無豆礫石流動時停止吹填，將噴頭取下并對5孔及時進行臨時封堵，此過程完成了一次頂部豆礫回填。

圖4 管片頂部豆礫石(碎石)充填效果

依次將1-1′，3-3′，4-4′，5孔吹填豆礫石，完成一個循環的豆礫石回填。

2.2.2 壁后注漿

豆礫石吹填完成后，進行壁后注漿，使管片外徑與圍巖之間空隙部分形成豆礫水泥結石。在注漿過程中應做到注滿，嚴禁漏灌現象發生，必須達到一定的注漿壓力后方可停止注漿。對注漿孔進行注漿時應結合注漿量、注漿壓力綜合而定，一般注漿量計算公式如式(1)所示。

式中，V漿是每環需要的注漿量；V空是每環管片外徑與圍巖之間的空隙體積。

已知本工程TBM推出的洞直徑為D＝6.3 m，管片外徑d＝6 m，管片寬h＝1.5 m，所以V空＝π(D2-d2)h4≈4.35 m3，將值代入式(1)中得到常規狀態每環的注漿量在6.525～8.7 m3之間。

壁后注漿所用漿液有單液漿和雙液漿兩種。單液漿優點:材料來源比較豐富、結石體的強度高、抗滲性能好、價格相對低廉；缺點:其凝固時間長，容易沉淀析水、強度增長比較慢、結石率比較低，并容易流失造成漿液的浪費。而雙液漿則克服了單液漿在凝固時間長且不能控制、結石率低方面的缺點，提高了水泥注漿在可控范圍內快速凝結的效果，利用其快速凝固的特點形成止漿環注漿使單液漿注漿時在一定范圍內進行[11]。本工程使用的單液漿與雙液漿配比如表6所示。

表6 單液漿與雙液漿配比

壁后注漿利用管片預留的注漿孔進行，按五環一周期向前推進，注漿順序自下而上，兩側孔對稱進行壁后注漿。注漿順序如圖5所示。

圖5 注漿順序示意

(1)首先進行止漿環注漿，剛開始同時對第1環和第5環注雙液漿，然后對第2、3、4環注單液漿，后面依次推后五環注雙液漿，中間部分單液漿注漿，當第n環前面注漿完成后對第n+5環進行雙液漿注漿后對中間的四環進行單液漿注漿。

(2)單液漿和雙液漿在注漿孔的順序上一致，即打開高速制漿的放料閥，將攪拌均勻的漿液放入儲漿罐，注漿工之間通過對講機溝通。注漿時首先對0孔位進行注漿，然后依次2-2′孔位、3-3′孔位、4-4′孔位以及5孔位注漿，對0孔位、2-2′孔位、3-3′孔位和4-4′孔位注漿時注漿壓力通常情況下控制在0.2～0.3 MPa，當注漿壓力達到0.3 MPa時，繼續注5 min后停止；對5孔位進行注漿時，注漿壓力一般達到0.5 MPa后恒壓10 min進漿不大于5 L時停止注漿，起到保壓作用。

2.3 后續防水措施

注漿完成后對管片注漿孔及管片縫隙使用微膨脹水泥(硫鋁酸鹽超早強(微膨脹)水泥)封堵，其砂漿配比為1∶0.12∶1.2，即一包水泥(100 kg)用AEA膨脹劑12 kg，用細砂120 kg。

當管片有少許裂縫掉角問題時，使用801膠+水泥+堵漏王按照一定的配比進行修補，后用白水泥調色處理。

3 結束語

對青島四號線雙護盾TBM隧道施工過程中采用的管片防滲措施、豆礫石填充和壁后注漿以及后續微膨脹水泥封堵及裂縫掉角處理在目前施工過程中其防滲效果良好，為其余同地質施工提供有效的借鑒。