双护盾TBM 隧洞同孔一次灌浆试验研究

王志强，李国超，魏 杰，毛宗杰，杨风威，娄国川

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003）

作为重要的水工建筑物，水工隧洞尤其是有压隧洞能否长期安全稳定运行，往往取决于隧洞围岩的整体性和抗变形能力。为了提高围岩的整体性和抗变形能力，增强围岩抗渗性和长期渗透稳定性，通过灌浆封闭隧洞围岩裂隙，使其成为隧洞承载和防渗阻水的主要结构[1-3]。对于双护盾TBM施工隧洞而言，因其开挖工艺的特殊性，在管片衬砌的基础上，需要进行豆砾石回填灌浆以充填管片与围岩间隙[4-6]，回填灌浆结束并充分干缩后，对管片与豆砾石、豆砾石与围岩间隙进行全断面接触灌浆[7-8]，接触灌浆完成之后进行隧洞固结灌浆。通过以上3种不同的灌浆技术措施，使管片衬砌结构、豆砾石回填层、围岩成为受力整体，提高双护盾TBM施工隧洞围岩的抗变形能力。

双护盾TBM施工隧洞的开挖、衬砌与接触、固结灌浆等施工均需紧密衔接，但受成洞直径的限制，开挖、衬砌与接触、固结灌浆往往无法同步实施，严重影响了TBM施工效率。兰州市水源地建设工程TBM输水主洞直径4.6 m，属小断面地下洞室[9]，这种影响效应尤为突出。工程施工过程中曾设想通过增加工作面平行作业来缩短工期，但经过分析，每增加1个工作面，设备、材料及人员等各项投入至少增加9%，增加工程成本，且各工作面相互干扰[10]。

鉴于上述情况，结合兰州市水源地建设工程双护盾TBM灌浆施工，开展接触灌浆、固结灌浆分开施工与同孔一次施工对比试验研究，通过注浆量、灌浆质量、施工效率等方面对比分析，研究同孔一次灌浆的施工工艺、质量控制及灌浆效果，为双护盾TBM高效灌浆施工提供技术支撑。

1 灌浆试验设计

1.1 工程概况

兰州市水源地建设工程以刘家峡水库作为引水水源向兰州市供水。输水隧洞主洞全长31 km，为压力引水隧洞，以倒虹吸方式穿越洮河。输水主洞施工以双护盾TBM为主辅以钻爆法施工。TBM施工洞段长24 km，采用管片衬砌，隧洞内径 4.60 m，开挖洞径5.48 m。

为使豆砾石回填灌浆结石充分干缩，保证管片衬砌与围岩之间紧密接触，豆砾石回填灌浆结束45 d后，利用管片安装（灌浆）孔对管片与豆砾石、豆砾石与围岩间隙进行全断面接触灌浆。固结灌浆宜在接触灌浆结束7 d后进行，用管片安装（灌浆）孔对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩段进行全断面固结灌浆。

为确保TBM掘进期间洞内施工交通，前期仅能进行豆砾石回填灌浆施工，接触、固结灌浆需待TBM段隧洞贯通后进行。若在TBM隧洞段全线贯通后，再进行接触、固结灌浆，将产生接触、固结灌浆工序转换时差7 d且施工过程中两种灌浆施工存在相互干扰的现象，势必影响项目总工期。为优化灌浆施工组织，提高灌浆效率，开展接触、固结灌浆同孔一次施工试验研究。

1.2 试验区工程地质条件

试验选取豆砾石回填灌浆施工已完成且质量检测合格的两个试验区，分别包含地质条件相近的Ⅲ、Ⅳ类围岩等长洞段，试验区工程地质条件见表1。

表1 试验区工程地质条件

1.3 试验布置及布孔型式

两试验区均布设192个灌浆孔，施工环分两序，Ⅰ序孔80个孔、Ⅱ序孔112个孔；另布置抬动观测孔1个。

接触及固结灌浆孔设计参数见表2。Ⅰ、Ⅱ序灌浆孔布置见图1。

表2 灌浆孔设计参数

2 灌浆试验

2.1 钻孔及简易压水试验

图1 Ⅰ（Ⅱ）序孔环断面

灌浆钻孔使用液压钻机，孔径为56 mm，开孔孔位与管片预留孔中心对齐。钻孔完成后，进行钻孔冲洗，将钻具提离孔底10～20 cm，采用大流量清水敞开孔口进行冲洗，直至回清水为止。在孔壁冲洗完成后，采用压力水进行脉动冲洗，冲洗压力为该灌浆段灌浆压力的80%，若大于1 MPa，则采用1 MPa[2]。脉动冲洗直至回清水持续10 min后，进行简易压水，压水压力为该灌浆段灌浆压力的80%，若大于1 MPa，则采用1 MPa，压水时间不小于20 min。

2.2 灌浆试验工艺

在每个试验区各取连续24 m范围采取以下两种工艺进行灌浆：

试验工艺一（接触、固结灌浆分开施工）：施工准备→抬动观测孔钻孔安装→Ⅰ序孔接触灌浆→封孔→固结灌浆→封孔→Ⅱ序孔接触灌浆→封孔→固结灌浆→封孔。

试验工艺二（接触、固结灌浆同孔一次施工）：施工准备→抬动观测孔钻孔安装→Ⅰ序孔固结灌浆与接触灌浆同孔一次施工→封孔→Ⅱ序孔固结灌浆与接触灌浆同孔一次施工→封孔。

固结灌浆试验的浆液浓度由稀到浓逐级变换，水灰比采用3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.5 ∶1四个比级，浆液变换原则遵循《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL 62—2014）[11]。接触灌浆采用水灰比为0.5∶1的浆液灌注。

灌浆压力应尽快达到设计值，注入率大的孔段采用分级升压方式逐级升压至设计压力。具体操作时以压水试验为基础，按每0.1 MPa为一级，逐级升压至设计压力。

灌浆压力达到规定值，灌浆段吸浆量小于或等于1 L/min，延续30 min即可结束固结灌浆。

2.3 抬动孔观测

抬动观测孔深度大于相应部位固结灌浆孔深度2.0 m，孔径采用76 mm。安装抬动观测装置，内管采用φ25 mm钢管、外管采用φ50 mm钢管作为护管，所有钢管的连接全部采用丝扣连接。抬动观测装置内外管离地面20 cm以上，方便抬动观测，并避免水泥浆液被冲进抬动观测孔。抬动观测装置在灌浆作业前完成安装、调试工作。

设有抬动观测装置的部位，其周边灌浆孔段在裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中均进行观测，并采用千分表进行观测记录。使用期间，对抬动观测装置进行有效的防护，避免出现碰撞、震动现象，影响测试精度。抬动观测装置结构见图2。

图2 抬动观测装置示意

3 灌浆试验结果分析

3.1 灌前透水率及单位长度注灰量分析

因接触灌浆主要在豆砾石与围岩及管片之间缝隙进行，暂不考虑其对围岩的固结灌浆影响，则各试验部位固结灌浆灌前平均透水率和水泥单位长度注灰量见表3。

表3 固结灌浆结果

从以上结果分析可知：

试验一区（Ⅲ类围岩）：固结灌浆各次序孔递减规律明显，平均注灰量为3.41 kg/m，Ⅰ序孔单位长度注灰量4.48 kg/m，Ⅱ序孔单位长度注灰量2.33 kg/m，递减率为48.0%。由此可知，随着灌浆次序的增加灌前透水率及注灰量逐渐降低，其灌浆水泥单耗递减情况明显，符合分序加密的灌浆规律。

试验二区（Ⅳ类围岩）：固结灌浆各次序孔递减规律明显，平均注灰量为3.99 kg/m，Ⅰ序孔单位长度注灰量6.13 kg/m，Ⅱ序孔单位长度注灰量1.85 kg/m，递减率为69.8%。由此可知，随着灌浆次序的增加灌前透水率及注灰量逐渐降低，其灌浆水泥单耗递减情况明显，符合分序加密的灌浆规律。

为对比不同施工工艺下的灌浆效果，针对各试验部位注灰量进行统计，结果见表4。

表4 接触、固结灌浆试验综合结果

由以上灌浆试验结果可知：

（1）从固结灌浆平均单孔注灰量分析，接触、固结灌浆同孔一次施工略大于分开施工；

（2）从总的水泥用量分析，接触、固结灌浆同孔一次施工大于分开施工。

经分析，原因如下：固结和接触分开施工先进行0.5 MPa压力豆砾石层接触灌浆，然后进行1.0 MPa压力固结灌浆，而同孔一次灌浆施工用1.0 MPa进行接触及固结灌浆。因此，无论从单耗量及总耗量分析，固结与接触同孔一次施工均大于分开施工，更有利于保证接触、固结灌浆的施工质量。

3.2 接触、固结灌浆质量检查

灌浆试验完成后，利用管片安装孔，在每一试验区各取8个，共16个检查孔，同孔位进行接触及固结灌浆质量检查，综合结果见表5。其中，固结灌浆质量检查采用单点法压水，接触灌浆采用水灰比2∶1的水泥浆进行压浆试验。质量检查孔施工工艺：提供灌浆结果→监理人指定孔位→造孔取芯→固结灌浆单点法压水→灌封→接触灌浆压浆→灌封→人工封孔。

固结灌浆检查结果显示，16个检查孔透水率均小于1 Lu。依据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL62—2014）[11]相关要求，“85%以上试段的透水率不大于1 Lu。其余试段的透水率不超过设计规定值的150%，且分布不集中，即为合格”。因此检查孔压水试验结果表明各项指标均满足规范和设计要求，全部合格。

接触灌浆检查结果显示，16个检查孔压浆均小于10 L，依据该工程相关设计要求，“向检查孔内注入水灰比为2的水泥浆，初始10 min内注入浆量不大于10 L为合格”。因此检查孔压浆试验各项指标均满足规范和设计要求，全部合格。

表5 接触、固结灌浆质量检查综合结果

3.3 抬动变形观测

灌浆试验施工过程中，安排专人严密监视抬动装置千分表的变化情况，针对每区段两种工艺各选取4组抬动观测值进行统计分析，结果见表6。

表6 抬动观测记录

由以上抬动观测值分析可知：本次试验过程中，无论接触、固结灌浆同孔一次施工还是分开施工时的抬动变形量均未超过规范中200 μm的允许值[11]，符合施工安全要求。接触、固结灌浆同孔一次施工略大于分开施工时的抬动变形量，但亦未超过规范允许值，这说明同孔一次施工对管片衬砌结构的抬动影响不大。

3.4 施工功效对比

因为接触、固结灌浆无论分开还是同孔一次施工，均在同一孔位进行，所以在进行灌浆施工功效分析时，仅对单序单孔施工功效分析即可。

根据前述两种施工工艺的施工控制流程，单序单孔接触、固结灌浆分开施工总时间为

式中：Tf为接触、固结灌浆分开施工总耗时，h；Tj为接触灌浆单孔耗时（含钻孔、灌浆、封孔），h；Tg为固结灌浆单孔耗时（含钻孔、灌浆、封孔），h；168为接触、固结灌浆工序转换时差。

单序单孔接触、固结灌浆同孔一次施工总时间为

式中：Tt为接触、固结灌浆同孔一次施工总耗时；Tg为固结灌浆单孔耗时（含钻孔、冲洗、灌浆、封孔）。

联立式（1）和式（2），则两种不同工艺单序单孔施工耗时时差为

式中：ΔT为两种不同工艺单序单孔施工耗时时差，h。

根据本次灌浆试验统计数据，接触灌浆（含钻孔、灌浆、封孔）单孔平均耗时2 h，则单序单孔接触、固结灌浆同孔一次与分开施工相比，可提前170 h施工完成。兰州市水源地建设工程输水主洞TBM控制段全长24.6 km，平均每1.5 m洞段布置6个灌浆孔，总孔数达98 360个，当采用接触、固结灌浆同孔一次施工时，工期效益将更为可观。

4 结 语

结合兰州市水源地建设工程双护盾TBM隧洞灌浆施工，开展了接触、固结灌浆同孔一次施工试验研究。通过灌浆试验，验证了在进行同孔一次接触、固结灌浆施工时，其接触及固结灌浆施工质量均能满足设计要求，且灌浆过程中未发生管片衬砌结构的抬动变形破坏。该施工工艺简单，施工便捷，能有效解决原灌浆设计方案接触、固结灌浆分开施工时长达170 h的施工耗时时差且相互干扰等相关问题，有助于加快工程建设速度，带来巨大的工期效益，可在管片衬砌条件下的双护盾TBM隧洞灌浆工程中推广应用。