雙護盾TBM管片壁后豆礫石與底部灌漿同步回填技術研究
——以青島地鐵6號線某工程為例

王守慧, 楊 星, 江玉生, 劉泉維, 3, 趙繼增, 3, 朱志敬, 邵長志, 譚卓林, 楊志勇, *

(1. 青島地鐵集團有限公司, 山東 青島 266045; 2. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院, 北京 100083;3. 青島市地鐵六號線有限公司, 山東 青島 266427; 4. 山東大學土建與水利學院, 山東 濟南 250002;5. 中鐵二局集團有限公司, 四川 成都 610031)

0 引言

中國部分沿海城市(如青島、廣州等)的地鐵隧道在建設過程中遇到了高強度硬巖地層,而全斷面巖石隧道掘進機施工工法(簡稱TBM法)在類似工程中由于其地質適應性好、機械化程度高、施工效率高等特點被廣泛應用。雙護盾TBM通過吹填豆礫石后再灌漿的方法回填管片與圍巖間隙;然而,目前TBM盾尾普通封堵板在施工中豆礫石難以及時吹填、滯后時間久,在青島地鐵的一些TBM區(qū)間中,管片錯臺、破損、滲漏水的現(xiàn)象時有發(fā)生,甚至出現(xiàn)了TBM軸線偏差和設備姿態(tài)超限等問題[1-2]。因此,需要研究一種合理的回填方案保證TBM掘進過程中管片結構的穩(wěn)定。

雙護盾TBM通常采用先吹填豆礫石、后灌漿的回填方案,豆礫石作為管片脫出盾尾后的第1道有效支撐介質,其吹填效果會直接影響管片結構的穩(wěn)定[3]。相關研究表明,豆礫石的吹填效果一般與豆礫石顆粒特性、吹填工序等有關: 汪雪英等[4]采用數(shù)字圖像分析法研究了豆礫石的輪廓、棱角、粒徑等特性,提出了描述豆礫石顆粒形態(tài)的評定標準; 胡超等[5]基于顆粒流PFC數(shù)值計算程序模擬豆礫石吹填過程,分析了管片不同點位的豆礫石密度分布規(guī)律,并給出了工程中的吹填建議方案; 葸振東等[6]也使用PFC軟件模擬豆礫石吹填工藝,結合室內試驗確定了灌漿漿液的配比并現(xiàn)場應用。提高豆礫石回填效果還可以從改進施工技術的角度來實現(xiàn): Henzinger等[7-8]提出了采用土工織物管來封堵管片壁后間隙的方法,以提高豆礫石吹填時的休止角,同時使用探地雷達技術對管片壁后回填層厚度的分布規(guī)律和豆礫石的密實度進行了分析。

學者們也對圍巖應力-管片襯砌相互作用問題進行了研究。Henzinger等[7,9]指出雙護盾TBM采用支撐盾模式開挖時,圍巖振動會引起管片壁后回填料的重分布,同時采用光纖技術手段作為圍巖應力永久監(jiān)測的方案。胡明明等[10]對豆礫石灌漿體進行室內應力-波速相關性試驗研究,揭示了在圍巖應力作用下灌漿體的受力特性。王明友等[11]基于有限差分數(shù)值計算軟件研究了回填體不同密實度對管片襯砌和圍巖之間的相互作用影響,并根據(jù)不同圍巖分級提出了相應的回填標準。吳圣智等[12]采用有限元-離散元耦合的方法對豆礫石吹填后至未灌漿前引起的地表沉降進行了研究,最終給出了豆礫石回填量的檢測標準及建議值。

目前,已有研究大多集中于相同的管片背后回填工藝,即先吹填豆礫石后灌漿,盾尾普通封堵板難以滿足豆礫石及時吹填之需,灌漿滯后時間久。同樣,從施工效果來看,灌漿較長時間滯后于豆礫石回填的方式也易導致管片穩(wěn)定時間長、失穩(wěn)風險高的問題。如果能夠盡早灌漿,先穩(wěn)定住管片底部,則有助于穩(wěn)定整環(huán)管片。鑒于此,本文提出豆礫石與底部灌漿同步回填的新工藝,并在青島地鐵6號線進行現(xiàn)場試驗,取得了一定的成效,其改進后的工藝以期為提高雙護盾TBM管片穩(wěn)定性和隧道質量提供新思路。

1 豆礫石吹填過程及TBM盾尾針對性設計

1.1 常規(guī)的TBM豆礫石回填

雙護盾TBM采用預制鋼筋混凝土管片作為襯砌,區(qū)別于盾構封閉開挖的特性,TBM的盾尾沒有類似盾尾刷的完全封閉裝置來阻擋盾體外的滲漏。如果管片剛脫出盾尾即吹填豆礫石,容易導致豆礫石沿盾尾與管片外壁的間隙泄漏至隧道內。盡管一些廠家或施工單位常常在TBM盾尾增加封堵鋼板,但實際使用效果欠佳;在管片脫出盾尾較長距離后吹填豆礫石,可以解決豆礫石泄露的問題,但會導致脫出盾尾尚未吹填豆礫石的管片缺少豎向支撐,極易造成管片失穩(wěn)等問題。青島地鐵TBM施工[1-2]期間,除本文試驗區(qū)間外,依舊采用傳統(tǒng)的管片壁后回填方式,于盾尾底部設置2道凹槽,在管片底部放置墊塊,以維持管片在吹填豆礫石前的穩(wěn)定,如圖1所示。該方法有一定的效果,但管片穩(wěn)定性不足且增加了工序。

圖1 TBM盾尾開槽放置墊塊

以青島地鐵雙護盾TBM施工為例,常規(guī)條件下豆礫石吹填和灌漿過程如圖2所示。一般有約1.5環(huán)管片處于尾盾內,設第n環(huán)管片完全在盾殼內,由于受到輔推油缸推力、鄰近管片(第n-1環(huán))和底部墊塊的支撐,能夠維持一定的穩(wěn)定性。一般在第n-4環(huán)(即脫出盾尾第3環(huán)位置)開始吹填豆礫石,由于豆礫石屬于典型的散體材料,具有一定的天然休止角,豆礫石填充穩(wěn)定后在隧道縱斷面會呈現(xiàn)一定的傾角。當n-4環(huán)豆礫石吹填完畢,理論上管片壁后中線以下的空隙能夠被填滿,此時第n-3環(huán)和第n-2環(huán)的位置也能部分被充填。大約在第n-7環(huán)的位置,豆礫石能夠充填滿底部270°范圍,頂部約90°范圍仍未充填,只能依靠后續(xù)灌漿保證回填密實。一般灌漿位置為n-10環(huán)以后,由于受現(xiàn)場條件影響(如隧道處于下坡等),有時灌漿位置會更滯后。

在青島地鐵建設中,這種常規(guī)TBM管片壁后回填的方式存在如下問題:

1)最早僅能在脫出盾尾第3環(huán)吹填豆礫石,第n-2環(huán)和第n-3環(huán)管片穩(wěn)定性無保證;

2)墊塊能夠維持管片暫時的穩(wěn)定,但穩(wěn)定效果遠不及豆礫石,且墊塊永久放置在管片底部,墊塊之間的空間難以被豆礫石充填飽滿;

3)灌漿位置比較滯后,管片無法及時穩(wěn)固,錯臺及失穩(wěn)容易導致漏漿。

圖2 常規(guī)條件下豆礫石吹填和灌漿的過程

1.2 TBM盾尾封堵板的設計制造

為了實現(xiàn)“管片脫出盾尾即可在壁后吹填豆礫石”及“豆礫石和灌漿同步回填”的效果,設計了一種封堵板結構,如圖3(a)所示。區(qū)別于普通TBM盾尾封堵單層鋼板(見圖3(b)),其整體由3層密封鋼板疊加而成,焊接于盾尾的螺栓座并固定。密封板材質為65Mn彈簧鋼[13],具備良好的彈性和耐磨性,每層板厚3 mm,寬度為10 cm,為了能夠與圍巖及管片緊密接觸,密封板分塊拼裝、分層搭接,且末端彎折90°處理后能夠與圍巖或管片柔性接觸,整塊板彎折后的長度約為28 cm。封堵板的具體結構尺寸和現(xiàn)場安裝效果如圖4所示。獨特的彈性耐磨材料、尺寸及形狀設計保證了封堵板具有耐磨性強、更換方便及針對不同直徑盾尾的適用性廣等特點。

(a) 針對性設計

(b) 普通設計

(a) 封堵板結構尺寸(單位: mm)

(b) 封堵板安裝后的現(xiàn)場效果

1.3 回填方案及計劃

在焊補尾盾凹槽并增加封堵板后,管片壁后的回填過程如圖5所示。此時封堵板能夠完全堵住豆礫石并能阻擋部分漿液滲漏,則豆礫石完全可以在第n-3環(huán)(脫出盾尾第2環(huán))吹填,而同步灌漿過程可在第n-4環(huán)進行,即脫出盾尾第3環(huán)的管片可獲得豆礫石和漿液的支撐,穩(wěn)定時間較以往提前6～7環(huán)。同步灌漿的漿液僅需填滿180°以下范圍即可達到維持管片穩(wěn)定的目的,而當管片脫出盾尾10環(huán)以后,還需要進行二次補漿來填滿剩余的回填間隙,以保持整個TBM施工期間管片結構的穩(wěn)定。

2 同步灌漿材料指標選用

2.1 材料基本特性

2.1.1 注漿材料

本次試驗的灌漿回填材料選用山東大學特制的抗分散型動水注漿材料[14-15],其主材料來源于青島地鐵施工開挖的巖渣,經(jīng)篩選后配合一定量的硅酸鹽水泥和其他添加劑組成。該材料成本低、取材容易,符合“綠色、環(huán)?！钡闹黝}[16],具有速凝和抗水沖散的特性。根據(jù)相關規(guī)范[17]實驗室測定,水灰比為3.5∶5時,漿液初凝時間低于4 h、析水率小于2%、結石率不低于98%、28 d的單軸抗壓強度達20 MPa,是用于管片壁后回填的優(yōu)質材料[18],如圖6所示。

圖5 增加封堵板后的回填過程示意圖

圖6 水灰比為3.5∶5時的漿液基本特性

漿液過稀極易導致流失,而過稠的漿液會影響其泵送性能,造成堵管問題。本次試驗及后續(xù)現(xiàn)場應用計劃直接在連接橋位置進行漿液配置,注漿管路長度將大幅縮短,故暫不考慮管路的損失問題。為了同步填充豆礫石孔隙,漿液需要具備合適的稠度和流動性。為此現(xiàn)場采用標準稠度儀[19]測定了水灰比分別為2∶5、2.5∶5、3∶5、3.5∶5、4∶5時的稠度值,結果如圖7所示。由圖可知,當水灰比低于3∶5時,稠度值降低至13 cm(5組試驗的平均值)以下。

2.1.2 豆礫石

本次試驗采用的豆礫石來源于青島地鐵雙護盾TBM隧道施工現(xiàn)場,實驗室測得其顆粒級配曲線如圖8所示,各項指標見表1。其相關指標如含泥量Pd=0.075≤1%、超徑含量(1-Pd=10)≤5%,均滿足規(guī)范要求[20]。但其表面密度[20]ρ(1-e)=778.7 kg/m3<2 550 kg/m3、遜徑含量Pd=5高達49%,二者不能滿足相關規(guī)范[20]要求,說明豆礫石質量較輕且含有較多的細顆粒。這種豆礫石盡管在某些特性方面欠佳,但考慮到環(huán)保、經(jīng)濟和成本的問題,實際上也能夠被大多數(shù)工程認可和使用,本次試驗主要針對豆礫石吹填完成后的灌漿問題進行探索,因此對于豆礫石性質的影響將不作為重點進行討論。

圖7 不同水灰比漿液的稠度

圖8 現(xiàn)場采用的人工碎石豆礫石顆粒級配曲線

表1 現(xiàn)場采用的人工碎石豆礫石指標

2.2 豆礫石滲透試驗

盡管回填方案中計劃在第n-4環(huán)(即吹填完豆礫石的后一環(huán))灌漿,但漿液需滿足特定的黏稠度要求而不至于流失,最理想的效果是: 漿液在泵送時能夠流暢地朝豆礫石孔隙滲透,而停止泵送后漿液則立即停止流動。為了盡可能貼近這種最佳效果,設計了簡易的滲透裝置,如圖9所示。該裝置為底面直徑5 cm的圓柱筒,下部7 cm高度放置豆礫石,上部3 cm高度注入漿液,3∶7的高度比正好保證上部漿液充滿下部豆礫石的孔隙;同時在筒的底部打開一個出漿孔,以保證漿液能夠受重力自然滲透。整個試驗過程記錄初始狀態(tài)至滲透結束時的總滲透時間,以評估漿液在豆礫石孔隙中的滲透能力。

(a) 初始狀態(tài) (b) 滲透中 (c) 滲透結束

首先,進行了水灰比分別為2∶5、2.5∶5、3∶5、3.5∶5、4∶5的5組試驗,結果如圖10(a)所示。發(fā)現(xiàn)漿液水灰比為2∶5時,不能完全滲透豆礫石;而當水灰比大于3∶5時,滲透速率過快(≤7 min),且從上表面能明顯觀察到未被漿液灌濕的豆礫石;水灰比為2.5∶5時,漿液灌滿豆礫石,但有少量漿液從底部出漿孔中流出。

第2次設計了水灰比分別為2.1∶5、2.2∶5、2.3∶5、2.4∶5的4組試驗,結果如圖10(b)所示。結果表明,水灰比為2.3∶5時的滲透時間為26 min,漿液灌滿豆礫石孔隙且僅有少量漿液溢出,此配比可作為現(xiàn)場管片壁后灌漿試驗的最佳配比。

3 豆礫石與灌漿同步回填的現(xiàn)場應用

3.1 工程簡介

青島地鐵6號線華山一路站—創(chuàng)智谷站區(qū)間(簡稱華—創(chuàng)區(qū)間)為雙洞雙線隧道,單線長度約840.1 m,隧道埋深為38～101 m,線間距為14～17 m,區(qū)間沿掘進方向為下坡,最大坡度為27.5‰,隧道主要穿越微風化輝綠巖和微風化花崗巖地層,采用預制鋼筋混凝土管片襯砌。隧道采用2臺中船重工生產(chǎn)的雙護盾TBM施工,開挖直徑6 300 mm,管片內徑5 400 mm、外徑6 000 mm、厚度300 mm、環(huán)寬1 500 mm,管片采用6分塊錯縫拼裝,試驗段偶數(shù)環(huán)為封頂塊(FB)左偏,奇數(shù)環(huán)為封頂塊右偏。管片各分塊的注漿孔點位如圖11所示。

(a) 水灰比(5組)試驗(第1次)

(b) 水灰比(4組)試驗(第2次)

(a) 偶數(shù)環(huán) (b) 奇數(shù)環(huán)

3.2 灌漿量理論計算

假定TBM開挖后的洞壁(半徑為R)和管片外壁(半徑為r)均為標準圓形,如圖12(a)所示。當管片沉降量為s時,由圓心O位移至O′位置所形成的弧形半角

θ=cos-1(s/R)。

(1)

同樣地,圓O′底部180°位置與圍巖邊界間的面積

(2)

考慮豆礫石孔隙率e=0.46、管片環(huán)寬w=1.5 m,則每環(huán)管片填滿管片底部180°的灌漿量

G=e·A·w。

(3)

根據(jù)式(1)—(3),基于MATLAB程序將灌漿量G與管片沉降量s的關系整理如圖12(b)所示。當管片不發(fā)生沉降(s=0)時,每環(huán)的理論灌漿量G約為1 m3;當管片沉降為70 mm(s=0.07 m)時,G約為0.85 m3。青島地鐵建設過程中通過全站儀以不少于2次/d的測量頻率測定每環(huán)管片的姿態(tài)。以往工程經(jīng)驗表明,其垂直方向絕對坐標一般不超過-70 mm。因此,為了最低限度地確保管片沉降不超限,每環(huán)的灌漿量建議為1 m3,最低不得少于0.85 m3。

(a)

(b)

3.3 現(xiàn)場灌漿試驗

3.3.1 設備及流程

為了盡可能地降低注漿過程中管路過長而導致的堵管、壓力損失及影響交叉施工等問題,特將注漿機和漿液攪拌罐分別運輸至TBM連接橋和1#臺車前端,即最靠近管片拼裝的位置,如圖13所示。試驗時將干料以一定配比加水在攪拌罐里進行充分攪拌,然后用注漿機吸入攪拌好的漿液(過程Ⅰ),再以一定壓力泵送至管片外壁間隙(過程Ⅱ)。采用ZKSJ200液壓式注漿泵,管路直徑為64 mm,1次可通過2個管路同時排(吸)漿,排漿量最高可達10 m3/h,工作沖程壓力為0～16 MPa(非均勻注漿壓力);漿液攪拌罐為TBM后配套設備,單次攪拌容量最高可達3 m3。

圖13 隧道內試驗的設備擺放位置

3.3.2 試驗方案及結果

在現(xiàn)場隧道內進行的2個試驗方案及分組如圖14所示。試驗1在管片拼裝215環(huán)的位置;試驗2在管片拼裝222環(huán)的位置,為了方便描述,將管片剛脫出盾尾的環(huán)定義為第①環(huán)。試驗分組、灌漿點位、灌漿量、灌漿壓力(沖程值)及漏漿結果見表2和圖15,其中灌漿壓力經(jīng)過現(xiàn)場多次嘗試后選擇了既保證漿液可灌性又不至于流竄的最低壓力為1.6～1.8 MPa。試驗過程中為了保證管片至少填滿底部120°～180°的空間,綜合上述理論灌漿量G的計算結果,控制每環(huán)的灌漿量為1 m3,每組試驗嘗試了不同的灌漿點位。

圖14 隧道內試驗方案及分組

表2 隧道內試驗方案及結果

(a) 試驗1-組2的2點鐘(④)漏漿情況; (b) 試驗1-組2的2點鐘(⑥)漏漿情況; (c) 試驗1-組2的注漿管拔出后噴漿; (d) 試驗1-組3的盾尾內側底部略有漏漿; (e) 試驗1-組3的6點半(③)注漿管拔出后觀察到“石-壁分離”現(xiàn)象; (f) 試驗2-組3的第④環(huán)底部孔位漿液飽滿。

3.4 灌漿結果分析與討論

3.4.1 中部(3點鐘或9點鐘)位置灌漿

試驗1的結果表明,在3點鐘灌漿時漿液容易在臨近2點鐘位置泄露(如圖15(a)、(b)所示),而同一管片的底部5點半位置則沒有漿液流出,同時在拔出注漿管后還發(fā)生了噴漿現(xiàn)象。以上現(xiàn)象說明,對于3點鐘(或9點鐘)位置來說,漿液更容易朝上滲透,這是因為豆礫石本身在管片中部和底部的填充效果比上部密實得多,再加上本次試驗調制的漿液較稠,最終導致漿液在一定壓力作用下朝上滲透。

3.4.2 最底部(5點半和6點半)位置灌漿

試驗1在最底部的5點半和6點半位置灌漿,結果導致盾尾內側千斤頂位置有少量漿液流出,在拔出注漿管后發(fā)現(xiàn)了豆礫石和管片外壁分離的現(xiàn)象(簡稱“石-壁分離”),如圖15(d)和(e)所示。同時,從注漿孔中取出豆礫石發(fā)現(xiàn)其并未被漿液完全灌滿,這表明漿液并沒有朝下滲透進入豆礫石,而是沿著“石-壁分離”的縫隙向前流動。這是因為豆礫石難以被飽滿地填充到管片的最底部,而較稠的漿液在豆礫石的表面滲透又形成了1層致密漿膜,在壓力作用下導致豆礫石被壓縮,最終形成了1條“石壁分離”縫隙。

3.4.3 中下部(4點鐘和8點鐘)位置灌漿

在參考試驗1的結果后,試驗2采用了在4點鐘和8點鐘位置連續(xù)灌漿的方式,灌漿結束后,盾尾位置沒有發(fā)現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。在第④環(huán)底部5點半位置注漿孔取出豆礫石后能看到飽滿的漿液(如圖15(f)所示),而3點鐘和9點鐘位置并沒有漿液流出,這表明在中下部灌漿的漿液能夠往下流動且不容易漏漿。

3.4.4 灌漿點位分析

現(xiàn)場實際施工時的豆礫石吹填順序為先底部、再中部、最后頂部,這樣的步序可以率先保證管片豎直方向的穩(wěn)定性,然而由于管片最底部位是趨近于水平線的,這就意味著豆礫石難以均勻填滿底部間隙;而管片中部是完全豎直的,這樣頂部的豆礫石可以完全自然流到中部的間隙,因此該位置更加密實。綜上,總結豆礫石的填充密實情況如圖16所示。對于向豆礫石孔隙內灌漿來說,漿液更容易流向密實度差的位置,而如果直接向底部灌漿的話又容易導致“石-壁分離”的問題,因此,最佳的灌漿點位為每環(huán)的中下部,即4點鐘和8點鐘的位置。

圖16 豆礫石在管片壁后間隙的密實度分布

3.4.5 管片沉降實測分析

采用水準儀測量試驗2的214～221環(huán)管片沉降情況,得到豎向位移(負為沉降)與管片拼裝環(huán)數(shù)的關系如圖17所示。由圖可知,經(jīng)過灌漿的214～219環(huán)最終沉降量在4.5 cm以內,而未灌漿的220環(huán)和221環(huán)沉降量則達到6～7 cm。同時,經(jīng)過灌漿的相鄰管片沉降差在1 cm以內,這表明豎直方向的錯臺量不超過1 cm;而未灌漿的220環(huán)和221環(huán)間最大沉降量差值達到了2 cm,這表明采用吹填豆礫石后同步灌漿的方式有效降低了管片沉降。

圖17 試驗2的管片沉降結果

4 結論與討論

本文依托青島地鐵6號線雙護盾TBM隧道工程,提出了豆礫石與灌漿同步回填施工工藝,并進行了現(xiàn)場試驗,得出的主要結論如下:

1)設計并已投入使用的TBM盾尾封堵板可完全阻擋豆礫石泄露,管片脫出盾尾即可吹填豆礫石。

2)為了防止灌漿過程中漿液的過量流失,其稠度不應高于13 cm;漿液水灰比為2.3∶5時效果最佳,滲透時間為26 min。

3)隧道內現(xiàn)場試驗表明灌漿點位過高會導致漿液上竄,而過低則會導致漿液向前流失,灌漿的最佳點位為管片的4點鐘和8點鐘位置。建議在豆礫石吹填完的后一環(huán)同步灌漿,灌漿量控制在0.85～1 m3為宜。

本次完成了對雙護盾TBM同步回填技術的現(xiàn)場初步試驗,驗證了吹填豆礫石后立即進行灌漿技術的可行性,確定了漿液配比及灌漿指標。后續(xù)將針對實際工程中的應用問題進行下一步的探索,期望在未來TBM隧道建設中發(fā)揮出同步回填技術的優(yōu)勢。