双护盾TBM隧道施工防渗技术

马金光

(中铁十四局集团隧道工程有限公司 山东济南 250000)

1 工程概况

青岛地铁四号线04工区涵盖1个车站和5.5个区间。车站采用暗挖法施工，区间主要采用TBM施工，局部采用矿山法施工，线路总长约5 500 m，采用两台双护盾TBM施工。TBM区间隧道衬砌采用C50预制钢筋混凝土管片，衬砌环外径6.0 m，内径5.4 m，管片厚度0.3 m，环宽1.5 m。各区间地质复杂，围岩强度在Ⅱ～Ⅳ级不等，局部围岩稳定性较差，地下水类型主要为第四系孔隙水、弱承压水及基岩裂隙水(风化裂隙水及构造裂隙水)，局部富水性富。TBM区间隧道结构防水等级为二级，结构不允许漏水，结构表面可有少许湿渍。

本着百年工程的施工要求，隧道成形后在富水性富的地段其结构不允许漏水，后续在处理隧道内局部渗漏时不仅难度大，而且消耗大量人力财力[1]，所以前期防渗工作要到位。以青岛地铁四号线勘测地质及水文情况为背景[2]，对双护盾TBM隧道施工防渗工作展开研究。

2 隧道防渗措施

2.1 管片防渗

隧道成形管片防渗主要通过管片的自防水、相邻管片接缝处防水以及管片螺栓孔防水三个方面的工作做到整体防渗[3-4]。

(1)管片自防水

根据设计要求，该工程使用的管片采用防水混凝土强度等级为C50的预制钢筋混凝土管片，砼抗渗等级采用P12。管片使用混凝土条件如表1所示。

表1 混凝土技术条件

管片在拼装前不得有肉眼可见裂缝。管片在试用期间应满足强度、抗裂要求，最大裂缝宽度不得大于0.20 mm。对于潜在腐蚀性的地层使用的管片需要对其涂抹防腐涂层，保证管片不被腐蚀。

(2)管片接缝防水

管片拼装缝采用一道弹性密封垫和一道遇水膨胀胶条进行防水，每块管片对角粘有自粘性防水胶片，在管片缝隙位置粘贴防水垫片，来实现管片缝隙总体防渗[5]。

本工程采用的弹性密封垫是三元乙丙(EPDM)橡胶密封垫[6]，其由单一的多孔型三元乙丙橡胶与遇水膨胀橡胶复合而成，具有双重保险的密封止水功能，当管片之间产生一定的间隙和偏移时，其也能有效地确保密封止水作用。三元乙丙橡胶密封垫的指标如表2所示。

表2 三元乙丙橡胶密封垫指标

遇水膨胀胶条采用的是遇水膨胀橡胶止水条，其遇水后会逐渐膨胀，一方面可以堵塞可能存在的毛细孔隙，另一方面可以使其相邻管片接触更加紧密，从而产生较大的抗水压力，止水条遇水后形成不透水的可塑性胶体且具有一定的耐腐蚀性。遇水膨胀橡胶的指标如表3所示。

缝隙位置采用的防水垫片是丁腈软木橡胶板，其可使相邻管片接缝保持永久的弹性状态以及足够的承压能力，以适应隧道存在一定量的沉降以及长期处于蠕动状态而产生的接缝张开和错动，保证相邻管片接缝的防水效果[7]，不仅具有填接缝的作用，还能对局部应力起缓解作用，并且不含石棉属于环保型密封材料。丁腈软木橡胶板的指标如表4所示。

表3 遇水膨胀橡胶指标

表4 丁腈软木橡胶板指标

管片角部贴的自粘性防水胶片是自粘性橡胶薄板，其粘贴于管片的两个对角保证管片拼装后两个接触的角中间都有薄板，自粘性橡胶薄板可保持永久柔韧性、粘着性，能承受一定程度的位移，变形有良好的追随性[8]，极佳的防水密封性及抗化学腐蚀性使用方便，用量准确，减少浪费，性价比极优，不含任何溶剂，安全且环保等特点。自粘性橡胶薄板的指标如表5所示。管片接缝防水整体效果如图1所示。

图1 管片接缝防水整体效果

表5 自粘性橡胶薄板指标

(3)管片螺栓孔防水

该工程螺栓与螺栓孔之间采取遇水膨胀橡胶螺孔密封圈进行防水，通过对螺栓的拧紧，使密封圈受到挤压其能很好地填充在螺栓与孔壁之间封闭空间，从而达到防水的目的。遇水膨胀橡胶螺孔密封圈指标如表3所示。

2.2 豆砾石回填及壁后注浆

2.2.1 豆砾石回填

双护盾TBM在施工过程中引起的地层应力的损失，隧洞周围受扰动或受剪切破坏而形成的破碎岩再固结以及地下水的渗透，将导致周围围岩应力的重新分布。为了防止隧洞周围围岩发生变形，使衬砌好的管片与被开挖围岩形成共同受力的整体结构，减少管片在自重及内部荷载作用下的变形，需要在开挖过的隧洞和管片外径之间的环形空隙及时进行豆砾石回填以及必要的注浆[9]。

管片衬砌完毕推出尾盾后对管片底部进行回填豆砾石，对尾盾以后3环进行全环豆砾石回填，将管片外侧与围岩之间的空隙应回填密实。将豆砾石运至豆砾石泵，然后用高压风通过管片注浆孔吹入。

充填顺次按照先底部、次两侧、后顶部的顺序，避免吹填的豆砾石出现架空情况。

(1)起始环回填

本工程选用的豆砾石材料为粒径5～10 mm的碎石[10]，根据施工现场的实际情况调控，当衬砌好的首环管片露出盾尾时，从首环管片的0孔位进行管片底部的豆砾石吹填，量控为主，压力控制为辅。TBM掘进3～5环后，对管片两侧以及顶部进行豆砾石梯度回填。

(2)豆砾石回填

豆砾石回填是在起始环回填的基础上进行的，在衬砌好的管片脱离护盾后立即进行，管片外径与开挖围岩之间的空腔应充填密实，豆砾石底部回填坚持“推进完成一环必须回填完成一环”的原则进行。

①底部豆砾石回填

底部豆砾石回填是回填的关键部分。TBM推进过程中每环管片露出盾尾后从管片两侧的1-1′孔位进行吹填豆砾石，当吹填过程中操作人员感到管道内无豆砾石流动时停止豆砾石回填，取下喷头将1-1′孔位临时封堵。管片底部豆砾石回填如图2所示。

图2 管片底部充填豆粒石效果

②两侧拱豆砾石回填

在豆砾石吹填过程中为了防止产生偏压导致管片发生相应错台或损坏，必须自下而上进行回填，并且采用双机对称吹填。两侧拱豆砾石回填应滞后尾盾3环开始。具体方法:将吹填豆砾石喷头先、后装入两侧拱的3-3′孔位进行豆砾石吹填(见图2)，2-2′孔位作为观察孔。当吹填过程中操作人员感到管道内无豆砾石流动时停止吹填，取下喷头并将3-3′孔位临时进行封堵，完成一次两侧拱豆砾石的回填，可同步掘进、衬砌向前推进。管片两侧豆砾石回填效果如图3所示。

图3 管片两侧充填豆粒石效果

③顶部豆砾石回填

顶部豆砾石回填要在两侧拱豆砾石吹填部位滞后5环处进行。具体方法:将吹填豆砾石的喷头先、后装入顶部的注浆孔4-4′孔位吹填(见图4)，当吹填过程中操作人员感到管道内无豆砾石流动时停止吹填，将喷头取下对4-4′孔位进行临时封堵。然后将喷头安装在顶部5孔位进行豆砾石吹填，在吹填过程中喷头观察人员与豆砾石机操作人员要密切配合，尤其是豆砾石机操作人员要认真观察吹填情况，当操作人员感觉到管道内无豆砾石流动时停止吹填，将喷头取下并对5孔及时进行临时封堵，此过程完成了一次顶部豆砾回填。

图4 管片顶部豆砾石(碎石)充填效果

依次将1-1′，3-3′，4-4′，5孔吹填豆砾石，完成一个循环的豆砾石回填。

2.2.2 壁后注浆

豆砾石吹填完成后，进行壁后注浆，使管片外径与围岩之间空隙部分形成豆砾水泥结石。在注浆过程中应做到注满，严禁漏灌现象发生，必须达到一定的注浆压力后方可停止注浆。对注浆孔进行注浆时应结合注浆量、注浆压力综合而定，一般注浆量计算公式如式(1)所示。

式中，V浆是每环需要的注浆量；V空是每环管片外径与围岩之间的空隙体积。

已知本工程TBM推出的洞直径为D＝6.3 m，管片外径d＝6 m，管片宽h＝1.5 m，所以V空＝π(D2-d2)h4≈4.35 m3，将值代入式(1)中得到常规状态每环的注浆量在6.525～8.7 m3之间。

壁后注浆所用浆液有单液浆和双液浆两种。单液浆优点:材料来源比较丰富、结石体的强度高、抗渗性能好、价格相对低廉；缺点:其凝固时间长，容易沉淀析水、强度增长比较慢、结石率比较低，并容易流失造成浆液的浪费。而双液浆则克服了单液浆在凝固时间长且不能控制、结石率低方面的缺点，提高了水泥注浆在可控范围内快速凝结的效果，利用其快速凝固的特点形成止浆环注浆使单液浆注浆时在一定范围内进行[11]。本工程使用的单液浆与双液浆配比如表6所示。

表6 单液浆与双液浆配比

壁后注浆利用管片预留的注浆孔进行，按五环一周期向前推进，注浆顺序自下而上，两侧孔对称进行壁后注浆。注浆顺序如图5所示。

图5 注浆顺序示意

(1)首先进行止浆环注浆，刚开始同时对第1环和第5环注双液浆，然后对第2、3、4环注单液浆，后面依次推后五环注双液浆，中间部分单液浆注浆，当第n环前面注浆完成后对第n+5环进行双液浆注浆后对中间的四环进行单液浆注浆。

(2)单液浆和双液浆在注浆孔的顺序上一致，即打开高速制浆的放料阀，将搅拌均匀的浆液放入储浆罐，注浆工之间通过对讲机沟通。注浆时首先对0孔位进行注浆，然后依次2-2′孔位、3-3′孔位、4-4′孔位以及5孔位注浆，对0孔位、2-2′孔位、3-3′孔位和4-4′孔位注浆时注浆压力通常情况下控制在0.2～0.3 MPa，当注浆压力达到0.3 MPa时，继续注5 min后停止；对5孔位进行注浆时，注浆压力一般达到0.5 MPa后恒压10 min进浆不大于5 L时停止注浆，起到保压作用。

2.3 后续防水措施

注浆完成后对管片注浆孔及管片缝隙使用微膨胀水泥(硫铝酸盐超早强(微膨胀)水泥)封堵，其砂浆配比为1∶0.12∶1.2，即一包水泥(100 kg)用AEA膨胀剂12 kg，用细砂120 kg。

当管片有少许裂缝掉角问题时，使用801胶+水泥+堵漏王按照一定的配比进行修补，后用白水泥调色处理。

3 结束语

对青岛四号线双护盾TBM隧道施工过程中采用的管片防渗措施、豆砾石填充和壁后注浆以及后续微膨胀水泥封堵及裂缝掉角处理在目前施工过程中其防渗效果良好，为其余同地质施工提供有效的借鉴。