厄瓜多爾CCS項(xiàng)目TBM灌漿施工探討

王 勇， 高 強(qiáng)

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

厄瓜多爾CCS水電站項(xiàng)目輸水隧洞工程全長24.8 km，采用兩臺由HK公司研發(fā)的雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工。TBM2負(fù)責(zé)13.8 km的隧洞開挖，從輸水隧洞出口往入口方向掘進(jìn)，由2#施工支洞出洞。該輸水隧洞TBM開挖洞徑為9.11 m，管片安裝后洞徑為8.2 m。

TBM施工包含五道工序：TBM開挖、管片安裝、砂漿回填、豆礫石回填、水泥灌漿。其中砂漿回填、豆礫石回填和水泥灌漿屬于TBM后配套施工范疇。

2 TBM灌漿工藝

該項(xiàng)目采用美國標(biāo)準(zhǔn)，對隧洞開挖管片襯砌后的豆礫石回填灌漿要求很高，必須達(dá)到滿填滿灌的標(biāo)準(zhǔn)，取芯檢查合格。傳統(tǒng)工藝是在管片安裝后底部90°范圍回填砂漿，起到對管片環(huán)的支撐作用，待安裝4～5環(huán)后回填豆礫石，之后再灌水泥漿。為確保工程質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，最大限度地降低工程成本，我們根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和后配套設(shè)備的特點(diǎn)，對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，得到了業(yè)主和監(jiān)理工程師的好評，具體改進(jìn)措施對比情況見表1。

表1 TBM灌漿傳統(tǒng)工藝與改進(jìn)工藝比較表

2.1 砂漿回填

TBM砂漿回填前期只是對底部管片進(jìn)行砂漿回填。隨著工程的進(jìn)行，后期增加了對頂部管片的砂漿回填。

2.1.1 底部砂漿回填

在TBM管片安裝完成向前推進(jìn)過程中，當(dāng)尾護(hù)盾上的止?jié){刷推過管片中心上的預(yù)留孔后即可進(jìn)行底管片的砂漿回填工作。正常情況下(洞內(nèi)無水或水很小)，在底管片灌注高粘度砂漿。特殊情況下(有大水情況)，可能需要進(jìn)行全斷面高粘度的砂漿灌注。砂漿回填范圍為該環(huán)底部60°到90°的范圍，砂漿強(qiáng)度等級為M15。砂漿由隧洞外的拌合站拌制，經(jīng)火車運(yùn)進(jìn)至洞內(nèi)。砂漿灌注時，要求添加摻量為膠凝材料重量7%的速凝劑，以加快砂漿凝結(jié)速度，從而更好地對整環(huán)管片起到支撐作用。

底管片砂漿灌注結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)有三個，滿足其一，即可結(jié)束砂漿灌注。

(1) 砂漿灌注量達(dá)到計(jì)算所需的砂漿用量。

(2) 灌注過程中，管片預(yù)留孔孔口有砂漿溢出，無法繼續(xù)向孔內(nèi)灌注砂漿。

(3) TBM尾護(hù)盾處有砂漿流出。

最初設(shè)計(jì)的砂漿灌注是在每環(huán)推進(jìn)過程中進(jìn)行。但在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，若每推一環(huán)即灌注砂漿存在極大的不便，之后則優(yōu)化改進(jìn)為TBM雙護(hù)盾模式，若無特殊情況，基本上按照2+1+1的模式進(jìn)行灌注，即在管片安裝好第三環(huán)并開始推出后著手對已經(jīng)推出的前兩環(huán)管片進(jìn)行灌注。當(dāng)前兩環(huán)灌注完畢，通常情況下第三環(huán)已經(jīng)推出，甚至第四環(huán)底部管片已安裝完畢。此時，可以對第三環(huán)進(jìn)行灌注。重復(fù)此過程，直至四環(huán)管片所需砂漿灌注完畢。

實(shí)際上，在底部砂漿灌注過程中，由于管片底部多聚集有巖粉、浮渣、回填的豆礫石等，導(dǎo)致底部砂漿平均每環(huán)灌注量只有0.9 m3,實(shí)際回填范圍底拱在46°左右。

2.1.2 頂部砂漿回填

頂部砂漿回填是在優(yōu)先保證底部砂漿回填的情況下進(jìn)行的，回填所用的砂漿與底部砂漿配比一致。但考慮到頂部砂漿無速凝要求，故不需添加速凝劑。頂部砂漿回填有三個好處：

第一， 能夠充分發(fā)揮砂漿泵的工效；

第二， 能夠有效抑制后期頂部水泥回填灌漿發(fā)生的串漿現(xiàn)象；

第三， 能夠更好地填充頂部空腔，減輕水泥灌漿的工作量，還可以節(jié)約水泥，從而帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。頂部砂漿實(shí)施回填后，節(jié)約的水泥量見表2。

表2 頂部砂漿回填可節(jié)約水泥量表

開始頂部砂漿回填時，TBM已掘進(jìn)了7 600 m。若從TBM開始掘進(jìn)即啟動頂部的砂漿回填，節(jié)約的水泥量可達(dá)3 472.94 t，從而帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 豆礫石回填

豆礫石回填系指對砂漿灌注區(qū)域外的管片與圍巖之間的空腔回填豆礫石。豆礫石回填的飽滿程度及跟進(jìn)是否及時，將直接決定已安裝管片是否會出現(xiàn)受力不均、下沉、錯臺、偏心等，以及由此引發(fā)的管片破損。

早期的豆礫石回填是在底部砂漿灌注后進(jìn)行的，后來將豆礫石回填施工提前于底部的砂漿回填，即TBM每安裝并推出一環(huán)后即開始進(jìn)行豆礫石回填作業(yè)。實(shí)踐證明：這一做法是合理的，在后期安裝的管片中，若未遇到特殊地質(zhì)情況，管片出現(xiàn)大破損和錯臺的現(xiàn)象急劇減少。

豆礫石回填相關(guān)技術(shù)及工藝要求如下：

(1) 豆礫石回填通過管片上的預(yù)留孔進(jìn)行，豆礫石粒徑要求為5～10 mm，含泥量及其他雜質(zhì)含量需控制在較低范圍內(nèi)，豆礫石需保持其表面濕潤。

(2) 豆礫石的回填是經(jīng)過安裝在TBM上的兩臺豆礫石泵實(shí)現(xiàn)的，工作風(fēng)壓控制在0.3～0.4 MPa。

(3) 回填采用由低到高、左右交叉對稱的方法作業(yè)。先噴該環(huán)最低處的兩個孔，當(dāng)豆礫石噴不進(jìn)去時即停止該孔的回填作業(yè)，移孔至頂部上的兩個孔；當(dāng)腰線處的預(yù)留孔有豆礫石漏出時，將其堵住，繼續(xù)豆礫石回填直至該孔噴不進(jìn)豆礫石為止。

2.3 水泥灌漿

水泥回填灌漿作用范圍為管片背后與圍巖間的空腔及豆礫石內(nèi)部間存在的孔隙?；靥罟酀{的作用主要有兩點(diǎn)：第一，將回填的豆礫石與管片及圍巖膠結(jié)在一起，使之共同受力，形成一個自穩(wěn)結(jié)構(gòu)；第二，水泥漿液與豆礫石膠結(jié)后，可以形成一個近似的封閉層，從而提高隧洞的整體防滲性能。根據(jù)水泥回填灌漿施工的平臺可分為TBM上的水泥灌漿及臺車上的二次灌漿。二次灌漿的主要作用是彌補(bǔ)TBM上未灌注水泥的預(yù)留孔。

水泥回填灌漿工藝及技術(shù)要求如下：

(1) 水灰比為0.6∶1，加入摻量為1.2%的PCA-Ⅲ型減水劑。

(2) 灌漿采用純壓式灌漿，將灌漿壓力控制在0.2～0.3 MPa，特殊地段可增加至0.5 MPa。

(3) 灌漿通過預(yù)留在管片上的孔進(jìn)行。采用從低到高、左右交叉對稱的灌注方法。

(4) 灌漿用水泥采用散裝水泥。其由火車?yán)M(jìn)洞內(nèi)，卸料到洞內(nèi)TBM上的儲料罐。

制漿采用ZJ-400A型高速攪拌機(jī)拌制并自制了稱量系統(tǒng)。采用SGB6-10型高壓灌漿泵灌漿。

(5) 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：在規(guī)定壓力下，灌漿孔停止吸漿，繼續(xù)灌注5 min即可結(jié)束；如發(fā)生串漿則停止灌漿孔灌漿，移至串漿孔繼續(xù)灌注。

(6) 灌漿結(jié)束后，關(guān)閉孔口閥門進(jìn)行閉漿。待孔內(nèi)漿液初凝、拆除孔口螺栓套件，采用特制的CK微膨脹砂漿將孔封堵密實(shí)、抹平。

(7) 注漿過程中，若發(fā)現(xiàn)從環(huán)縫、縱縫及孔洞漏漿時，可以采用棉紗、木楔等材料進(jìn)行封堵。

3 TBM灌漿施工的特殊性及難點(diǎn)

TBM后配套施工與傳統(tǒng)鉆爆法回填灌漿施工相比有其獨(dú)特的地方。這些特殊性不僅是工藝上的，還有施工條件上的。施工工藝上的特殊性主要體現(xiàn)在：第一，水泥回填灌漿不只是對管片背后與圍巖間的空隙進(jìn)行填充，還要將回填的豆礫石進(jìn)行充分膠結(jié)；第二，與傳統(tǒng)鉆爆法相比，多了豆礫石回填與砂漿灌注這兩道工藝。施工條件上的特殊性在于TBM的后配套施工受到TBM施工多因素的影響和限制，從而給施工帶來很多不便。

TBM后配套施工特殊性的存在，引發(fā)的施工難點(diǎn)主要有以下五點(diǎn)：

(1) TBM掘進(jìn)速度快，從而造成后配套施工時段性強(qiáng)度大，水泥回填灌漿跟進(jìn)難度大。

(2) TBM設(shè)備布置復(fù)雜，可利用空間狹窄。

(3) TBM許多工序之間存在嚴(yán)重的交叉作業(yè)。

(4) 管片與圍巖間的間隙均勻，通道暢通且未設(shè)置止?jié){隔離，造成水泥灌漿時串漿距離很遠(yuǎn)，往往短時間內(nèi)很難將頂部灌滿。但TBM又在不斷前進(jìn)，故經(jīng)常被迫結(jié)束個別灌漿孔，而再次進(jìn)行二次補(bǔ)灌的效果肯定不如一次性完成。

(5) 若回填的豆礫石質(zhì)量不佳，如含泥、含砂量高，豆礫石棱角多等，將造成通道阻斷或不夠暢通，從而導(dǎo)致水泥回填灌漿時部分區(qū)域水泥漿液無法滲入，進(jìn)而影響灌漿質(zhì)量。

4 TBM設(shè)計(jì)問題

針對TBM后配套施工的特殊性及難點(diǎn)，筆者結(jié)合實(shí)際施工中的一些體會，通過豆礫石回填與灌漿施工，發(fā)現(xiàn)TBM主要存在以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)問題：

(1) 豆礫石回填用設(shè)備安放位置有待優(yōu)化。豆礫石回填設(shè)備設(shè)置在6號臺車上，距離噴豆礫石平臺約80 m，由于管路的磨損較大，其成本較高；另外，管路越長，意味著爆管、堵管的風(fēng)險(xiǎn)越大。

(2) 原有灌漿設(shè)備設(shè)計(jì)能力嚴(yán)重不足。在TBM原配的灌漿設(shè)備里，高速制漿機(jī)制漿能力單次只有100 L，而送漿泵的送漿能力≤30 L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需求。另外，TBM設(shè)計(jì)的散裝水泥罐單次水泥運(yùn)輸能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際需要的水泥量(表3)。

表3 單次火車進(jìn)洞水泥運(yùn)輸與實(shí)際需要水泥量比較表

由表3可知，灌漿用水泥在設(shè)計(jì)上即存在嚴(yán)重的缺陷，導(dǎo)致水泥灌漿任務(wù)無法跟進(jìn)完成，只能靠二次補(bǔ)灌。

(3) 管片安裝模式設(shè)計(jì)存在缺陷，頂部未設(shè)計(jì)灌漿預(yù)留孔，回填灌漿效果欠佳。

(4) TBM灌漿施工所需砂漿是由洞外拌合站拌制后由火車?yán)M(jìn)洞內(nèi)，運(yùn)距及時間較長，砂漿質(zhì)量下降，容易造成堵管。如果TBM發(fā)生不可預(yù)見的情況，整車砂漿還有可能報(bào)廢。

5 結(jié) 語

TBM后配套施工具有重要的意義。在本工程中，最終采用的TBM灌漿相關(guān)施工工藝經(jīng)實(shí)踐證明效果還是很理想的。筆者列出了以下結(jié)論和建議，旨在為今后類似TBM的施工提供參考。

(1) 底部砂漿回填可以不跟進(jìn)每一環(huán)管片進(jìn)行。本工程采用每四環(huán)2+1+1的方式，并從管片安裝孔注漿；采用頂部砂漿回填替代頂部水泥回填灌漿，確保頂部回填飽滿且減少水泥回填灌漿工作量，還能節(jié)省大量成本；火車砂漿運(yùn)輸罐和TBM砂漿存儲罐的容量增大為8 m3(容量根據(jù)工程需要調(diào)整)，確保了每環(huán)底部和頂部管片均能填滿；最好能設(shè)計(jì)為在TBM進(jìn)行砂漿拌制，這樣更能確保砂漿用量滿足需求，也能規(guī)避運(yùn)輸過程中的所有風(fēng)險(xiǎn)和問題。

(2) 豆粒石回填跟進(jìn)管片安裝進(jìn)行，對確保管片安裝質(zhì)量及安全起到了至關(guān)重要的作用；豆粒石管路在噴射時磨損非常嚴(yán)重，成本增加，建議將豆粒石系統(tǒng)在后配套順序里往前調(diào)整，盡量減少管路長度并采用高耐磨內(nèi)襯材料的管路。

(3) 水泥灌漿系統(tǒng)中的設(shè)備生產(chǎn)能力及水泥材料存儲運(yùn)輸能力配置要確保工程量及進(jìn)度需求，盡量滿足跟進(jìn)TBM掘進(jìn)進(jìn)行灌漿施工，能夠減少甚至避免進(jìn)行二次灌漿的工作；水泥灌漿制漿系統(tǒng)配置為全自動制漿系統(tǒng)，操作簡便，計(jì)量準(zhǔn)確，效率更高。

(4) 最后，筆者有一個大膽的設(shè)想：將水泥和豆粒石干料在TBM進(jìn)行均勻拌合，用豆粒石噴射泵進(jìn)行噴射回填，通過地下水或自然受潮后膠結(jié)凝固，這樣能大大提高整個后配套回填灌漿的質(zhì)量與效果，并大量減少水泥回填灌漿的工作量。但這僅為設(shè)想，還有待科學(xué)驗(yàn)算和工程實(shí)踐論證其效果及可行性。