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(yáng)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(diǎn)，在鐵路、水利、公路等隧洞開(kāi)挖過(guò)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(guò)程中的3個(gè)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(duì)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(shí)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(duì)預(yù)制管片造成損傷，降低支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)增加相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)成本；3）若封閉措施不及時(shí)造成漏漿，則會(huì)影響灌漿質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)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(jí)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(guó)在TBM施工技術(shù)實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中已經(jīng)積累了一些寶貴經(jīng)驗(yàn)，但仍有許多問(wèn)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(zhǎng)度為58.505km，縱向坡比為0.1%，其中適宜TBM掘進(jìn)施工長(zhǎng)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(kāi)挖設(shè)計(jì)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(duì)預(yù)制混凝土管片和圍巖之間的空隙進(jìn)行密實(shí)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(shí)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(hào)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(hào)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(yàn)

為了充分掌握豆礫石與灌漿漿液結(jié)合的密實(shí)度和力學(xué)性能，制作同比例的模具對(duì)豆礫石回填工藝展開(kāi)室外工藝試驗(yàn)，回填灌漿模具示意見(jiàn)圖1。試驗(yàn)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(yàn)，測(cè)試不同配比下回填灌漿的密實(shí)度；3）進(jìn)行室內(nèi)抗壓試驗(yàn)，當(dāng)回填灌漿結(jié)束28d后，對(duì)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(yàn)，獲得結(jié)石強(qiáng)度。

圖1 豆礫石回填灌漿工藝試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

進(jìn)行室內(nèi)外壓漿和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，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(dòng)性減弱，但28d抗壓強(qiáng)度卻有所提高，對(duì)取芯試樣進(jìn)行外觀觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)加入減水劑后芯樣更加密實(shí)。從試驗(yàn)結(jié)果分析得出：減水劑和水灰比對(duì)結(jié)合性質(zhì)影響較大，在常壓洞段，建議采用3號(hào)配合比進(jìn)行施工，當(dāng)處于富水洞段時(shí)，建議采用2號(hào)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(yàn)

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(shí)受施工組織問(wèn)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(duì)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(duì)串漿距離和7d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

底拱灌注試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(duì)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(shí)相當(dāng)，而強(qiáng)度也與速凝灌注試驗(yàn)相差不大，這表明該灌注方法適用于TBM現(xiàn)場(chǎng)灌注。

表2 底拱灌漿工藝試驗(yàn)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(jì)方案中，豆礫石泵位于6號(hào)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(tái)，其對(duì)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(hào)拖車上主要布置回填系統(tǒng)，罐下料口原設(shè)計(jì)為手動(dòng)操作。12和13號(hào)拖車上主要布置風(fēng)壓系統(tǒng)，風(fēng)壓系統(tǒng)包括4臺(tái)75kW的空壓機(jī)和3m3儲(chǔ)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(shí)際施工過(guò)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?jiǎn)㈤]自動(dòng)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(jì)方案為4號(hào)拖車布置灌漿系統(tǒng)，16號(hào)拖車布置二次灌漿系統(tǒng)，在TBM前后各布置1臺(tái)100型砂漿攪拌機(jī)。原設(shè)計(jì)方案存在的問(wèn)題：1）在連接橋處底拱的回填灌漿不密實(shí)；2）拖車、風(fēng)筒、電纜橋架等影響局部灌漿問(wèn)題；3）原設(shè)計(jì)能力不能滿足全斷面同時(shí)灌注的需求。為此，建議進(jìn)行改進(jìn)：1）將17號(hào)拖車和18號(hào)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(hào)拖車上設(shè)置儲(chǔ)漿罐，容量為3m3；2）將4號(hào)拖車上的制漿機(jī)增大為400L，并購(gòu)置450L/H柱塞式計(jì)量泵，與哈尼灌漿泵合作進(jìn)行底拱的雙液灌漿，在17號(hào)拖車內(nèi)增加一套雙缸泵，采用雙管路對(duì)隧洞頂拱部位進(jìn)行灌漿；3）常壓洞段采用表1中3號(hào)試驗(yàn)組配比，富水洞段采用表1中2號(hào)試驗(yàn)組配比，底拱灌注時(shí)水玻璃摻量為1.5%～2.0%。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)回填灌漿效果對(duì)比分析

采用相同或基本相近的2個(gè)洞段按原回填灌注方案和改進(jìn)后方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回填灌漿效果對(duì)比試驗(yàn)，分別進(jìn)行壓漿試驗(yàn)和豆礫石巖芯進(jìn)抗壓試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)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(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)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(guò)了15MPa，保證了隧洞成型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；從壓漿量對(duì)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(guò)了設(shè)計(jì)規(guī)定的10L，故密實(shí)性不滿足設(shè)計(jì)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。可見(jiàn)，文中所提出的豆礫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(jià)值。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)回填灌漿效果對(duì)比

4 結(jié)論

主要根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)對(duì)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(shí)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(chǎng)實(shí)際情況和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)原設(shè)計(jì)豆礫石回填灌漿工藝進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)前后的回填灌漿效果進(jìn)行對(duì)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(jià)值，值得推廣運(yùn)用。