双模式斜井TBM壁后组合回填技术

牛秀宝

双模式斜井TBM壁后组合回填技术

牛秀宝

(中国铁建大桥局集团第二工程有限公司，广东 深圳 518083)

神华新街台阁庙矿区双模式斜井TBM项目使用的TBM壁后回填系统不同于其他TBM机，增加了粉料卸载、存储、搅拌系统和豆砾石喷射系统，首先在盾尾后侧喷射豆砾石，然后在豆砾石间进行部分回填注浆，接着进行双液浆注浆，最后进行二次补浆，确保管片背后回填密实；TBM壁后回填浆液全部在TBM拖车内进行搅拌，真正地实现了地下施工作业一体化；大大的缩短了TBM施工中浆液转运的时间，加快掘进速度，取得良好的技术效果和经济效益。

斜井；TBM；喷射系统；注浆系统；回填

1 概述

神华新街台阁庙矿区共7个井，其中一号矿井的主井、副井作为双模式TBM工法的试验井。两条试验斜井均采用6°下坡，长度均为6582 m(其中明挖段172 m，TBM施工段6410 m)，开挖断面直径7.6 m，衬砌后内径6.6 m，外径7.3 m。项目所使用TBM是我国自主生产的第一台双模式斜井TBM，具有先进的技术性能、更高的安全性能，整机的自动化程度很高，便于操作，同时世界上先进的液压技术和PLC技术在这里得到了充分的应用。

双模式斜井TBM是集多种功能于一体的综合性设备，它既集合了TBM施工过程中的开挖、出土、支护、注浆、导向等全部功能，又具有单护盾TBM的所有功能。其结构上包括刀盘、盾体、主驱动、人舱、管片拼装机、螺旋输送机、管片吊机、管片卸载吊机、管片小车、1#皮带机、2#皮带机以及后配套拖车等；在功能上包括开挖系统、主驱动系统、推进系统、出碴系统、除尘系统、管片倒运系统、二次通风系统、排污系统、冷却水系统、豆砾石喷射系统、双液注浆系统、回填注浆系统、二次补浆系统、粉料卸载存储搅拌泵送系统、油脂系统、液压系统、电气控制系统、激光导向系统及通风、供水、供电系统等。下面对双模式斜井TBM的壁后回填系统进行简析。

2 壁后回填系统简介

本系统的作用是在双模式斜井TBM正常掘进的情况下，实现管片背后的同步注浆和豆砾石喷射，填充管片背后环形间隙防止地表沉降。

2.1 粉料卸载、存储、搅拌、泵送系统

后配套5号拖车配置有2个水泥干粉罐，1套可调节水灰比例的制浆机，用来搅拌素水泥浆。6号拖车配置有2个粉煤灰干粉罐，1套可调节水灰比例的制浆机，用来搅拌粉煤灰。11号拖车配置有2个干粉罐，1套可调节水灰比例的制浆机，用来搅拌素水泥浆或粉煤灰。5号、6号、11号拖车各配置1台20 t的罐体吊机，专门装卸起吊粉罐。螺旋机将罐体干粉输送至制浆机，将搅拌好的浆液泵送至双液注浆水泥浆罐、回填注浆砂浆罐或者二次补浆砂浆罐。

制浆模式分为手动和自动模式。手动模式时，在配电柜上对螺旋机、搅拌和水阀进行单独控制，各原料的比例依靠屏上的称量数据而定，从制浆到搅拌到泵送全部为独立的手动控制；自动模式时，确认参数设置正确，在操作箱上只需按下配比启动按钮即可自动运行，配比完成后自动停止，待需要泵送时按下出料按钮，制浆过程结束。每一批制浆结束后都可清洗管路，清洗用的水为配方计算用水的剩下部分。

制浆操作面板示意图见图1。

图1 制浆操作面板示意图

2.2 豆砾石喷射系统

管片衬砌后需要及时回填豆砾石以保证结构的稳定性，豆砾石由服务列车上的豆砾石罐车运进隧洞，在4号拖车处卸载。挡边皮带输送机将豆砾石从豆砾石存储罐卸入豆砾石泵的进料口。

后配套3号拖车上布置有两台风动豆砾石泵，通过压缩空气将豆砾石吹入管片与开挖洞壁间的空腔。豆砾石充填能力与最高掘进速度相匹配，并有一定余量。豆砾石喷射系统参数：豆砾石泵2台；豆砾石泵能力2×15 m/h；最大粒径15 mm；空气压力0.4～0.6 MPa；压缩空气消耗量：12～21 m/min。

豆砾石泵送系统使用的操作手柄包括：急停、启动、泵送启动、泵送停止、泵送加速、泵送减速。

2.3 回填注浆系统

在后配套2号拖车布置一套豆砾石回填注浆系统，配置清洗罐，每环注浆数据都有记录并保存至上位机，数据可实时调出查看。注浆泵为柱塞泵，能满足掘进机最大掘进速度的快速连续掘进的要求。回填注浆泵亦可作为同步注浆泵使用，注浆泵参数：施维英双柱塞泵；排量2×10 m/h；压力：4 MPa；功率30 kW；管路4套。

双模式斜井TBM注浆系统具有手工、自动两种操作方式。在手动模式下，首先根据土木工程师交底调整好注浆泵开始和停止压力(设定值)，注浆泵由控制板的按钮单独控制，泵速由比例控制其起动装置的控制板增减按钮决定；如果管片背部注浆压力大于相应的设定值，相应的注浆泵即停止工作，直至压力反馈小于设定值。自动模式下，首先根据土木工程师交底调整好注浆泵开始和停止压力(设定值)，注浆泵的起动和停止由控制板自动控制，并且几组注浆泵的启动和停止是一致的。其起动装置和手动模式下相同，不同的地方包括注浆开始点的起动，如果是新开始注浆，注浆点必须手动打开，在工作时它可以通过调节注浆压力来自动开始和停止。

注浆泵是TBM施工中的重要工作机组，采用液压驱动及控制，有独立的液压系统。启动前应保证设备具备正常工作的各项条件，驱动系统及注浆管线连接完好，传感器工作正常。根据地质情况及其他因素设定注浆压力。在主控室PLC控制面板上根据土木工程师提供的数值进行设定，将各调速按钮设定在最小值。

连接好砂浆运输罐车与注浆泵贮浆罐间的输浆管，连接好输送泵电源，启动输送泵输送砂浆，启动搅拌器搅拌砂浆，防止砂浆发生凝结和离析，罐内有砂浆时要一直搅拌。

自动模式下只需按下开/停按钮，过程由PLC自动控制。手动模式下，掘进开始后，按下相应泵的启动按钮，将注浆控制手柄放在注浆位(推位)，根据掘进速度选择合适的注浆速度，逐渐调节注浆速度至选定值，不可快速改变速度设定，以免损伤系统。

掘进过程中通过注浆压力显示和泵行程显示，控制注浆压力和注浆量，记录每环注浆数据。TBM配有自动控制系统。双模式斜井TBM注浆系统操作面板见图2。

图2 双模式斜井TBM注浆系统操作面板

2.4 双液注浆系统

在后配套1号拖车布置一套双液注浆系统，采用2台螺杆泵泵送水泥浆液，2台软管泵泵送水玻璃，水泥与水玻璃比例可在1∶1～3∶1范围内连续可调。配置清洗罐，每环注浆数据都有记录并保存至上位机，数据可实时调出查看。能满足掘进机最大掘进速度的快速连续掘进的要求。螺杆泵参数：型号：NM63BY04S24V；排量8 m/h；压力2.4 MPa；功率15 kW。软管泵参数：型号：SPX40；排量4.3 m/h；压力：1.6 MPa；功率2.2 kW。

双液注浆系统具有手动、自动两种操作方式。在手动模式下，首先根据土木工程师交底调整好螺杆泵和软管泵的速度(设定值)，在触摸屏上选择泵的使能，泵的启停由控制板的手动按钮一键控制：泵的速度由屏上“+”“-”按钮进行设定；两台泵之间没有关联，各自按设定速度运行，速度可以根据流量随时修改。如果管片背部注浆压力大于设定的压力高限值，相应的注浆泵即停止工作，注浆完毕。

自动模式下，首先根据土木工程师交底在触摸屏上按“+”“-”按钮调整好螺杆泵的速度(设定值)、双液配比值和泵的使能，自动情况下软管泵的控制受螺杆泵启停而启停，速度设置按钮在触摸屏上不显示，而是受螺杆泵流量和配比值自动控制，注浆泵的启动由控制板自动按钮控制。

两种工作模式都是通过注浆压力高限来自动停止，也可以在注浆过程中按下停止按钮停止注浆。双液注浆操作面板见图3。

图3 双液注浆操作面板

2.5 二次补浆系统

在后配套10号拖车布置一套二次补浆系统，配置清洗罐，每环注浆数据都有记录并保存至上位机，数据可实时调出查看。注浆泵为柱塞泵，可在11号拖车的区域进行二次补浆作业，以满足掘进机最大掘进速度的快速连续掘进的要求。注浆泵参数：施维英双柱塞泵；排量10 m/h；压力4 MPa；管路2套。

二次注浆系统具有手工、自动两种操作方式。在手动模式下，首先根据所需二次注浆管片后的地质状况调整好注浆泵启动和停止压力(设定值)，B1、B2注入泵由控制板的按钮单独控制。泵的速度由比例控制起动装置的控制板增减按钮决定；开始注浆后如果管片背部注浆压力大于相应的设定值，相应的注入泵即停止工作，直至压力反馈小于启动压力设定值后再通过启动按钮重新启动。自动模式下，首先根据所需二次注浆管片后的地质状况调整好注浆泵启动和停止压力(设定值)，注浆泵的启动和停止由控制板自动控制，并且几组注浆泵的启动和停止是一致的。其起动装置和手动模式下相同，但如果是新开始注浆，注浆点必须手动打开，在工作时它可以通过调节注浆压力来自动开始和停止。开始注浆后如果管片背部注浆压力大于相应的设定值，相应的注入泵即停止工作，直至压力反馈小于启动压力设定值后将自动重新启动。

注浆泵的操作：自动模式下，只需在注浆屏上设定好参数后启动二次注浆系统泵，按下注入泵开/停按钮，过程由PLC自动控制。手动模式下，需要二次注浆时，启动二次注浆系统泵后按下相应注入泵的启动按钮，根据所需二次注浆管片的具体情况选择合适的注浆速度，逐渐调节注浆速度至选定值。不可快速改变速度设定，以免损伤系统。二次注浆泵操作面板见图4。

图4 二次补浆泵操作面板

2.6 壁后组合回填注浆总结

由于TBM大下坡掘进施工，为了确保壁后回填密实，防止注浆浆液流入TBM土仓，造成TBM土仓结泥饼等问题，经多方探讨，优化壁后回填注浆系统。首先在脱出盾尾管片背后回填豆砾石，保证下部豆砾石回填保满，提供隧道支撑力；然后盾尾后5～6环位置部分回填注浆，将隧道中心线以下部分注浆密实；接着在盾尾后8～10环位置每隔4～5环进行一次整环双液浆注入与封堵，防止后方管片背后地下水向土仓流，造成掘进喷涌；最后在盾尾后40～50环位置进行二次补浆，将管片背后空隙填充密实。用于壁后回填浆液全部在TBM拖车内拌合完成，提高了施工进度。此种壁后组合回填技术，即防止了同步浆液向土仓流，又保证壁后回填密实，并确保TBM施工正常进行，经实践应用，效果良好。

3 注浆系统维修与保养

本系统工作条件恶劣，在做到正确操作的同时，更要注意平时的维护和保养。

(1)豆砾石泵结束每个工作段后对机器进行清洗，重点清洗物料输送相关的部件，具体包括：料斗、转子腔室、出料口等。

(2)每日清理罐体吊机行走轨道上的杂物、泥浆等，每周对行走小车传动链条表面均匀涂抹EP2润滑脂。

(3)每月检查控制盒按钮、开关动作是否灵活正常，必要时检修或更换。

(4)每周检查罐体起吊装置的磨损情况，对起吊装置上滑轮、导向轮油杯注入适量EP2润滑脂，挤出见新油，必要时对相关零部件进行修理和更换。

(5)在减速机投入运行达100 h后，需更换减速机、驱动箱内ISOVG220润滑油，约22.5 L。

(6)减速机正常运行后，每运行2000～2500 h，ISOVG220齿轮油需换油一次，约22.5 L。

(7)每周检查罐体搅拌轴搅拌工况，对轴端总成轴承注EP2润滑脂，挤出见新油。

4 结束语

了解和掌握设备的运行和操作原理是维护好设备发挥设备最大功效的必要基础，先进的控制技术和制造加工技术，提高了设备的可靠性和操作性，同时也让我们的机械化施工程度越来越高。TBM壁后组合回填技术可应用于大下坡TBM注浆回填项目，对全国TBM注浆回填有一定的指导作用。

2016-10-31

牛秀宝(1984- )，男，陕西西安人，工程师，主要从事盾构(TBM)隧道掘进工作，中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东省深圳市盐田区九号小区中铁大厦，Tel:18792779967，E-mail:aikesqiyao@163.com。

TD263

A

1009-282X(2017)01-0043-04