雙護(hù)盾TBM隧道施工防滲技術(shù)

馬金光

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司 山東濟(jì)南 250000)

1 工程概況

青島地鐵四號(hào)線04工區(qū)涵蓋1個(gè)車站和5.5個(gè)區(qū)間。車站采用暗挖法施工，區(qū)間主要采用TBM施工，局部采用礦山法施工，線路總長約5 500 m，采用兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM施工。TBM區(qū)間隧道襯砌采用C50預(yù)制鋼筋混凝土管片，襯砌環(huán)外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度0.3 m，環(huán)寬1.5 m。各區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，圍巖強(qiáng)度在Ⅱ～Ⅳ級不等，局部圍巖穩(wěn)定性較差，地下水類型主要為第四系孔隙水、弱承壓水及基巖裂隙水(風(fēng)化裂隙水及構(gòu)造裂隙水)，局部富水性富。TBM區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)防水等級為二級，結(jié)構(gòu)不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少許濕漬。

本著百年工程的施工要求，隧道成形后在富水性富的地段其結(jié)構(gòu)不允許漏水，后續(xù)在處理隧道內(nèi)局部滲漏時(shí)不僅難度大，而且消耗大量人力財(cái)力[1]，所以前期防滲工作要到位。以青島地鐵四號(hào)線勘測地質(zhì)及水文情況為背景[2]，對雙護(hù)盾TBM隧道施工防滲工作展開研究。

2 隧道防滲措施

2.1 管片防滲

隧道成形管片防滲主要通過管片的自防水、相鄰管片接縫處防水以及管片螺栓孔防水三個(gè)方面的工作做到整體防滲[3-4]。

(1)管片自防水

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該工程使用的管片采用防水混凝土強(qiáng)度等級為C50的預(yù)制鋼筋混凝土管片，砼抗?jié)B等級采用P12。管片使用混凝土條件如表1所示。

表1 混凝土技術(shù)條件

管片在拼裝前不得有肉眼可見裂縫。管片在試用期間應(yīng)滿足強(qiáng)度、抗裂要求，最大裂縫寬度不得大于0.20 mm。對于潛在腐蝕性的地層使用的管片需要對其涂抹防腐涂層，保證管片不被腐蝕。

(2)管片接縫防水

管片拼裝縫采用一道彈性密封墊和一道遇水膨脹膠條進(jìn)行防水，每塊管片對角粘有自粘性防水膠片，在管片縫隙位置粘貼防水墊片，來實(shí)現(xiàn)管片縫隙總體防滲[5]。

本工程采用的彈性密封墊是三元乙丙(EPDM)橡膠密封墊[6]，其由單一的多孔型三元乙丙橡膠與遇水膨脹橡膠復(fù)合而成，具有雙重保險(xiǎn)的密封止水功能，當(dāng)管片之間產(chǎn)生一定的間隙和偏移時(shí)，其也能有效地確保密封止水作用。三元乙丙橡膠密封墊的指標(biāo)如表2所示。

表2 三元乙丙橡膠密封墊指標(biāo)

遇水膨脹膠條采用的是遇水膨脹橡膠止水條，其遇水后會(huì)逐漸膨脹，一方面可以堵塞可能存在的毛細(xì)孔隙，另一方面可以使其相鄰管片接觸更加緊密，從而產(chǎn)生較大的抗水壓力，止水條遇水后形成不透水的可塑性膠體且具有一定的耐腐蝕性。遇水膨脹橡膠的指標(biāo)如表3所示。

縫隙位置采用的防水墊片是丁腈軟木橡膠板，其可使相鄰管片接縫保持永久的彈性狀態(tài)以及足夠的承壓能力，以適應(yīng)隧道存在一定量的沉降以及長期處于蠕動(dòng)狀態(tài)而產(chǎn)生的接縫張開和錯(cuò)動(dòng)，保證相鄰管片接縫的防水效果[7]，不僅具有填接縫的作用，還能對局部應(yīng)力起緩解作用，并且不含石棉屬于環(huán)保型密封材料。丁腈軟木橡膠板的指標(biāo)如表4所示。

表3 遇水膨脹橡膠指標(biāo)

表4 丁腈軟木橡膠板指標(biāo)

管片角部貼的自粘性防水膠片是自粘性橡膠薄板，其粘貼于管片的兩個(gè)對角保證管片拼裝后兩個(gè)接觸的角中間都有薄板，自粘性橡膠薄板可保持永久柔韌性、粘著性，能承受一定程度的位移，變形有良好的追隨性[8]，極佳的防水密封性及抗化學(xué)腐蝕性使用方便，用量準(zhǔn)確，減少浪費(fèi)，性價(jià)比極優(yōu)，不含任何溶劑，安全且環(huán)保等特點(diǎn)。自粘性橡膠薄板的指標(biāo)如表5所示。管片接縫防水整體效果如圖1所示。

圖1 管片接縫防水整體效果

表5 自粘性橡膠薄板指標(biāo)

(3)管片螺栓孔防水

該工程螺栓與螺栓孔之間采取遇水膨脹橡膠螺孔密封圈進(jìn)行防水，通過對螺栓的擰緊，使密封圈受到擠壓其能很好地填充在螺栓與孔壁之間封閉空間，從而達(dá)到防水的目的。遇水膨脹橡膠螺孔密封圈指標(biāo)如表3所示。

2.2 豆礫石回填及壁后注漿

2.2.1 豆礫石回填

雙護(hù)盾TBM在施工過程中引起的地層應(yīng)力的損失，隧洞周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞而形成的破碎巖再固結(jié)以及地下水的滲透，將導(dǎo)致周圍圍巖應(yīng)力的重新分布。為了防止隧洞周圍圍巖發(fā)生變形，使襯砌好的管片與被開挖圍巖形成共同受力的整體結(jié)構(gòu)，減少管片在自重及內(nèi)部荷載作用下的變形，需要在開挖過的隧洞和管片外徑之間的環(huán)形空隙及時(shí)進(jìn)行豆礫石回填以及必要的注漿[9]。

管片襯砌完畢推出尾盾后對管片底部進(jìn)行回填豆礫石，對尾盾以后3環(huán)進(jìn)行全環(huán)豆礫石回填，將管片外側(cè)與圍巖之間的空隙應(yīng)回填密實(shí)。將豆礫石運(yùn)至豆礫石泵，然后用高壓風(fēng)通過管片注漿孔吹入。

充填順次按照先底部、次兩側(cè)、后頂部的順序，避免吹填的豆礫石出現(xiàn)架空情況。

(1)起始環(huán)回填

本工程選用的豆礫石材料為粒徑5～10 mm的碎石[10]，根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況調(diào)控，當(dāng)襯砌好的首環(huán)管片露出盾尾時(shí)，從首環(huán)管片的0孔位進(jìn)行管片底部的豆礫石吹填，量控為主，壓力控制為輔。TBM掘進(jìn)3～5環(huán)后，對管片兩側(cè)以及頂部進(jìn)行豆礫石梯度回填。

(2)豆礫石回填

豆礫石回填是在起始環(huán)回填的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在襯砌好的管片脫離護(hù)盾后立即進(jìn)行，管片外徑與開挖圍巖之間的空腔應(yīng)充填密實(shí)，豆礫石底部回填堅(jiān)持“推進(jìn)完成一環(huán)必須回填完成一環(huán)”的原則進(jìn)行。

①底部豆礫石回填

底部豆礫石回填是回填的關(guān)鍵部分。TBM推進(jìn)過程中每環(huán)管片露出盾尾后從管片兩側(cè)的1-1′孔位進(jìn)行吹填豆礫石，當(dāng)吹填過程中操作人員感到管道內(nèi)無豆礫石流動(dòng)時(shí)停止豆礫石回填，取下噴頭將1-1′孔位臨時(shí)封堵。管片底部豆礫石回填如圖2所示。

圖2 管片底部充填豆粒石效果

②兩側(cè)拱豆礫石回填

在豆礫石吹填過程中為了防止產(chǎn)生偏壓導(dǎo)致管片發(fā)生相應(yīng)錯(cuò)臺(tái)或損壞，必須自下而上進(jìn)行回填，并且采用雙機(jī)對稱吹填。兩側(cè)拱豆礫石回填應(yīng)滯后尾盾3環(huán)開始。具體方法:將吹填豆礫石噴頭先、后裝入兩側(cè)拱的3-3′孔位進(jìn)行豆礫石吹填(見圖2)，2-2′孔位作為觀察孔。當(dāng)吹填過程中操作人員感到管道內(nèi)無豆礫石流動(dòng)時(shí)停止吹填，取下噴頭并將3-3′孔位臨時(shí)進(jìn)行封堵，完成一次兩側(cè)拱豆礫石的回填，可同步掘進(jìn)、襯砌向前推進(jìn)。管片兩側(cè)豆礫石回填效果如圖3所示。

圖3 管片兩側(cè)充填豆粒石效果

③頂部豆礫石回填

頂部豆礫石回填要在兩側(cè)拱豆礫石吹填部位滯后5環(huán)處進(jìn)行。具體方法:將吹填豆礫石的噴頭先、后裝入頂部的注漿孔4-4′孔位吹填(見圖4)，當(dāng)吹填過程中操作人員感到管道內(nèi)無豆礫石流動(dòng)時(shí)停止吹填，將噴頭取下對4-4′孔位進(jìn)行臨時(shí)封堵。然后將噴頭安裝在頂部5孔位進(jìn)行豆礫石吹填，在吹填過程中噴頭觀察人員與豆礫石機(jī)操作人員要密切配合，尤其是豆礫石機(jī)操作人員要認(rèn)真觀察吹填情況，當(dāng)操作人員感覺到管道內(nèi)無豆礫石流動(dòng)時(shí)停止吹填，將噴頭取下并對5孔及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)封堵，此過程完成了一次頂部豆礫回填。

圖4 管片頂部豆礫石(碎石)充填效果

依次將1-1′，3-3′，4-4′，5孔吹填豆礫石，完成一個(gè)循環(huán)的豆礫石回填。

2.2.2 壁后注漿

豆礫石吹填完成后，進(jìn)行壁后注漿，使管片外徑與圍巖之間空隙部分形成豆礫水泥結(jié)石。在注漿過程中應(yīng)做到注滿，嚴(yán)禁漏灌現(xiàn)象發(fā)生，必須達(dá)到一定的注漿壓力后方可停止注漿。對注漿孔進(jìn)行注漿時(shí)應(yīng)結(jié)合注漿量、注漿壓力綜合而定，一般注漿量計(jì)算公式如式(1)所示。

式中，V漿是每環(huán)需要的注漿量；V空是每環(huán)管片外徑與圍巖之間的空隙體積。

已知本工程TBM推出的洞直徑為D＝6.3 m，管片外徑d＝6 m，管片寬h＝1.5 m，所以V空＝π(D2-d2)h4≈4.35 m3，將值代入式(1)中得到常規(guī)狀態(tài)每環(huán)的注漿量在6.525～8.7 m3之間。

壁后注漿所用漿液有單液漿和雙液漿兩種。單液漿優(yōu)點(diǎn):材料來源比較豐富、結(jié)石體的強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好、價(jià)格相對低廉；缺點(diǎn):其凝固時(shí)間長，容易沉淀析水、強(qiáng)度增長比較慢、結(jié)石率比較低，并容易流失造成漿液的浪費(fèi)。而雙液漿則克服了單液漿在凝固時(shí)間長且不能控制、結(jié)石率低方面的缺點(diǎn)，提高了水泥注漿在可控范圍內(nèi)快速凝結(jié)的效果，利用其快速凝固的特點(diǎn)形成止?jié){環(huán)注漿使單液漿注漿時(shí)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行[11]。本工程使用的單液漿與雙液漿配比如表6所示。

表6 單液漿與雙液漿配比

壁后注漿利用管片預(yù)留的注漿孔進(jìn)行，按五環(huán)一周期向前推進(jìn)，注漿順序自下而上，兩側(cè)孔對稱進(jìn)行壁后注漿。注漿順序如圖5所示。

圖5 注漿順序示意

(1)首先進(jìn)行止?jié){環(huán)注漿，剛開始同時(shí)對第1環(huán)和第5環(huán)注雙液漿，然后對第2、3、4環(huán)注單液漿，后面依次推后五環(huán)注雙液漿，中間部分單液漿注漿，當(dāng)?shù)趎環(huán)前面注漿完成后對第n+5環(huán)進(jìn)行雙液漿注漿后對中間的四環(huán)進(jìn)行單液漿注漿。

(2)單液漿和雙液漿在注漿孔的順序上一致，即打開高速制漿的放料閥，將攪拌均勻的漿液放入儲(chǔ)漿罐，注漿工之間通過對講機(jī)溝通。注漿時(shí)首先對0孔位進(jìn)行注漿，然后依次2-2′孔位、3-3′孔位、4-4′孔位以及5孔位注漿，對0孔位、2-2′孔位、3-3′孔位和4-4′孔位注漿時(shí)注漿壓力通常情況下控制在0.2～0.3 MPa，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.3 MPa時(shí)，繼續(xù)注5 min后停止；對5孔位進(jìn)行注漿時(shí)，注漿壓力一般達(dá)到0.5 MPa后恒壓10 min進(jìn)漿不大于5 L時(shí)停止注漿，起到保壓作用。

2.3 后續(xù)防水措施

注漿完成后對管片注漿孔及管片縫隙使用微膨脹水泥(硫鋁酸鹽超早強(qiáng)(微膨脹)水泥)封堵，其砂漿配比為1∶0.12∶1.2，即一包水泥(100 kg)用AEA膨脹劑12 kg，用細(xì)砂120 kg。

當(dāng)管片有少許裂縫掉角問題時(shí)，使用801膠+水泥+堵漏王按照一定的配比進(jìn)行修補(bǔ)，后用白水泥調(diào)色處理。

3 結(jié)束語

對青島四號(hào)線雙護(hù)盾TBM隧道施工過程中采用的管片防滲措施、豆礫石填充和壁后注漿以及后續(xù)微膨脹水泥封堵及裂縫掉角處理在目前施工過程中其防滲效果良好，為其余同地質(zhì)施工提供有效的借鑒。