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與行政執法中心，沈陽康平縣110500）

0 引言

TBM具有掘進速度快、安全穩定等優點，在鐵路、水利、公路等隧洞開挖過程中廣泛應用。掘進、預制管片襯砌以及豆礫石回填灌漿是TBM施工過程中的3個主要控制環節，其中豆礫石回填灌漿技術是決定隧洞成型質量的關鍵因素，對于工程質量具有重要影響[1-4]。

現行的豆礫石回填灌漿技術存在的缺陷：1）灌漿不均勻，密實度不足，強度降低，影響管片背部混凝土的整體性；2）后續補灌工作不僅容易對預制管片造成損傷，降低支護強度，同時會增加相應的維護保養成本；3）若封閉措施不及時造成漏漿，則會影響灌漿質量和現場施工，對圍巖固結極為不利，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施工技術實際運用過程中已經積累了一些寶貴經驗，但仍有許多問題仍未解決。

1 工程背景

引綽濟遼工程輸水工程隧洞段二標段工程總長度為58.505km，縱向坡比為0.1%，其中適宜TBM掘進施工長度為38.167km，其余洞段由于地質條件等原因采用鉆爆法進行施工。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、變質安山巖、玄武巖、砂巖等為主，部分洞段富水。TBM開挖設計斷面為直徑5.5m的圓形，預制混凝土管片內徑為4.6m，外徑為5.2 m，強度為C50或C60，采用豆礫石回填灌漿法對預制混凝土管片和圍巖之間的空隙進行密實填充。

2 施工方案

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

3 施工技術研究

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合的密實度和力學性能，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，按施工方案進行豆礫石吹填和灌漿；2）回填灌漿結束7d后進行壓漿試驗，測試不同配比下回填灌漿的密實度；3）進行室內抗壓試驗，當回填灌漿結束28d后，對不同配比區域進行鉆孔取芯，然后進行室內抗壓試驗，獲得結石強度。

圖1 豆礫石回填灌漿工藝試驗模具

進行室內外壓漿和抗壓強度試驗，得到不同配合比豆礫石回填灌漿下結石的力學參數，從表1可以看出，在基準配合比下摻入適量減水劑，漿液的流動性減弱，但28d抗壓強度卻有所提高，對取芯試樣進行外觀觀測，發現加入減水劑后芯樣更加密實。從試驗結果分析得出：減水劑和水灰比對結合性質影響較大，在常壓洞段，建議采用3號配合比進行施工，當處于富水洞段時，建議采用2號配合比進行豆礫石回填灌漿施工，才能保證更高的施工成型質量。

表1 豆礫石與漿液結石力學性質

3.2 底拱灌漿工藝試驗

由于受到TBM后續配套結構和設備功能的影響，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、脫灌等不良現象，故而需要對底拱處的豆礫石回填灌漿工藝進行改良。采用非稀釋性雙漿液代替傳統的灌注方法，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抗壓強度進行測試。

底拱灌注試驗結果見表2。從表2中數據可以看到：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；結石強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，而強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現場灌注。

表2 底拱灌漿工藝試驗結果

3.3 回填及灌漿設備改進

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

灌漿工藝和設備改造：原設計方案為4號拖車布置灌漿系統，16號拖車布置二次灌漿系統，在TBM前后各布置1臺100型砂漿攪拌機。原設計方案存在的問題：1）在連接橋處底拱的回填灌漿不密實；2）拖車、風筒、電纜橋架等影響局部灌漿問題；3）原設計能力不能滿足全斷面同時灌注的需求。為此，建議進行改進：1）將17號拖車和18號拖車的廁所和休息室進行拆除，并配備600L的高速制漿機和7m3容量的干粉灌，16號拖車上設置儲漿罐，容量為3m3；2）將4號拖車上的制漿機增大為400L，并購置450L/H柱塞式計量泵，與哈尼灌漿泵合作進行底拱的雙液灌漿，在17號拖車內增加一套雙缸泵，采用雙管路對隧洞頂拱部位進行灌漿；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后方案進行現場回填灌漿效果對比試驗，分別進行壓漿試驗和豆礫石巖芯進抗壓試驗，其結果見圖2。從圖2中可以看到：改進前，底拱部位和頂拱部位的結石強度均小于15MPa，沒有達到設計要求，改進后，底拱、邊墻和頂拱的結石強度均有不同程度提升，且均超過了15MPa，保證了隧洞成型結構的質量；從壓漿量對比可以得到，在改進前，底拱和頂拱在10min中內的壓漿量超過了設計規定的10L，故密實性不滿足設計要求，而改進后，底拱、邊墻和頂拱的壓漿量均大幅降低，且遠小于10 L。可見，文中所提出的豆礫石回填灌漿工藝改進措施工程應用效果較佳，具有一定的工程應用價值。

圖2 現場回填灌漿效果對比

4 結論

主要根據室內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。根據現場實際情況和試驗結果，對原設計豆礫石回填灌漿工藝進行改進，并對前后的回填灌漿效果進行對比，認為改進后的施工工藝能夠提升結石強度，大幅降低壓漿量，具有非常好的工程應用價值，值得推廣運用。