雙護盾TBM自密實回填快速支護施工技術及應用

王明友 潘長城 金 峰

(1.華能西藏雅魯藏布江水電開發有限公司，西藏 拉薩 850000；2.清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

雙護盾TBM具有掘進高效、施工安全，適應硬巖地質條件等諸多優勢，是硬巖隧道的首選掘進方式。在隧道工程的傳統掘進過程中，往往采用豆礫石回填工藝，施工方法為：先向隧道與圍巖之間的空隙回填豆礫石，再向豆礫石的空隙間回填水泥漿或砂漿。然而這樣的工藝有不少局限性，回填密實度難以保證、施工效率較為低下，隧洞襯砌大規模滲水現象普遍，在高地應力的巖石地質條件下還容易發生巖爆，對工程及設備造成不小的影響。

雙護盾TBM自密實回填快速支護施工技術，用高性能自密實混凝土代替原有的“豆礫石+水泥漿/砂漿”作為回填材料，通過充氣止漿環構建獨立、密閉的回填區間，可在大大提升回填密實度、簡化施工工序的同時，實現回填支護的同步性、及時性，降低隧洞施工風險。

1 工程概況

西藏林芝市多雄拉隧洞為雙車道隧洞，開挖洞徑9.13m，襯砌后隧洞直徑8.1m。本工程區間地應力高、巖石地質條件較差，傳統的豆礫石回填技術不僅回填后密實度較低，而且工序繁多，對圍巖的支護也不夠及時，施工中多次發生巖爆，施工后隧洞易發生大面積滲水，對工程進度及施工安全造成不小的影響。因此，急需一種全新的施工技術，能夠克服傳統技術的缺點，保證施工質量，降低施工成本。

2 技術原理

本施工技術的原理為：在混凝土管片外弧面，制作出一批沿著圓周方向預制凹槽的管片，于這些管片凹槽內預裝橡膠充氣膜帶。TBM掘進過程中，每前進一定距離(根據實際需要，可定為若干環管片的隧洞長度)，安裝一圈貼有膜帶的管片。TBM繼續向前推進直至膜帶脫出尾盾之后，向膜帶中充入空氣，膜帶膨脹實現管片與圍巖之間的密封。

通過管片上的灌漿孔，向相鄰兩圈止漿膜帶間的回填區中，注入自密實材料進行回填，待回填材料達到足夠的強度后，排出膜帶內的空氣，并按同理進行后續的施工，工藝原理示意見圖1。

圖1 工藝原理示意

3 技術要點

本施工技術在傳統技術的基礎上，通過增設充氣止漿環，同時將回填材料替換為自密實材料，實現管片安裝后的快速回填支護。

3.1 配套管片制作

配套管片由管片廠預制，在現有混凝土管片金屬模具基礎上，于外弧面模板內側中線沿圓周方向焊接金屬凸起。改造后的模具生產混凝土管片，可以在新澆管片的外弧面形成凹槽，用于后期的膜帶安放。

3.2 充氣膜帶安裝

充氣膜帶需要在充氣后能夠適應圍巖與管片外徑，起到良好的止漿作用，這要求膜帶具有良好的可變形性；另外，由于安裝過程會發生刮蹭，圍巖也會存在尖銳區，因此膜帶還需要具備較好的耐磨性。綜合考慮后，采用橡膠材質的軟管作為膜帶。根據一環襯砌中各塊管片的尺寸，裁剪出符合試驗要求的膜帶，要求每塊管片上粘貼的膜帶，膜帶兩端比管片要長一些，以便充氣后的搭接。膜帶中部安裝進氣孔，兩端封口。利用強力膠水將膜帶安裝于管片內部的凹槽內，使得膜帶進氣孔與管片灌漿孔重合，即完成了膜帶的安裝。

3.3 充氣管路安裝及膜帶充氣

將粘貼有膜帶的管片運輸進洞，利用TBM上的管片安裝器依次吊裝于尾盾內壁，形成一環帶有膜帶的管片襯砌。在管片安裝成環但未脫出尾盾時，通過管片中央的灌漿孔，給每段止漿膜帶的鴨嘴旁通連接充氣管路。在粘貼有膜帶的管片推出尾盾之前，將膜帶的充氣管路安裝完畢。

待粘貼有膜帶的管片推出尾盾后，向止漿膜帶中充氣。

3.4 管片回填支護

根據實際工程需要配置自密實混凝土，要求混凝土在洞內回填時有600mm左右的擴展度，同時未發生骨料離析和泌水。按照相關泵送規程，對止漿膜帶構建的區間進行回填直至灌滿，在回填混凝土達到足夠強度后，用抽氣機將膜帶中的空氣抽出直至膜帶干癟。

3.5 下一區間回填施工

按照整個工序，再進行下一回填區間的混凝土回填，使得混凝土填滿新的回填區間，且填充上一環膜帶抽氣后形成的空腔。

4 質量控制

4.1 工程質量控制標準

本技術所有施工均應符合《水工隧洞設計規范》(SL 279—2016)、《公路隧道施工技術規范》(JTG F60—2009)以及《自密實混凝土應用技術規程》(JGJ/T 283—2012)等相關行業規范要求。

4.2 質量保證措施

在施工的整個過程中堅持質檢員旁站制，加強對各道工序特別是關鍵部位或技術復雜部位的檢查，嚴格把關。施工過程中嚴格遵循現場交接班制，對在施工中發現的問題做好記錄，達不到要求的工序效果，未處理完不得進入到下道工序。

建立健全質量保證體系，制定工程質量保證措施，組織全員進行技術交底，熟知操作規程和技術標準，領會設計意圖。檢查設備的完好性，備足易損件，保證回填施工的連續性。

質量控制固然重要，但保證安全是施工現場的首要原則，因此需要認真執行安全制度：現場設專職安全員、巡查小組，堅持全程巡視檢查，認真分析各種安全隱患并及時采取措施；對檢查中發現的安全問題，即使可能會拖慢施工進展，仍要按照“三不放過”的原則立即制定整改措施，優先保障施工安全。除此以外，環保問題也不容忽視，建立環境管理體系，成立施工環境管理組織機構，明確職責，遵守國家和地方政府下發的有關環境保護的法律、法規和規章；作業人員佩戴防護面具和耳罩，防止粉塵和噪聲對人體的傷害。

5 回填質量評價

5.1 孔內電視

在回填區間回填自密實混凝土后，于混凝土1天齡期時對回填混凝土進行鉆孔取芯，取芯完畢后利用孔內電視對孔壁的混凝土進行觀察。經過鉆芯取樣后發現，取出的混凝土芯樣骨料分布均勻，無裂隙部位出現，內部空洞也較少，整體來看回填質量高。之后通過孔內電視生成鉆孔的平面展開圖，觀察圖像也可得出上述結論，見圖2。

圖2 1天齡期回填混凝土芯樣及孔內電視展開

5.2 鉆孔取芯

在回填混凝土達到半年齡期時，隨機于回填區間鉆取一系列芯樣，并加工成高度直徑比為1∶1的圓柱試樣，對所得試樣進行抗壓強度試驗，得到芯樣平均強度值為44.6MPa，與實驗室同配合比混凝土立方體試樣加速養護5天強度值41.2MPa做對比，可知回填混凝土強度增長良好，支護質量高。

5.3 抗滲等級

根據《水工隧洞設計規范》(SL 279—2016)、《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)的相關要求，水頭低于30m時的抗滲等級為W4，水頭介于30～70m時的抗滲等級為W6，水頭介于70～150m之間時的抗滲等級為W8。

依據混凝土相關試驗方法，對回填混凝土做抗滲性能試驗。試驗從水壓0.1MPa開始，以后每隔8h增加水壓0.1MPa，觀察試件端面的滲水情況。試驗結果表明，對于用作試驗的6個試樣，在水壓達到0.8MPa時，有5個試件端面未發生滲透，僅有1個試件端面發生滲透，混凝土的抗滲等級基本可達W8級。再加上混凝土襯砌管片本身亦有相應的止水構件，故本施工技術完全能夠滿足隧洞的防滲需求。

6 結 語

與傳統的雙護盾TBM回填支護施工方法相比，本技術具有以下優點：

a.提升回填支護密實度。本技術采用自密實材料作為回填材料，回填過程中無須振搗即可密實，實測密實度通常達99%以上。對于工程運行期間長期使用的隧洞，密實度的提升具有最為重要的意義。

b.提高施工效率。本技術從改變回填材料入手，用單一的自密實材料替代傳統技術中多種回填材料的組合，大大簡化了回填支護過程中的施工工序，提升了工程施工效率。

c.提高回填支護及時性。本技術由于采用了止漿環，可將回填空間沿隧道長度方向劃分為一個個回填區間，在區間形成后立即灌入自密實混凝土材料，為圍巖提供快速、及時的支護，且與TBM的掘進同步。

d.提升水下回填段施工質量。目前研發的水下自護混凝土技術，采用“水下保護劑+自密實混凝土”的工藝，可以很好地實現水下密實回填，大大提升施工質量。

e.降低施工成本。與傳統技術相比，本技術可節省約46%的施工成本，經濟效益顯著。以西藏多雄拉隧道為例進行計算，采用新技術進行回填，每延米隧道回填可以節省成本約1022.9元，成本下降約46%。

f.社會效益巨大。由于工序簡單、施工效率高，同時一次密實成型、施工質量高，后期無須大規模補灌，因此相比于傳統技術，本技術所需人力、物力大大減少，可顯著降低施工能耗、碳排放，節能、環保效果突出。與此同時，本技術可將開挖洞渣作為混凝土骨料，既可減少對施工場地土地資源的占用，也可降低隧洞開挖料對洞外環境的影響。