雙護盾TBM 隧洞同孔一次灌漿試驗研究

王志強，李國超，魏 杰，毛宗杰，楊風威，婁國川

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南鄭州450003）

作為重要的水工建筑物，水工隧洞尤其是有壓隧洞能否長期安全穩定運行，往往取決于隧洞圍巖的整體性和抗變形能力。為了提高圍巖的整體性和抗變形能力，增強圍巖抗滲性和長期滲透穩定性，通過灌漿封閉隧洞圍巖裂隙，使其成為隧洞承載和防滲阻水的主要結構[1-3]。對于雙護盾TBM施工隧洞而言，因其開挖工藝的特殊性，在管片襯砌的基礎上，需要進行豆礫石回填灌漿以充填管片與圍巖間隙[4-6]，回填灌漿結束并充分干縮后，對管片與豆礫石、豆礫石與圍巖間隙進行全斷面接觸灌漿[7-8]，接觸灌漿完成之后進行隧洞固結灌漿。通過以上3種不同的灌漿技術措施，使管片襯砌結構、豆礫石回填層、圍巖成為受力整體，提高雙護盾TBM施工隧洞圍巖的抗變形能力。

雙護盾TBM施工隧洞的開挖、襯砌與接觸、固結灌漿等施工均需緊密銜接，但受成洞直徑的限制，開挖、襯砌與接觸、固結灌漿往往無法同步實施，嚴重影響了TBM施工效率。蘭州市水源地建設工程TBM輸水主洞直徑4.6 m，屬小斷面地下洞室[9]，這種影響效應尤為突出。工程施工過程中曾設想通過增加工作面平行作業來縮短工期，但經過分析，每增加1個工作面，設備、材料及人員等各項投入至少增加9%，增加工程成本，且各工作面相互干擾[10]。

鑒于上述情況，結合蘭州市水源地建設工程雙護盾TBM灌漿施工，開展接觸灌漿、固結灌漿分開施工與同孔一次施工對比試驗研究，通過注漿量、灌漿質量、施工效率等方面對比分析，研究同孔一次灌漿的施工工藝、質量控制及灌漿效果，為雙護盾TBM高效灌漿施工提供技術支撐。

1 灌漿試驗設計

1.1 工程概況

蘭州市水源地建設工程以劉家峽水庫作為引水水源向蘭州市供水。輸水隧洞主洞全長31 km，為壓力引水隧洞，以倒虹吸方式穿越洮河。輸水主洞施工以雙護盾TBM為主輔以鉆爆法施工。TBM施工洞段長24 km，采用管片襯砌，隧洞內徑 4.60 m，開挖洞徑5.48 m。

為使豆礫石回填灌漿結石充分干縮，保證管片襯砌與圍巖之間緊密接觸，豆礫石回填灌漿結束45 d后，利用管片安裝（灌漿）孔對管片與豆礫石、豆礫石與圍巖間隙進行全斷面接觸灌漿。固結灌漿宜在接觸灌漿結束7 d后進行，用管片安裝（灌漿）孔對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖段進行全斷面固結灌漿。

為確保TBM掘進期間洞內施工交通，前期僅能進行豆礫石回填灌漿施工，接觸、固結灌漿需待TBM段隧洞貫通后進行。若在TBM隧洞段全線貫通后，再進行接觸、固結灌漿，將產生接觸、固結灌漿工序轉換時差7 d且施工過程中兩種灌漿施工存在相互干擾的現象，勢必影響項目總工期。為優化灌漿施工組織，提高灌漿效率，開展接觸、固結灌漿同孔一次施工試驗研究。

1.2 試驗區工程地質條件

試驗選取豆礫石回填灌漿施工已完成且質量檢測合格的兩個試驗區，分別包含地質條件相近的Ⅲ、Ⅳ類圍巖等長洞段，試驗區工程地質條件見表1。

表1 試驗區工程地質條件

1.3 試驗布置及布孔型式

兩試驗區均布設192個灌漿孔，施工環分兩序，Ⅰ序孔80個孔、Ⅱ序孔112個孔；另布置抬動觀測孔1個。

接觸及固結灌漿孔設計參數見表2。Ⅰ、Ⅱ序灌漿孔布置見圖1。

表2 灌漿孔設計參數

2 灌漿試驗

2.1 鉆孔及簡易壓水試驗

圖1 Ⅰ（Ⅱ）序孔環斷面

灌漿鉆孔使用液壓鉆機，孔徑為56 mm，開孔孔位與管片預留孔中心對齊。鉆孔完成后，進行鉆孔沖洗，將鉆具提離孔底10～20 cm，采用大流量清水敞開孔口進行沖洗，直至回清水為止。在孔壁沖洗完成后，采用壓力水進行脈動沖洗，沖洗壓力為該灌漿段灌漿壓力的80%，若大于1 MPa，則采用1 MPa[2]。脈動沖洗直至回清水持續10 min后，進行簡易壓水，壓水壓力為該灌漿段灌漿壓力的80%，若大于1 MPa，則采用1 MPa，壓水時間不小于20 min。

2.2 灌漿試驗工藝

在每個試驗區各取連續24 m范圍采取以下兩種工藝進行灌漿：

試驗工藝一（接觸、固結灌漿分開施工）：施工準備→抬動觀測孔鉆孔安裝→Ⅰ序孔接觸灌漿→封孔→固結灌漿→封孔→Ⅱ序孔接觸灌漿→封孔→固結灌漿→封孔。

試驗工藝二（接觸、固結灌漿同孔一次施工）：施工準備→抬動觀測孔鉆孔安裝→Ⅰ序孔固結灌漿與接觸灌漿同孔一次施工→封孔→Ⅱ序孔固結灌漿與接觸灌漿同孔一次施工→封孔。

固結灌漿試驗的漿液濃度由稀到濃逐級變換，水灰比采用3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.5 ∶1四個比級，漿液變換原則遵循《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》（SL 62—2014）[11]。接觸灌漿采用水灰比為0.5∶1的漿液灌注。

灌漿壓力應盡快達到設計值，注入率大的孔段采用分級升壓方式逐級升壓至設計壓力。具體操作時以壓水試驗為基礎，按每0.1 MPa為一級，逐級升壓至設計壓力。

灌漿壓力達到規定值，灌漿段吸漿量小于或等于1 L/min，延續30 min即可結束固結灌漿。

2.3 抬動孔觀測

抬動觀測孔深度大于相應部位固結灌漿孔深度2.0 m，孔徑采用76 mm。安裝抬動觀測裝置，內管采用φ25 mm鋼管、外管采用φ50 mm鋼管作為護管，所有鋼管的連接全部采用絲扣連接。抬動觀測裝置內外管離地面20 cm以上，方便抬動觀測，并避免水泥漿液被沖進抬動觀測孔。抬動觀測裝置在灌漿作業前完成安裝、調試工作。

設有抬動觀測裝置的部位，其周邊灌漿孔段在裂隙沖洗、壓水試驗及灌漿過程中均進行觀測，并采用千分表進行觀測記錄。使用期間，對抬動觀測裝置進行有效的防護，避免出現碰撞、震動現象，影響測試精度。抬動觀測裝置結構見圖2。

圖2 抬動觀測裝置示意

3 灌漿試驗結果分析

3.1 灌前透水率及單位長度注灰量分析

因接觸灌漿主要在豆礫石與圍巖及管片之間縫隙進行，暫不考慮其對圍巖的固結灌漿影響，則各試驗部位固結灌漿灌前平均透水率和水泥單位長度注灰量見表3。

表3 固結灌漿結果

從以上結果分析可知：

試驗一區（Ⅲ類圍巖）：固結灌漿各次序孔遞減規律明顯，平均注灰量為3.41 kg/m，Ⅰ序孔單位長度注灰量4.48 kg/m，Ⅱ序孔單位長度注灰量2.33 kg/m，遞減率為48.0%。由此可知，隨著灌漿次序的增加灌前透水率及注灰量逐漸降低，其灌漿水泥單耗遞減情況明顯，符合分序加密的灌漿規律。

試驗二區（Ⅳ類圍巖）：固結灌漿各次序孔遞減規律明顯，平均注灰量為3.99 kg/m，Ⅰ序孔單位長度注灰量6.13 kg/m，Ⅱ序孔單位長度注灰量1.85 kg/m，遞減率為69.8%。由此可知，隨著灌漿次序的增加灌前透水率及注灰量逐漸降低，其灌漿水泥單耗遞減情況明顯，符合分序加密的灌漿規律。

為對比不同施工工藝下的灌漿效果，針對各試驗部位注灰量進行統計，結果見表4。

表4 接觸、固結灌漿試驗綜合結果

由以上灌漿試驗結果可知：

（1）從固結灌漿平均單孔注灰量分析，接觸、固結灌漿同孔一次施工略大于分開施工；

（2）從總的水泥用量分析，接觸、固結灌漿同孔一次施工大于分開施工。

經分析，原因如下：固結和接觸分開施工先進行0.5 MPa壓力豆礫石層接觸灌漿，然后進行1.0 MPa壓力固結灌漿，而同孔一次灌漿施工用1.0 MPa進行接觸及固結灌漿。因此，無論從單耗量及總耗量分析，固結與接觸同孔一次施工均大于分開施工，更有利于保證接觸、固結灌漿的施工質量。

3.2 接觸、固結灌漿質量檢查

灌漿試驗完成后，利用管片安裝孔，在每一試驗區各取8個，共16個檢查孔，同孔位進行接觸及固結灌漿質量檢查，綜合結果見表5。其中，固結灌漿質量檢查采用單點法壓水，接觸灌漿采用水灰比2∶1的水泥漿進行壓漿試驗。質量檢查孔施工工藝：提供灌漿結果→監理人指定孔位→造孔取芯→固結灌漿單點法壓水→灌封→接觸灌漿壓漿→灌封→人工封孔。

固結灌漿檢查結果顯示，16個檢查孔透水率均小于1 Lu。依據《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》（SL62—2014）[11]相關要求，“85%以上試段的透水率不大于1 Lu。其余試段的透水率不超過設計規定值的150%，且分布不集中，即為合格”。因此檢查孔壓水試驗結果表明各項指標均滿足規范和設計要求，全部合格。

接觸灌漿檢查結果顯示，16個檢查孔壓漿均小于10 L，依據該工程相關設計要求，“向檢查孔內注入水灰比為2的水泥漿，初始10 min內注入漿量不大于10 L為合格”。因此檢查孔壓漿試驗各項指標均滿足規范和設計要求，全部合格。

表5 接觸、固結灌漿質量檢查綜合結果

3.3 抬動變形觀測

灌漿試驗施工過程中，安排專人嚴密監視抬動裝置千分表的變化情況，針對每區段兩種工藝各選取4組抬動觀測值進行統計分析，結果見表6。

表6 抬動觀測記錄

由以上抬動觀測值分析可知：本次試驗過程中，無論接觸、固結灌漿同孔一次施工還是分開施工時的抬動變形量均未超過規范中200 μm的允許值[11]，符合施工安全要求。接觸、固結灌漿同孔一次施工略大于分開施工時的抬動變形量，但亦未超過規范允許值，這說明同孔一次施工對管片襯砌結構的抬動影響不大。

3.4 施工功效對比

因為接觸、固結灌漿無論分開還是同孔一次施工，均在同一孔位進行，所以在進行灌漿施工功效分析時，僅對單序單孔施工功效分析即可。

根據前述兩種施工工藝的施工控制流程，單序單孔接觸、固結灌漿分開施工總時間為

式中：Tf為接觸、固結灌漿分開施工總耗時，h；Tj為接觸灌漿單孔耗時（含鉆孔、灌漿、封孔），h；Tg為固結灌漿單孔耗時（含鉆孔、灌漿、封孔），h；168為接觸、固結灌漿工序轉換時差。

單序單孔接觸、固結灌漿同孔一次施工總時間為

式中：Tt為接觸、固結灌漿同孔一次施工總耗時；Tg為固結灌漿單孔耗時（含鉆孔、沖洗、灌漿、封孔）。

聯立式（1）和式（2），則兩種不同工藝單序單孔施工耗時時差為

式中：ΔT為兩種不同工藝單序單孔施工耗時時差，h。

根據本次灌漿試驗統計數據，接觸灌漿（含鉆孔、灌漿、封孔）單孔平均耗時2 h，則單序單孔接觸、固結灌漿同孔一次與分開施工相比，可提前170 h施工完成。蘭州市水源地建設工程輸水主洞TBM控制段全長24.6 km，平均每1.5 m洞段布置6個灌漿孔，總孔數達98 360個，當采用接觸、固結灌漿同孔一次施工時，工期效益將更為可觀。

4 結 語

結合蘭州市水源地建設工程雙護盾TBM隧洞灌漿施工，開展了接觸、固結灌漿同孔一次施工試驗研究。通過灌漿試驗，驗證了在進行同孔一次接觸、固結灌漿施工時，其接觸及固結灌漿施工質量均能滿足設計要求，且灌漿過程中未發生管片襯砌結構的抬動變形破壞。該施工工藝簡單，施工便捷，能有效解決原灌漿設計方案接觸、固結灌漿分開施工時長達170 h的施工耗時時差且相互干擾等相關問題，有助于加快工程建設速度，帶來巨大的工期效益，可在管片襯砌條件下的雙護盾TBM隧洞灌漿工程中推廣應用。