軌道交通單護(hù)盾TBM碎石吹填灌漿工藝研究與實踐

葸振東，孫鶴明，李佳坤，張志偉，彭朝陽

(1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102； 2.重慶文理學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 402160)

軌道交通單護(hù)盾TBM碎石吹填灌漿工藝研究與實踐

葸振東1，孫鶴明1，李佳坤2，張志偉1，彭朝陽1

(1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102； 2.重慶文理學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 402160)

依托重慶軌道交通環(huán)線一期上橋車站、鳳鳴山車站及區(qū)間隧道工程，創(chuàng)新性地提出了單護(hù)盾TBM碎石吹填灌漿工藝。通過PFC3D顆粒流模擬碎石吹填試驗過程，室內(nèi)試驗確定單雙漿液配，并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試試驗，得出了城市軌道交通單護(hù)盾TBM碎石吹填工藝。該工藝成功應(yīng)用于重慶軌道交通環(huán)線一期上橋車站、鳳鳴山車站及區(qū)間隧道工程6 724 m的掘進(jìn)，證明了軌道交通單護(hù)盾TBM碎石吹填灌漿工藝的可行性。該工藝可供類似TBM項目推廣應(yīng)用和參考。

隧道工程；軌道交通；單護(hù)盾TBM；碎石吹填灌漿工藝

0 引 言

目前我國隧道及地下工程建設(shè)已步入繁榮[1]，盾構(gòu)法廣泛用于地鐵隧道的修建，根據(jù)城市地質(zhì)情況以及隧道結(jié)構(gòu)形式，可采用不同的全斷面盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)備，如單護(hù)盾TBM、雙護(hù)盾TBM、異型斷面盾構(gòu)等[2]。在發(fā)達(dá)國家，TBM已成為修建隧道的主要工具。20世紀(jì)80年代，我國水電工程、鐵路隧道工程開始引入TBM，我國第一條TBM隧道是1985年修建的廣西天生橋水電站引水隧洞。其后，在引大入秦、引黃入晉和大伙房水庫等隧洞施工中也采用了TBM[3]。重慶軌道交通六號線一期五里店—山羊溝水庫敞開段節(jié)點工程首次采用開敞式TBM，并對重慶軌道交通地下區(qū)間隧道工程采用全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)的可行性進(jìn)行了充分驗證[4-6]。

水利工程引大入秦、引黃入晉隧道均采用豆礫石吹填灌漿工藝填充超挖間隙，并對豆礫石回填灌漿檢驗標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制、施工工藝等方面進(jìn)行了工程實踐研究[7-10]。城市地鐵工程重慶軌道交通六號線二期銅鑼山隧道工程也采用了復(fù)合式TBM結(jié)合豆礫石吹填灌漿工藝[11]；通過對已有參考文獻(xiàn)分析得出，前人研究工作中粗骨料多采用豆礫石，豆礫石為流動性好的無棱角鵝卵石；其次重慶軌道交通環(huán)線上橋車站、鳳鳴山車站及區(qū)間隧道工程采用了碎石吹填灌漿工藝，本工藝出于提升吹填灌漿體嵌鎖咬合和抗剪切強(qiáng)度考慮，采用有棱角顆粒石材為主的碎石作為填充粗骨料。

筆者圍繞重慶軌道交通環(huán)線上橋車站、鳳鳴山車站及區(qū)間隧道工程實踐需求，針對雙模式單護(hù)盾TBM掘進(jìn)設(shè)備特點和重慶巖質(zhì)情況開展具體分析研究，對吹填碎石和水泥凈漿填充材料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提出了一套完整的適用于軌道交通類似TBM施工的碎石吹填灌漿施工工藝。

1 工程概況

重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道采用單護(hù)盾TBM+鉆爆法進(jìn)行施工，隧道橫斷面型式為圓形，開挖直徑6 880 mm，襯砌厚度350 mm，管片內(nèi)徑5 900 mm、外徑6 600 mm，管片壁后超挖間隙理論值為140 mm。

管片形式由3片標(biāo)準(zhǔn)塊(B)+2片連接塊(L)+1片封頂塊(F)組成；斷面結(jié)構(gòu)形式與碎石吹填灌漿示意見圖1。依據(jù)重慶軌道交通環(huán)線地質(zhì)情況，本項目采用雙模式單護(hù)盾TBM，也就是既能在敞開模式或欠壓模式下掘進(jìn)，也能在保壓(土壓平衡)模式下掘進(jìn)，在敞開或欠壓模式下采用皮帶出渣，在土壓平衡模式下采用螺旋輸送機(jī)出渣，設(shè)備概況如圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)斷面示意Fig.1 Schematic diagram of cross-section

圖2 設(shè)備示意Fig.2 Equipment sketch

2 模擬試驗及碎石參數(shù)確定

2.1 PFC3D顆粒流模擬碎石吹填試驗過程

利用PFC3D建立5環(huán)管片，在中間環(huán)管片不同位置即拱底、拱腰、拱頂進(jìn)行模擬吹填碎石，觀察碎石的分布情況，按1∶1建模，管片外環(huán)半徑3.3 m，圍巖半徑3.44 m，碎石的粒徑取5～10 mm；通過給予粒子一個初速度來模擬噴頭的壓力。PFC3D模擬的材料參數(shù)見表1，吹填思路見表2。各吹填思路的模擬結(jié)果見圖3～圖6。分析模擬發(fā)現(xiàn)由于隧道半徑偏大，碎石流動距離過長，注漿孔之間碎石填充較少，在時間和工藝條件允許的情況下建議對所有注漿孔進(jìn)行吹填。由圖3～圖6可見：①碎石自由降落明顯；②較為合理的吹填順序為先吹填拱頂孔洞；③吹填壓力由模擬過程中給予顆粒初速度轉(zhuǎn)換而得，為0.3 MPa；④吹填時間可在管片脫離盾尾兩環(huán)。

表1 PFC3D模擬的材料參數(shù)

表2 碎石吹填模擬思路

圖3 思路1模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of idea 1

圖4 思路2模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of idea 2

圖5 思路3模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of idea 3

圖6 思路4模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of idea 4

2.2 碎石參數(shù)確定

TBM豆礫石設(shè)備吹填管長22 m，含水量大時易堵管、含水量小時粉塵大不利于工人操作，所以選取按含水量以0.5%遞增做坍落試驗，在相同體積下，從30 cm高處自由落下，查看坍落高度，并對碎石的密度、空隙率及含水率進(jìn)行試驗選取，確定5～10 mm碎石最佳含水率為0.5%～1.0%，堆積密度1.5 kg/m3，緊裝空隙率為40%。

3 室內(nèi)試驗確定單雙漿液配比

3.1 單漿液配比

按照設(shè)計圖紙建議，選擇漿液水灰比在0.6∶1～1∶1范圍內(nèi)，采用相同體積下不同配合比參數(shù)進(jìn)行注漿，查看注漿后的空隙填充情況，過程和結(jié)果如圖7[12]。

圖7 配比試驗過程Fig.7 Ratio during the test

由圖7可見，0.6∶1無壓力注漿下，漿液未注完且底部基本無漿液，相同條件下0.8∶1與1∶1漿液注完且基本飽滿，只是1∶1條件下封口面無漿液。根據(jù)以上試驗可以確定使用水灰比為0.8∶1的情況下，碎石空隙注漿基本注滿。為了更好的控制質(zhì)量，減少后期漏水風(fēng)險，選用水灰比為0.7∶1為施工配合比，在相同條件下進(jìn)行驗證試驗，結(jié)果如圖8。

圖8 水灰比0.7試驗結(jié)果Fig.8 Test results of cement ratio at 0.7

3.2 雙液漿配比

由于水泥凈漿和水玻璃雙液漿具有凝結(jié)時間更短、短期和長期強(qiáng)度均比較大、固結(jié)后體積安定性好、泵送時材料分離度小等特點[13]，將水泥凈漿(水灰0.7∶1)與不同摻量水玻璃組合進(jìn)行凝結(jié)時間測定，試驗得出水泥漿∶水玻璃=1∶1時，初凝時間、終凝時間最滿足設(shè)備要求，確定其為最佳施工配合比[12]。

4 現(xiàn)場調(diào)試試驗及工藝確定

4.1 碎石吹填試驗

4.1.1 初始吹填試驗

結(jié)合模擬試驗結(jié)果制定吹填方案，首先確定吹填時間在脫離盾尾兩環(huán)的管片開始吹填，吹填順序為直接吹填拱頂兩側(cè)，吹填壓力0.3 MPa，要求當(dāng)每孔吹填壓力突然增大至0.5 MPa時停止吹填，即視為此孔吹填飽滿；方案實施后開孔發(fā)現(xiàn)拱腰處存在少許碎石，通過雷達(dá)掃描檢測發(fā)現(xiàn)拱底并無碎石跡象；針對問題采取補(bǔ)吹措施，結(jié)果表明對拱底補(bǔ)吹時堵管嚴(yán)重，對拱腰補(bǔ)吹底部依然只能發(fā)現(xiàn)少許碎石，同時存在管片錯臺嚴(yán)重不符合GB 50446—2008《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》要求的問題。針對問題借鑒學(xué)習(xí)銅鑼山隧道、萬家寨引黃工程等采用的豆礫石回填施工，分析發(fā)現(xiàn)以上工程均堅持管片脫離一環(huán)立即吹填一環(huán)的原則，從底部開始由下至上對稱回填[8-11]。

4.1.2 對初始吹填方案的優(yōu)化調(diào)整

通過分析對模擬方案進(jìn)行調(diào)整，從吹填設(shè)備、吹填時間、吹填壓力、吹填順序等各方面進(jìn)行調(diào)整，最后改進(jìn)方案為：①最優(yōu)吹填時間為管片脫離盾尾1.2 m；②最優(yōu)吹填壓力控制在0.2～0.4 MPa；③吹填順序為先吹填拱腰，緊跟著吹填拱頂，拱底采取每隔10環(huán)進(jìn)行一次開孔檢查并進(jìn)行補(bǔ)吹的措施。

4.2 灌漿試驗

4.2.1 灌漿方案分析

[8-10]對水利工程采用灌漿技術(shù)進(jìn)行一定研究，依據(jù)設(shè)備及巖層性質(zhì)的不同相應(yīng)灌漿方案存在一定差異，灌漿順序大致為由底部到拱腰最后拱頂，要求嚴(yán)格控制分層分段，形成梯度并對稱灌注，確定一段范圍為灌注段，在灌注段內(nèi)形成如同樓梯踏步式灌注。

在城市地鐵領(lǐng)域，軌道交通六號線二期銅鑼山隧道工程同樣采用豆礫石吹填灌漿，其灌漿方案為：在管片脫出盾尾3環(huán)后由拱底90°范圍開始，其次是兩側(cè)，最后是拱頂，形成梯度進(jìn)行灌注，每個孔位的灌注控制距離均保持50 m，保持坡面均勻向前推進(jìn)，壓力控制在1.5 MPa為上限[11]。在重慶主城地區(qū)巖層主要以砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖及其互層地層，巖石硬度為軟巖～較堅硬巖[5]，文獻(xiàn)[14-16]針對盾構(gòu)在全斷面硬巖地層中同步注漿引起管片上浮以及注漿壓力不均勻分布等因素會導(dǎo)致管片錯臺甚至破損等現(xiàn)象的問題進(jìn)行研究，認(rèn)為豆礫石吹填灌漿工藝能有效控制管片上浮和減少管片錯臺破損。

4.2.2 灌漿方案實施

在前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合單護(hù)盾TBM的特點，制定兩種灌漿方案：①采用雙液漿封環(huán)、單漿液填充；②單漿液灌注。實施結(jié)果表明方案2優(yōu)于方案1。

分析原因得出，方案1雙液漿在距盾尾5環(huán)采取0.2 MPa的壓力從底部到腰部最后到頂部的順序灌注，雙液漿灌注完成后采取相同壓力及順序緊跟灌注單液漿；因前期吹填的碎石進(jìn)一步限制雙液漿的流動，從而未能形成理想的封閉環(huán)，致使單漿液灌注依然出現(xiàn)串漿、盾尾漏漿現(xiàn)象。方案2灌注單液漿采取與前述試驗相同的壓力，選擇在距離盾尾45～50環(huán)的位置灌注，采取每6環(huán)為1個周期，在2點、10點方向左右交替進(jìn)行，總體順序為1環(huán)2環(huán)→5環(huán)6環(huán)→3環(huán)4環(huán)，利用此方案可在管片背后形成以注漿孔為頂點的三角形流域，相互重疊、相互補(bǔ)充，使?jié){液和碎石充分接觸并膠結(jié)，以期達(dá)到良好的注漿效果。

通過對方案1、方案2實施區(qū)域進(jìn)行相同數(shù)量的取芯試驗、漏水等方面的檢測，結(jié)果見圖9，圖10。

圖9 取芯試驗結(jié)果Fig.9 Results of coring test

圖10 檢測數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.10 Results of testing data

4.3 碎石吹填灌漿工藝關(guān)鍵點

總結(jié)前述研究結(jié)果，筆者提出的碎石吹填灌漿工藝控制的關(guān)鍵點如下：

1)一環(huán)超挖間隙粗骨料理論填充值=π×管片寬度×(刀盤開挖半徑2-管片外半徑2)；其中一環(huán)超挖間隙粗骨料最少理論填充量=理論值×2/3，膠凝材料最少理論量=理論值×1/3+理論值×2/3×粗骨料緊裝空隙率。

2)確定每環(huán)碎石吹填量后按照試驗確定的最優(yōu)吹填壓力及吹填順序進(jìn)行吹填；每孔吹填是否飽滿控制要點為壓力由0.2 MPa突然劇增至0.4 MPa時立刻停止吹填；一環(huán)吹填是否飽滿依據(jù)逐孔開孔檢查確定，不飽滿則采取相應(yīng)補(bǔ)吹措施。

3)灌漿依據(jù)巖層的不同灌漿量會有所波動，因此按照規(guī)范要求需要灌注設(shè)計量的130%～180%；灌漿形成周期交替性能使?jié){液與粗骨料充分接觸膠結(jié)。

4)碎石吹填灌漿工藝質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)為工藝實施完成后，管片壁后超挖間隙是否形成完整的封閉環(huán)，其中包括圓形管片結(jié)構(gòu)形式頂部無法填充碎石情況下由漿液填充，按照關(guān)鍵點1)進(jìn)行量的控制。檢測方法有以下幾種：①直觀檢測，在碎石吹填施工結(jié)束后保證除拱頂注漿孔以外開孔檢測存在碎石；②雷達(dá)掃描，通過雷達(dá)掃描探測儀進(jìn)行管片壁后填充效果檢測，進(jìn)行專業(yè)分析雷達(dá)圖得出填充結(jié)果；③取芯試驗，根據(jù)管片圓環(huán)結(jié)構(gòu)形式，選擇具有代表性的點位進(jìn)行取芯檢測，如3點、6點、9點、12點等代表性點位進(jìn)行取芯，如有良好的填充效果，如方案2取芯結(jié)果(圖9)，即可認(rèn)定填充質(zhì)量合格。

5 結(jié) 論

迄今，工程界對碎石吹填灌漿的研究大多局限于施工經(jīng)驗，筆者采用PFC3D數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場調(diào)試、規(guī)范與檢測驗證等方法研究了針對重慶巖質(zhì)情況和單護(hù)盾TBM特點的碎石吹填灌漿工藝，得出以下結(jié)論：

1)本碎石吹填灌漿施工工藝可適用于類似重慶主城巖質(zhì)地鐵隧道施工；重慶地區(qū)采用豆礫石吹填灌漿工藝，在粗骨料方面豆礫石比碎石每立方米多100元左右，因此在經(jīng)濟(jì)成本方面采用碎石作為粗骨料較為節(jié)省。

2)碎石吹填最佳時刻為當(dāng)前掘進(jìn)環(huán)后第2環(huán)管片的注漿孔剛脫離盾尾刷時，最優(yōu)壓力通過對巖層分析試驗得出，建議最優(yōu)吹填順序為先拱腰、后拱頂，堅持對稱吹填原則；拱底采取每隔10環(huán)進(jìn)行一次開孔檢查并進(jìn)行補(bǔ)吹的措施。

3)分析掘進(jìn)設(shè)備特點，合理選擇盾尾注漿和管片灌漿工藝，開敞式全斷面硬巖掘進(jìn)設(shè)備最優(yōu)吹填距離在距離盾尾45環(huán)～50環(huán)，最優(yōu)吹填壓力通過巖層性質(zhì)試驗確定，建議最優(yōu)吹填順序為拱頂范圍交替灌注，堅持每環(huán)灌注，減少二次灌漿量。

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(責(zé)任編輯：譚緒凱)

ResearchandPracticeofGravelFillingandGroutingTechnologyofRailTransitSingleShieldTBM

XI Zhendong1, SUN Heming1, LI Jiakun2, ZHANG Zhiwei1, PENG Chaoyang1

(1.The Third Engineering Co., Ltd. of First Highway Engineering Bureau of CCCC, Beijing 101102, P.R.China;2. Institute of Architectural Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, P.R.China)

Based on Shangqiao station, Fengming mountain station and their interval tunnel engineering in first-stage project of Chongqing rail transit loop line, the gravel filling and grouting technology of single shield TBM was proposed innovatively. Through PFC3D particle flow simulation test, the indoor test to determine the single and double slurry ratio and the field test, the gravel filling and grouting technology of urban rail transit single shield TBM was obtained. And the proposed technology was successfully applied to Shangqiao station, Fengming mountain station and 6724 m tunneling of their interval tunnel engineering in first-stage project of Chongqing rail transit loop line, which proved that the gravel filling and grouting technology of rail transit single shield TBM is feasible. The proposed technology can be used for reference and promotion of similar TBM projects.

tunnel engineering; rail transit; single shield TBM; gravel filling and grouting technology

U455.43

：A

：1674- 0696(2017)09- 022- 06

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.05

2016-05-13；

：2016-12-17

中交第一公路工程局有限公司科技研發(fā)項目(KT2014-15); 重慶市科委基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目(cstc2014jcyjA30019)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1501131)

葸振東(1982—)，男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事隧道、盾構(gòu)施工管理方面的研究。E-mail：841380966@qq.com。