豆礫石回填與灌漿技術(shù)探索

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“豆礫石回填灌漿”是TBM法中采用的一項(xiàng)施工技術(shù)，在國(guó)內(nèi)“引大”工程（甘肅省引大通河入秦王川工程）和“引黃入晉”工程（山西省引黃河水到太原和大同）均采用這一施工技術(shù)。隨著工程建設(shè)的發(fā)展，部份長(zhǎng)隧洞工程必將選用全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，巖石較軟而破碎時(shí)，必將選用全護(hù)盾式或雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工，混凝土預(yù)制構(gòu)體襯砌，必然要用豆礫石回填并灌漿固結(jié)，俗稱TBM法。為讓工程局人士對(duì)這一工程技術(shù)內(nèi)含有些了解，這里將介紹豆礫石回填灌漿的應(yīng)用范圍，豆礫石回填灌漿的施工工藝，豆礫石回填灌漿的質(zhì)量影響因素和質(zhì)量檢查方法。最后對(duì)豆礫石回填灌漿的一些個(gè)人淺見(jiàn)，以餮讀者。
    一、豆礫石回填灌漿的應(yīng)用范圍
    豆礫石回填灌漿適用于隧洞很長(zhǎng)，不便于采用鉆爆法施工，采用雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，混凝土預(yù)制構(gòu)件襯砌的工程。
    預(yù)制構(gòu)件是在后護(hù)盾內(nèi)由機(jī)械手安裝，構(gòu)件外壁與護(hù)盾間有一定的空隙。護(hù)盾壁厚4-5cm，后護(hù)盾與圍巖壁間又有2～3cm間隙，因此，混凝土預(yù)制構(gòu)件與圍巖壁間就形成了8～10cm的空間，這部份空間與洞內(nèi)僅有幾個(gè)構(gòu)件的吊裝孔相通，為了穩(wěn)定混凝土預(yù)制構(gòu)件，將粒徑為5～10mm的豆礫石（碎石或卵石均可）用高壓風(fēng)從吊裝孔噴入，填充混凝土預(yù)制構(gòu)件與圍巖間的空間，然后進(jìn)行灌漿，凝結(jié)豆礫石，使混凝土預(yù)制構(gòu)件得到穩(wěn)定，同時(shí)傳遞山巖壓力或內(nèi)水壓力，（對(duì)有壓隧洞）使混凝土預(yù)制構(gòu)件，凝結(jié)的豆礫石和圍巖形成整體，這就是豆礫石回填灌漿。
    豆礫石回填灌漿，目前我國(guó)還沒(méi)有規(guī)范為依據(jù)，也沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)為借鑒，施工工藝尚在探索中，因此，有人叫豆礫石回填灌漿，有人叫豆礫石回填與灌漿，前者視為一個(gè)工序，后者視為兩個(gè)工序。
    回填灌漿的定義是前一工序施工后，余下的空間沒(méi)有任何介質(zhì)，用另一種物質(zhì)采用灌漿的方法去充填余下的空間。而掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，混凝土預(yù)制構(gòu)件襯砌后，構(gòu)件外的空間首先為豆礫石填充，然后才用水泥漿固結(jié)，將松散的豆礫石凝結(jié)為整體，與壓漿混凝土相似，因此不能視為回填灌漿。
    但壓漿混凝土規(guī)范中有許多規(guī)定與豆礫石灌漿的要求不符合：一是骨料粒徑要求不同；二是壓漿混凝土的段長(zhǎng)是有限的，兩端封閉，從下而上壓力灌漿。而豆礫石灌漿，漿液泳動(dòng)范圍是不定的。故借用壓漿混凝土規(guī)范也不全適宜。因此，豆礫石灌漿應(yīng)另行編寫規(guī)范來(lái)規(guī)定豆礫石灌漿的施工工藝。
    二、豆礫石灌漿的施工工藝
    豆礫石回填灌漿分為兩個(gè)工序進(jìn)行，因此應(yīng)稱為豆礫石回填與灌漿。
    混凝土預(yù)制構(gòu)件在雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)的后護(hù)盾內(nèi)安裝好后，掘進(jìn)機(jī)的輔助推力油缸就頂緊混凝土預(yù)制構(gòu)件（雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)的前護(hù)盾，緊貼巖壁并隨掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖同時(shí)前進(jìn)，其推力由在前護(hù)盾內(nèi)的主推進(jìn)油缸提供，主推進(jìn)油缸的反力由設(shè)在后護(hù)盾前端的夾具盾——國(guó)內(nèi)稱水平支撐，撐緊洞壁而產(chǎn)生的磨擦力平衡，輔助推力油缸的另一端固定在夾具盾上，它也能起到一定的推力作用，故稱輔助推力油缸）。當(dāng)一個(gè)行程掘進(jìn)完后，在主推力油缸和輔助推力油缸的共同作用下，后護(hù)盾和夾具盾前移，混凝土預(yù)制構(gòu)件離開(kāi)后護(hù)盾，后面與已回填了豆礫石的預(yù)制構(gòu)件通過(guò)連接桿相連接，前面與尚在護(hù)盾內(nèi)的混凝土預(yù)制構(gòu)件也通過(guò)連接桿相連接，構(gòu)件底部懸空，此時(shí)就立即回填豆礫石，以支撐混凝土預(yù)制構(gòu)件，同時(shí)由下而上回填側(cè)面和頂部空間的豆礫石，使混凝土預(yù)制構(gòu)件得到穩(wěn)定，當(dāng)預(yù)制構(gòu)件安裝了一定長(zhǎng)度后（視機(jī)型和結(jié)構(gòu)而定），先對(duì)底部豆礫石進(jìn)行灌漿，一般長(zhǎng)度是8～12米。如長(zhǎng)度大于預(yù)留空間，底部未灌漿的混凝土預(yù)制構(gòu)件將被掘進(jìn)機(jī)的后配套遮蔽，不能灌漿，需待后配套設(shè)備過(guò)完后才能灌漿。側(cè)邊和頂部視混凝土預(yù)制構(gòu)件的止?jié){效果和隨機(jī)灌漿設(shè)備的能力而實(shí)施灌漿范圍，如果止?jié){效果差，對(duì)側(cè)邊進(jìn)行灌漿，漏漿有可能淹沒(méi)后配套下面的軼道而造成跳道事故。如灌漿能力不強(qiáng)，在后配套設(shè)備的后面只能先灌側(cè)邊，頂部留到開(kāi)挖完后或停機(jī)時(shí)再進(jìn)行補(bǔ)灌，這樣對(duì)灌漿質(zhì)量將有一定影響。
    底部灌漿時(shí)，距后護(hù)盾很遠(yuǎn)，而后護(hù)盾邊緣沒(méi)有設(shè)置止?jié){環(huán)，因此壓力不能過(guò)大，一般是以下漿量控制，即計(jì)算好需漿量，灌完即停，故底部灌漿常不很密實(shí)，這是值得探討的問(wèn)題。
    豆礫石灌漿沒(méi)有分段，也沒(méi)有設(shè)置隔離環(huán)，漿液在豆礫石中是自泳狀態(tài)，大部份漿液以滲透的形式滲入豆礫石中，而豆礫石的密度又是不均勻的，因而會(huì)出現(xiàn)密度小處漿滿，密度大的區(qū)域疏松的現(xiàn)象。
    三、豆礫石灌漿質(zhì)量的影響因素和檢查方法
    豆礫石回填與灌漿質(zhì)量的影響因素很多，分述如下：
    1、掘進(jìn)機(jī)施工的影響
    掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖隧洞是利用刀盤上按一定坐標(biāo)位置和軌距排列的盤形滾刀在刀盤的帶動(dòng)下，隨著刀盤公轉(zhuǎn)，滾刀本身又自轉(zhuǎn)，借助主推進(jìn)油缸強(qiáng)大的推力，在巖面上滾動(dòng)的同時(shí)楔入巖石。楔入深度叫切深。當(dāng)切深達(dá)到一定深度時(shí)，楔入過(guò)程中所積蓄的能量突然釋放使巖石崩落從而達(dá)到破巖的目的。而刀刃楔入巖石的初期，刃口下的巖石被刀具碾壓成粒徑極小的顆?；蚍蹱?，崩落的巖碴塊度也很小。部份巖粉附在隧洞周邊巖石上，另有部份片狀巖塊不為出碴設(shè)備鏟走落在洞底，掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)時(shí)，前護(hù)盾將小石片碾成粉末，因此底部巖粉較厚，有時(shí)達(dá)2～3厘米，如地下水較豐富時(shí)，周邊巖粉也會(huì)集中到底部，此時(shí)底部巖粉更厚，甚至充滿底部空間，地下水少時(shí)，周邊也有3～5毫米厚的巖粉?；炷令A(yù)制構(gòu)件離開(kāi)后護(hù)盾后下沉，底部間隙很小，豆礫石不易進(jìn)入，底部填不滿。由于上述原因，嚴(yán)重影響底部的灌漿質(zhì)量。根據(jù)已建工程鉆孔檢查，底部均有巖粉，有時(shí)無(wú)一粒豆礫石，僅有純水泥漿或巖粉的混合物。當(dāng)?shù)叵滤^豐富時(shí)，巖粉成漿糊狀或沉積成巖粉塊，或與少量豆礫石凝結(jié)，水泥漿液不能滲入，因此隧洞底部灌漿質(zhì)量大部份較差。側(cè)邊巖壁因有巖粉，灌漿層不能與圍巖粘接。
    頂部的情況比較復(fù)雜：
    巖石上附有巖粉，不如底部多，也不會(huì)凝結(jié)，但頂部豆礫石填不滿，形成自由空間，由于掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖速度很快，平均日進(jìn)尺約40米（對(duì)直徑4～6米的掘進(jìn)機(jī)而言，大斷面掘進(jìn)機(jī)較慢）混凝土預(yù)制構(gòu)件安裝、豆礫石回填也以相同的速度前進(jìn)，速度快時(shí)，日進(jìn)尺可達(dá)60～80米。而灌漿不僅受到設(shè)備的限制，還受到灌漿材料供給的影響，因此，頂部一般都是開(kāi)挖后很久才補(bǔ)灌漿。
    頂部雖然巖粉較少，但因長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有灌漿，在運(yùn)輸機(jī)械的振動(dòng)下，少量巖粉落在已回填的豆礫石表面上，形成較薄的一層隔離層，灌漿時(shí)就出現(xiàn)一個(gè)夾層帶或漿液滲不到豆礫石內(nèi)，形成隔離層上是純水泥漿結(jié)塊，隔離層下豆礫石疏松，已建的某工程，多次出現(xiàn)上述情況。而疏松層又成封閉狀態(tài)，實(shí)踐證明，補(bǔ)灌漿很難填滿疏松的豆礫石的空間。
    當(dāng)圍巖較破碎時(shí)，已開(kāi)挖的洞段由于機(jī)械運(yùn)行的振動(dòng)，部份疏松石塊、石屑將掉在豆礫石面上或預(yù)制構(gòu)件上，（因時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，豆礫石下沉頂部無(wú)豆礫石）因破碎圍巖強(qiáng)度很低，，水泥漿將破碎巖塊石屑凝結(jié)后，強(qiáng)度也很底，對(duì)隧洞的整體結(jié)構(gòu)都有一定影響。由于頂部灌漿的滯后，還帶來(lái)其他一些影響豆礫石灌漿質(zhì)量的因素。
    2、灌漿工藝的影響
    豆礫石灌漿是利用混凝土預(yù)制構(gòu)件的吊裝孔進(jìn)行，某工程是采用四塊相等的菱形管片，底頂和側(cè)面錯(cuò)開(kāi)半片安裝，邊底三片各有兩個(gè)吊裝孔，頂片除兩個(gè)吊裝孔外，間片的頂部正中位置有一個(gè)向前傾斜的頂部灌漿孔。底部是從底片兩側(cè)的吊裝孔分別間孔灌漿，水泥漿液自泳滲透，而底部有較多的巖粉，漿液就不可能均勻泳動(dòng)。當(dāng)漿液在后護(hù)盾處出現(xiàn)時(shí)即停止灌漿。漿液沒(méi)有壓力，不可能滲入巖粉，也不可能將石粉排除，因此底部質(zhì)量不合格的比例較多。如在底部正中設(shè)一向前傾斜的灌漿孔，灌漿前用高壓風(fēng)吹散巖粉，然后灌漿，漿液從下而上漫泳，底部空間可以充滿。因此，分散或排除底部巖粉是豆礫石灌漿必不可少的工序。
    豆礫石灌漿應(yīng)連續(xù)進(jìn)行：由于是自泳灌漿，漿液是以滲透形式進(jìn)入豆礫石，施灌時(shí)，液面較高，停灌后，漿液繼續(xù)滲透，液面下降，部份豆礫石成為無(wú)砂混凝土狀，漿液凝結(jié)后，繼后灌漿很難充滿豆礫石的空隙，因而形成無(wú)沙混凝土狀的疏松帶。
    灌漿壓力對(duì)質(zhì)量也有影響：任何灌漿都有一定的孔口壓力要求，而豆礫石灌漿雖然在機(jī)旁也有壓力指示儀表，但因是與開(kāi)挖同時(shí)進(jìn)行，灌漿設(shè)備在隨機(jī)移動(dòng)的后配套上，為適應(yīng)設(shè)備移動(dòng)的需要，管路很長(zhǎng)，灌漿壓力只能把漿液輸入灌漿孔內(nèi)。又因多工序同時(shí)進(jìn)行，干擾很大，安裝孔口壓力表有困難。因此，灌漿設(shè)備的儀表的壓力只反映機(jī)械的壓力，而不反映孔口壓力，更不能反映豆礫石內(nèi)的壓力。還由于漿液在豆礫石內(nèi)是自由滲透，漿液進(jìn)入豆礫石后，壓力成遞減狀態(tài)，漿液泳動(dòng)末端壓力為零，因此要達(dá)到壓力穩(wěn)定一定的時(shí)間是十分困難的。
    3、灌漿材料供應(yīng)和配比
    豆礫石灌漿材料—水泥，是由運(yùn)碴設(shè)備一起運(yùn)輸，洞內(nèi)空間受到限制，不可能設(shè)置很大的容器，又因隧洞很長(zhǎng)（有時(shí)達(dá)20余公里），不能專門配置運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)輸灌漿材料，僅由運(yùn)碴設(shè)備運(yùn)入灌漿材料，常不能灌足灌漿量的需要，灌漿工作只好終斷，形成斷續(xù)灌漿。
    配比對(duì)灌漿質(zhì)量的影響也很大。豆礫石的粒徑很小，間隙較小，灌沙漿難在豆礫石中泳動(dòng)，因此只有灌純泥漿。水泥的強(qiáng)度等級(jí)和配合比決定了豆礫石凝固體的強(qiáng)度。
    由于是自泳灌漿，漿液的泳動(dòng)性和穩(wěn)定性是十分重要的指標(biāo)，因此選擇適宜的配合比是十分重要的工作，需通過(guò)多次試驗(yàn)確定。要求根據(jù)確定的配合比而拌制的漿液不分離沉淀，同時(shí)泳動(dòng)性又最佳。實(shí)踐證明，泳動(dòng)性好而易沉淀，較長(zhǎng)時(shí)間不沉淀的配比泳動(dòng)性又較差。部頒規(guī)范所定的配比級(jí)別是否符合豆礫石灌漿的要求，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，必要時(shí)可將等級(jí)分小，如在1：1、0.8：1、0.6：1等中插入0.9：1、0.7：1等，同時(shí)摻入合適的外加劑和摻合料，使?jié){液的泳動(dòng)性和穩(wěn)定性都達(dá)到最佳狀態(tài)（某工程用0.7：1）。
    4、豆礫石灌漿質(zhì)量檢查方法
    某工程對(duì)豆礫石灌漿的指標(biāo)提出三個(gè)要求，即填滿全部空間，鉆孔取芯在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行抗壓和抗?jié)B透試驗(yàn)，要求抗壓達(dá)到20N/mm2，抗?jié)B指標(biāo)達(dá)到K≤1×10-5cm/s?？箟涸囼?yàn)芯樣需根據(jù)豆礫石層的厚度確定，一般厚度在10cm以下，故用φ50的鉆頭取芯較合適。抗?jié)B試驗(yàn)可用φ100的鉆頭取芯。檢查數(shù)量和部位應(yīng)慎重確定。如某工程確定每100米取三個(gè)芯，邊、頂、底各一個(gè)都不足，而一個(gè)芯就代表該部位100米，其代表性很差，同時(shí)也應(yīng)考慮掘進(jìn)機(jī)施工的特殊情況，即隧洞長(zhǎng)度大、速度快。如取芯過(guò)多，必然影響工期。用儀器掃描，成本又很高，目前尚無(wú)簡(jiǎn)捷、易行、可靠的檢查方法。部份工程用壓水試驗(yàn)檢查豆礫石灌漿的質(zhì)量，也很難證明豆礫石灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣。因豆礫石層很薄，而且開(kāi)挖隧洞和混凝土預(yù)制構(gòu)件襯砌后的隧洞不是同心的，難以確定鉆孔處豆礫石層的厚度，也就難以確定鉆孔的深度，如將豆礫石層鉆穿了，則試驗(yàn)的將是巖石的滲透性。打淺了，又是檢驗(yàn)預(yù)制構(gòu)件與豆礫石層接觸處的滲透性和預(yù)制構(gòu)件接縫的滲漏性能了。對(duì)豆礫石灌漿的質(zhì)量檢查的方法、數(shù)量等均需今后的實(shí)踐中探索。
    四、對(duì)豆礫回填和豆礫石灌漿的幾點(diǎn)意見(jiàn)
    1、豆礫石回填與豆礫石灌漿是雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)施工、混凝土預(yù)制構(gòu)件襯砌后的兩道不同的工序，因此在定義上不能混淆，既不能視為一道工序，也不能視為回填灌漿。
    2、豆礫石回填與豆礫石灌漿應(yīng)另外編寫規(guī)范，不能借用其他規(guī)范。在新編寫的規(guī)范中應(yīng)明確清除巖粉的工藝、灌漿次序、允許停灌時(shí)間、質(zhì)量檢查方法等內(nèi)容。
    3、安裝孔的封堵：已建工程的安裝孔灌漿時(shí)是用塑料蓋粘于孔口上，側(cè)邊每隔二孔粘一個(gè)帶絲牙的蓋，接灌漿管。這種方法雖然簡(jiǎn)單，方便操作，但不能保證工程表面平順光滑，同時(shí)塑料制品在自然環(huán)境中極易老化，不能作為永久工程的一部份。某工程用塑料蓋封堵，后來(lái)又拆除，數(shù)十公里的隧洞，約45萬(wàn)個(gè)孔蓋拆除，重新封堵，這是很大的工程量。因此，應(yīng)考慮采用永久性的封堵塞。但應(yīng)注意反拱或底部孔封堵后，灌漿時(shí)充填不滿的現(xiàn)象，特別是壓力隧洞更應(yīng)引起足夠重視。
    4、關(guān)于混凝土預(yù)制構(gòu)件安裝后接縫的止?jié){問(wèn)題：混凝土預(yù)制構(gòu)件安裝后，由于構(gòu)件的生產(chǎn)誤差，拼接不嚴(yán)，有漏漿的可能，某工程為避免漏漿堵塞鐵道，就將側(cè)邊和頂部滯后到掘進(jìn)機(jī)的后配套設(shè)備走完后才灌漿，質(zhì)量很難保證。為了緊跟掘進(jìn)和預(yù)制構(gòu)件安裝灌漿，可在接縫處采取措施。一是設(shè)止水條。某工程采用復(fù)合止水條，但有時(shí)接縫太寬，止水條不嚴(yán)，漏漿淹沒(méi)鐵道，造成事故。二是為了補(bǔ)救止水條不嚴(yán)的不足。可于接縫口處填塞沙漿。為防止在灌漿壓力作用下沙漿脫落，可在迎水面?zhèn)冗呏顾畻l處設(shè)“燕尾槽”（止水條應(yīng)置于距迎水面3～5cm處），沙漿凝結(jié)后就不至脫落。拌制沙漿應(yīng)摻粘接劑，使其收縮性小，與預(yù)制構(gòu)件粘接牢固。燕尾槽的寬度以方便施工為度，內(nèi)外寬度差不小于5毫米為宜。這樣就能保證隨掘進(jìn)機(jī)構(gòu)件安裝的同時(shí)，進(jìn)行豆礫石灌漿。
    5、巖粉排除：前文已述及，掘進(jìn)機(jī)施工巖粉很多，嚴(yán)重影響豆礫石灌漿的質(zhì)量，排除巖粉是確保灌漿質(zhì)量的重要措施之一，特別是底部更為必要。但由于后護(hù)盾的屏蔽，混凝土預(yù)制構(gòu)件又是與后護(hù)盾搭接，安裝孔又很?。ㄈ缟轿饕S入晉工程的混凝土預(yù)制管片的安裝孔為φ80）無(wú)法使用機(jī)械清除。因此應(yīng)在設(shè)計(jì)或定購(gòu)掘進(jìn)機(jī)時(shí)就要提出要求。個(gè)人意見(jiàn)，一是在后護(hù)盾的底部，預(yù)制構(gòu)件安裝位置的前面開(kāi)底窗，側(cè)面開(kāi)小孔，先用風(fēng)吹頂部和側(cè)面，從底窗清除巖粉，二是噴填豆礫石前對(duì)已安裝構(gòu)件的底部用風(fēng)吹，將巖粉分散，也可于底部灌漿前用風(fēng)吹，分散巖粉或泥漿，使底部灌漿質(zhì)量得到保證。
    五、結(jié)語(yǔ)
    豆礫石回填和豆礫石灌漿是長(zhǎng)隧洞工程，采用護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工，混凝土預(yù)制構(gòu)件襯砌后的兩道工序，在我國(guó)尚屬新技術(shù)、新工藝，僅在甘肅省引大（通河）入秦（王川）和山西省引黃（河）入晉（山西太原、大同等城市）工程的部份長(zhǎng)隧洞中使用，“引大”用的是卵石；“引黃”用的是碎石，由于兩工程均是外國(guó)承包商施工，許多研究和試驗(yàn)工作不便進(jìn)行，希同仁志士在有條件的時(shí)候進(jìn)行研究、試驗(yàn)，以補(bǔ)我國(guó)長(zhǎng)隧洞施工技術(shù)的空白，并在灌漿規(guī)范中增寫上“豆礫石回填與灌漿”這一章。