雙護(hù)盾TBM 隧洞同孔一次灌漿試驗(yàn)研究

王志強(qiáng)，李國超，魏 杰，毛宗杰，楊風(fēng)威，婁國川

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)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(wěn)定運(yùn)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(qiáng)圍巖抗?jié)B性和長期滲透穩(wěn)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(jié)構(gòu)[1-3]。對(duì)于雙護(hù)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(chǔ)上，需要進(jìn)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(jié)束并充分干縮后，對(duì)管片與豆礫石、豆礫石與圍巖間隙進(jìn)行全斷面接觸灌漿[7-8]，接觸灌漿完成之后進(jìn)行隧洞固結(jié)灌漿。通過以上3種不同的灌漿技術(shù)措施，使管片襯砌結(jié)構(gòu)、豆礫石回填層、圍巖成為受力整體，提高雙護(hù)盾TBM施工隧洞圍巖的抗變形能力。

雙護(hù)盾TBM施工隧洞的開挖、襯砌與接觸、固結(jié)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(jié)灌漿往往無法同步實(shí)施，嚴(yán)重影響了TBM施工效率。蘭州市水源地建設(shè)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(yīng)尤為突出。工程施工過程中曾設(shè)想通過增加工作面平行作業(yè)來縮短工期，但經(jīng)過分析，每增加1個(gè)工作面，設(shè)備、材料及人員等各項(xiàng)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(jié)合蘭州市水源地建設(shè)工程雙護(hù)盾TBM灌漿施工，開展接觸灌漿、固結(jié)灌漿分開施工與同孔一次施工對(duì)比試驗(yàn)研究，通過注漿量、灌漿質(zhì)量、施工效率等方面對(duì)比分析，研究同孔一次灌漿的施工工藝、質(zhì)量控制及灌漿效果，為雙護(hù)盾TBM高效灌漿施工提供技術(shù)支撐。

1 灌漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)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(hù)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(nèi)徑 4.60 m，開挖洞徑5.48 m。

為使豆礫石回填灌漿結(jié)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(jié)束45 d后，利用管片安裝（灌漿）孔對(duì)管片與豆礫石、豆礫石與圍巖間隙進(jìn)行全斷面接觸灌漿。固結(jié)灌漿宜在接觸灌漿結(jié)束7 d后進(jìn)行，用管片安裝（灌漿）孔對(duì)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖段進(jìn)行全斷面固結(jié)灌漿。

為確保TBM掘進(jìn)期間洞內(nèi)施工交通，前期僅能進(jìn)行豆礫石回填灌漿施工，接觸、固結(jié)灌漿需待TBM段隧洞貫通后進(jìn)行。若在TBM隧洞段全線貫通后，再進(jìn)行接觸、固結(jié)灌漿，將產(chǎn)生接觸、固結(jié)灌漿工序轉(zhuǎn)換時(shí)差7 d且施工過程中兩種灌漿施工存在相互干擾的現(xiàn)象，勢必影響項(xiàng)目總工期。為優(yōu)化灌漿施工組織，提高灌漿效率，開展接觸、固結(jié)灌漿同孔一次施工試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)選取豆礫石回填灌漿施工已完成且質(zhì)量檢測合格的兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)，分別包含地質(zhì)條件相近的Ⅲ、Ⅳ類圍巖等長洞段，試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)條件見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)條件

1.3 試驗(yàn)布置及布孔型式

兩試驗(yàn)區(qū)均布設(shè)192個(gè)灌漿孔，施工環(huán)分兩序，Ⅰ序孔80個(gè)孔、Ⅱ序孔112個(gè)孔；另布置抬動(dòng)觀測孔1個(gè)。

接觸及固結(jié)灌漿孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。Ⅰ、Ⅱ序灌漿孔布置見圖1。

表2 灌漿孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2 灌漿試驗(yàn)

2.1 鉆孔及簡易壓水試驗(yàn)

圖1 Ⅰ（Ⅱ）序孔環(huán)斷面

灌漿鉆孔使用液壓鉆機(jī)，孔徑為56 mm，開孔孔位與管片預(yù)留孔中心對(duì)齊。鉆孔完成后，進(jìn)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(jìn)行沖洗，直至回清水為止。在孔壁沖洗完成后，采用壓力水進(jìn)行脈動(dòng)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(dòng)沖洗直至回清水持續(xù)10 min后，進(jìn)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(shí)間不小于20 min。

2.2 灌漿試驗(yàn)工藝

在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)各取連續(xù)24 m范圍采取以下兩種工藝進(jìn)行灌漿：

試驗(yàn)工藝一（接觸、固結(jié)灌漿分開施工）：施工準(zhǔn)備→抬動(dòng)觀測孔鉆孔安裝→Ⅰ序孔接觸灌漿→封孔→固結(jié)灌漿→封孔→Ⅱ序孔接觸灌漿→封孔→固結(jié)灌漿→封孔。

試驗(yàn)工藝二（接觸、固結(jié)灌漿同孔一次施工）：施工準(zhǔn)備→抬動(dòng)觀測孔鉆孔安裝→Ⅰ序孔固結(jié)灌漿與接觸灌漿同孔一次施工→封孔→Ⅱ序孔固結(jié)灌漿與接觸灌漿同孔一次施工→封孔。

固結(jié)灌漿試驗(yàn)的漿液濃度由稀到濃逐級(jí)變換，水灰比采用3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.5 ∶1四個(gè)比級(jí)，漿液變換原則遵循《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)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(yīng)盡快達(dá)到設(shè)計(jì)值，注入率大的孔段采用分級(jí)升壓方式逐級(jí)升壓至設(shè)計(jì)壓力。具體操作時(shí)以壓水試驗(yàn)為基礎(chǔ)，按每0.1 MPa為一級(jí)，逐級(jí)升壓至設(shè)計(jì)壓力。

灌漿壓力達(dá)到規(guī)定值，灌漿段吸漿量小于或等于1 L/min，延續(xù)30 min即可結(jié)束固結(jié)灌漿。

2.3 抬動(dòng)孔觀測

抬動(dòng)觀測孔深度大于相應(yīng)部位固結(jié)灌漿孔深度2.0 m，孔徑采用76 mm。安裝抬動(dòng)觀測裝置，內(nèi)管采用φ25 mm鋼管、外管采用φ50 mm鋼管作為護(hù)管，所有鋼管的連接全部采用絲扣連接。抬動(dòng)觀測裝置內(nèi)外管離地面20 cm以上，方便抬動(dòng)觀測，并避免水泥漿液被沖進(jìn)抬動(dòng)觀測孔。抬動(dòng)觀測裝置在灌漿作業(yè)前完成安裝、調(diào)試工作。

設(shè)有抬動(dòng)觀測裝置的部位，其周邊灌漿孔段在裂隙沖洗、壓水試驗(yàn)及灌漿過程中均進(jìn)行觀測，并采用千分表進(jìn)行觀測記錄。使用期間，對(duì)抬動(dòng)觀測裝置進(jìn)行有效的防護(hù)，避免出現(xiàn)碰撞、震動(dòng)現(xiàn)象，影響測試精度。抬動(dòng)觀測裝置結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 抬動(dòng)觀測裝置示意

3 灌漿試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行，暫不考慮其對(duì)圍巖的固結(jié)灌漿影響，則各試驗(yàn)部位固結(jié)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(jié)灌漿結(jié)果

從以上結(jié)果分析可知：

試驗(yàn)一區(qū)（Ⅲ類圍巖）：固結(jié)灌漿各次序孔遞減規(guī)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(guī)律。

試驗(yàn)二區(qū)（Ⅳ類圍巖）：固結(jié)灌漿各次序孔遞減規(guī)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(guī)律。

為對(duì)比不同施工工藝下的灌漿效果，針對(duì)各試驗(yàn)部位注灰量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4。

表4 接觸、固結(jié)灌漿試驗(yàn)綜合結(jié)果

由以上灌漿試驗(yàn)結(jié)果可知：

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

經(jīng)分析，原因如下：固結(jié)和接觸分開施工先進(jìn)行0.5 MPa壓力豆礫石層接觸灌漿，然后進(jìn)行1.0 MPa壓力固結(jié)灌漿，而同孔一次灌漿施工用1.0 MPa進(jìn)行接觸及固結(jié)灌漿。因此，無論從單耗量及總耗量分析，固結(jié)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(jié)灌漿的施工質(zhì)量。

3.2 接觸、固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查

灌漿試驗(yàn)完成后，利用管片安裝孔，在每一試驗(yàn)區(qū)各取8個(gè)，共16個(gè)檢查孔，同孔位進(jìn)行接觸及固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查，綜合結(jié)果見表5。其中，固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查采用單點(diǎn)法壓水，接觸灌漿采用水灰比2∶1的水泥漿進(jìn)行壓漿試驗(yàn)。質(zhì)量檢查孔施工工藝：提供灌漿結(jié)果→監(jiān)理人指定孔位→造孔取芯→固結(jié)灌漿單點(diǎn)法壓水→灌封→接觸灌漿壓漿→灌封→人工封孔。

固結(jié)灌漿檢查結(jié)果顯示，16個(gè)檢查孔透水率均小于1 Lu。依據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（SL62—2014）[11]相關(guān)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(shè)計(jì)規(guī)定值的150%，且分布不集中，即為合格”。因此檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，全部合格。

接觸灌漿檢查結(jié)果顯示，16個(gè)檢查孔壓漿均小于10 L，依據(jù)該工程相關(guān)設(shè)計(jì)要求，“向檢查孔內(nèi)注入水灰比為2的水泥漿，初始10 min內(nèi)注入漿量不大于10 L為合格”。因此檢查孔壓漿試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，全部合格。

表5 接觸、固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查綜合結(jié)果

3.3 抬動(dòng)變形觀測

灌漿試驗(yàn)施工過程中，安排專人嚴(yán)密監(jiān)視抬動(dòng)裝置千分表的變化情況，針對(duì)每區(qū)段兩種工藝各選取4組抬動(dòng)觀測值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表6。

表6 抬動(dòng)觀測記錄

由以上抬動(dòng)觀測值分析可知：本次試驗(yàn)過程中，無論接觸、固結(jié)灌漿同孔一次施工還是分開施工時(shí)的抬動(dòng)變形量均未超過規(guī)范中200 μm的允許值[11]，符合施工安全要求。接觸、固結(jié)灌漿同孔一次施工略大于分開施工時(shí)的抬動(dòng)變形量，但亦未超過規(guī)范允許值，這說明同孔一次施工對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的抬動(dòng)影響不大。

3.4 施工功效對(duì)比

因?yàn)榻佑|、固結(jié)灌漿無論分開還是同孔一次施工，均在同一孔位進(jìn)行，所以在進(jìn)行灌漿施工功效分析時(shí)，僅對(duì)單序單孔施工功效分析即可。

根據(jù)前述兩種施工工藝的施工控制流程，單序單孔接觸、固結(jié)灌漿分開施工總時(shí)間為

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

單序單孔接觸、固結(jié)灌漿同孔一次施工總時(shí)間為

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

聯(lián)立式（1）和式（2），則兩種不同工藝單序單孔施工耗時(shí)時(shí)差為

式中：ΔT為兩種不同工藝單序單孔施工耗時(shí)時(shí)差，h。

根據(jù)本次灌漿試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，接觸灌漿（含鉆孔、灌漿、封孔）單孔平均耗時(shí)2 h，則單序單孔接觸、固結(jié)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(shè)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(gè)灌漿孔，總孔數(shù)達(dá)98 360個(gè)，當(dāng)采用接觸、固結(jié)灌漿同孔一次施工時(shí)，工期效益將更為可觀。

4 結(jié) 語

結(jié)合蘭州市水源地建設(shè)工程雙護(hù)盾TBM隧洞灌漿施工，開展了接觸、固結(jié)灌漿同孔一次施工試驗(yàn)研究。通過灌漿試驗(yàn)，驗(yàn)證了在進(jìn)行同孔一次接觸、固結(jié)灌漿施工時(shí)，其接觸及固結(jié)灌漿施工質(zhì)量均能滿足設(shè)計(jì)要求，且灌漿過程中未發(fā)生管片襯砌結(jié)構(gòu)的抬動(dòng)變形破壞。該施工工藝簡單，施工便捷，能有效解決原灌漿設(shè)計(jì)方案接觸、固結(jié)灌漿分開施工時(shí)長達(dá)170 h的施工耗時(shí)時(shí)差且相互干擾等相關(guān)問題，有助于加快工程建設(shè)速度，帶來巨大的工期效益，可在管片襯砌條件下的雙護(hù)盾TBM隧洞灌漿工程中推廣應(yīng)用。