豆礫石回填與灌漿技術探索

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“豆礫石回填灌漿”是TBM法中采用的一項施工技術，在國內“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。隨著工程建設的發(fā)展，部份長隧洞工程必將選用全斷面掘進機施工，當地質條件復雜，巖石較軟而破碎時，必將選用全護盾式或雙護盾式掘進機施工，混凝土預制構體襯砌，必然要用豆礫石回填并灌漿固結，俗稱TBM法。為讓工程局人士對這一工程技術內含有些了解，這里將介紹豆礫石回填灌漿的應用范圍，豆礫石回填灌漿的施工工藝，豆礫石回填灌漿的質量影響因素和質量檢查方法。最后對豆礫石回填灌漿的一些個人淺見，以餮讀者。
    一、豆礫石回填灌漿的應用范圍
    豆礫石回填灌漿適用于隧洞很長，不便于采用鉆爆法施工，采用雙護盾式掘進機開挖，混凝土預制構件襯砌的工程。
    預制構件是在后護盾內由機械手安裝，構件外壁與護盾間有一定的空隙。護盾壁厚4-5cm，后護盾與圍巖壁間又有2～3cm間隙，因此，混凝土預制構件與圍巖壁間就形成了8～10cm的空間，這部份空間與洞內僅有幾個構件的吊裝孔相通，為了穩(wěn)定混凝土預制構件，將粒徑為5～10mm的豆礫石（碎石或卵石均可）用高壓風從吊裝孔噴入，填充混凝土預制構件與圍巖間的空間，然后進行灌漿，凝結豆礫石，使混凝土預制構件得到穩(wěn)定，同時傳遞山巖壓力或內水壓力，（對有壓隧洞）使混凝土預制構件，凝結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，目前我國還沒有規(guī)范為依據，也沒有成熟的經驗為借鑒，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，前者視為一個工序，后者視為兩個工序。
    回填灌漿的定義是前一工序施工后，余下的空間沒有任何介質，用另一種物質采用灌漿的方法去充填余下的空間。而掘進機開挖，混凝土預制構件襯砌后，構件外的空間首先為豆礫石填充，然后才用水泥漿固結，將松散的豆礫石凝結為整體，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，豆礫石灌漿應另行編寫規(guī)范來規(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工序進行，因此應稱為豆礫石回填與灌漿。
    混凝土預制構件在雙護盾式掘進機的后護盾內安裝好后，掘進機的輔助推力油缸就頂緊混凝土預制構件（雙護盾掘進機的前護盾，緊貼巖壁并隨掘進機開挖同時前進，其推力由在前護盾內的主推進油缸提供，主推進油缸的反力由設在后護盾前端的夾具盾——國內稱水平支撐，撐緊洞壁而產生的磨擦力平衡，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）。當一個行程掘進完后，在主推力油缸和輔助推力油缸的共同作用下，后護盾和夾具盾前移，混凝土預制構件離開后護盾，后面與已回填了豆礫石的預制構件通過連接桿相連接，前面與尚在護盾內的混凝土預制構件也通過連接桿相連接，構件底部懸空，此時就立即回填豆礫石，以支撐混凝土預制構件，同時由下而上回填側面和頂部空間的豆礫石，使混凝土預制構件得到穩(wěn)定，當預制構件安裝了一定長度后（視機型和結構而定），先對底部豆礫石進行灌漿，一般長度是8～12米。如長度大于預留空間，底部未灌漿的混凝土預制構件將被掘進機的后配套遮蔽，不能灌漿，需待后配套設備過完后才能灌漿。側邊和頂部視混凝土預制構件的止?jié){效果和隨機灌漿設備的能力而實施灌漿范圍，如果止?jié){效果差，對側邊進行灌漿，漏漿有可能淹沒后配套下面的軼道而造成跳道事故。如灌漿能力不強，在后配套設備的后面只能先灌側邊，頂部留到開挖完后或停機時再進行補灌，這樣對灌漿質量將有一定影響。
    底部灌漿時，距后護盾很遠，而后護盾邊緣沒有設置止?jié){環(huán)，因此壓力不能過大，一般是以下漿量控制，即計算好需漿量，灌完即停，故底部灌漿常不很密實，這是值得探討的問題。
    豆礫石灌漿沒有分段，也沒有設置隔離環(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，因而會出現密度小處漿滿，密度大的區(qū)域疏松的現象。
    三、豆礫石灌漿質量的影響因素和檢查方法
    豆礫石回填與灌漿質量的影響因素很多，分述如下：
    1、掘進機施工的影響
    掘進機開挖隧洞是利用刀盤上按一定坐標位置和軌距排列的盤形滾刀在刀盤的帶動下，隨著刀盤公轉，滾刀本身又自轉，借助主推進油缸強大的推力，在巖面上滾動的同時楔入巖石。楔入深度叫切深。當切深達到一定深度時，楔入過程中所積蓄的能量突然釋放使巖石崩落從而達到破巖的目的。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粒或粉狀，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備鏟走落在洞底，掘進機前進時，前護盾將小石片碾成粉末，因此底部巖粉較厚，有時達2～3厘米，如地下水較豐富時，周邊巖粉也會集中到底部，此時底部巖粉更厚，甚至充滿底部空間，地下水少時，周邊也有3～5毫米厚的巖粉?；炷令A制構件離開后護盾后下沉，底部間隙很小，豆礫石不易進入，底部填不滿。由于上述原因，嚴重影響底部的灌漿質量。根據已建工程鉆孔檢查，底部均有巖粉，有時無一粒豆礫石，僅有純水泥漿或巖粉的混合物。當地下水較豐富時，巖粉成漿糊狀或沉積成巖粉塊，或與少量豆礫石凝結，水泥漿液不能滲入，因此隧洞底部灌漿質量大部份較差。側邊巖壁因有巖粉，灌漿層不能與圍巖粘接。
    頂部的情況比較復雜：
    巖石上附有巖粉，不如底部多，也不會凝結，但頂部豆礫石填不滿，形成自由空間，由于掘進機開挖速度很快，平均日進尺約40米（對直徑4～6米的掘進機而言，大斷面掘進機較慢）混凝土預制構件安裝、豆礫石回填也以相同的速度前進，速度快時，日進尺可達60～80米。而灌漿不僅受到設備的限制，還受到灌漿材料供給的影響，因此，頂部一般都是開挖后很久才補灌漿。
    頂部雖然巖粉較少，但因長時間沒有灌漿，在運輸機械的振動下，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，灌漿時就出現一個夾層帶或漿液滲不到豆礫石內，形成隔離層上是純水泥漿結塊，隔離層下豆礫石疏松，已建的某工程，多次出現上述情況。而疏松層又成封閉狀態(tài)，實踐證明，補灌漿很難填滿疏松的豆礫石的空間。
    當圍巖較破碎時，已開挖的洞段由于機械運行的振動，部份疏松石塊、石屑將掉在豆礫石面上或預制構件上，（因時間過長，豆礫石下沉頂部無豆礫石）因破碎圍巖強度很低，，水泥漿將破碎巖塊石屑凝結后，強度也很底，對隧洞的整體結構都有一定影響。由于頂部灌漿的滯后，還帶來其他一些影響豆礫石灌漿質量的因素。
    2、灌漿工藝的影響
    豆礫石灌漿是利用混凝土預制構件的吊裝孔進行，某工程是采用四塊相等的菱形管片，底頂和側面錯開半片安裝，邊底三片各有兩個吊裝孔，頂片除兩個吊裝孔外，間片的頂部正中位置有一個向前傾斜的頂部灌漿孔。底部是從底片兩側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。當漿液在后護盾處出現時即停止灌漿。漿液沒有壓力，不可能滲入巖粉，也不可能將石粉排除，因此底部質量不合格的比例較多。如在底部正中設一向前傾斜的灌漿孔，灌漿前用高壓風吹散巖粉，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。
    豆礫石灌漿應連續(xù)進行：由于是自泳灌漿，漿液是以滲透形式進入豆礫石，施灌時，液面較高，停灌后，漿液繼續(xù)滲透，液面下降，部份豆礫石成為無砂混凝土狀，漿液凝結后，繼后灌漿很難充滿豆礫石的空隙，因而形成無沙混凝土狀的疏松帶。
    灌漿壓力對質量也有影響：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旁也有壓力指示儀表，但因是與開挖同時進行，灌漿設備在隨機移動的后配套上，為適應設備移動的需要，管路很長，灌漿壓力只能把漿液輸入灌漿孔內。又因多工序同時進行，干擾很大，安裝孔口壓力表有困難。因此，灌漿設備的儀表的壓力只反映機械的壓力，而不反映孔口壓力，更不能反映豆礫石內的壓力。還由于漿液在豆礫石內是自由滲透，漿液進入豆礫石后，壓力成遞減狀態(tài)，漿液泳動末端壓力為零，因此要達到壓力穩(wěn)定一定的時間是十分困難的。
    3、灌漿材料供應和配比
    豆礫石灌漿材料—水泥，是由運碴設備一起運輸，洞內空間受到限制，不可能設置很大的容器，又因隧洞很長（有時達20余公里），不能專門配置運輸設備運輸灌漿材料，僅由運碴設備運入灌漿材料，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。
    配比對灌漿質量的影響也很大。豆礫石的粒徑很小，間隙較小，灌沙漿難在豆礫石中泳動，因此只有灌純泥漿。水泥的強度等級和配合比決定了豆礫石凝固體的強度。
    由于是自泳灌漿，漿液的泳動性和穩(wěn)定性是十分重要的指標，因此選擇適宜的配合比是十分重要的工作，需通過多次試驗確定。要求根據確定的配合比而拌制的漿液不分離沉淀，同時泳動性又最佳。實踐證明，泳動性好而易沉淀，較長時間不沉淀的配比泳動性又較差。部頒規(guī)范所定的配比級別是否符合豆礫石灌漿的要求，應通過試驗確定，必要時可將等級分小，如在1：1、0.8：1、0.6：1等中插入0.9：1、0.7：1等，同時摻入合適的外加劑和摻合料，使?jié){液的泳動性和穩(wěn)定性都達到最佳狀態(tài)（某工程用0.7：1）。
    4、豆礫石灌漿質量檢查方法
    某工程對豆礫石灌漿的指標提出三個要求，即填滿全部空間，鉆孔取芯在試驗室內進行抗壓和抗?jié)B透試驗，要求抗壓達到20N/mm2，抗?jié)B指標達到K≤1×10-5cm/s?？箟涸囼炐緲有韪鶕沟[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?？?jié)B試驗可用φ100的鉆頭取芯。檢查數量和部位應慎重確定。如某工程確定每100米取三個芯，邊、頂、底各一個都不足，而一個芯就代表該部位100米，其代表性很差，同時也應考慮掘進機施工的特殊情況，即隧洞長度大、速度快。如取芯過多，必然影響工期。用儀器掃描，成本又很高，目前尚無簡捷、易行、可靠的檢查方法。部份工程用壓水試驗檢查豆礫石灌漿的質量，也很難證明豆礫石灌漿質量的優(yōu)劣。因豆礫石層很薄，而且開挖隧洞和混凝土預制構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，則試驗的將是巖石的滲透性。打淺了，又是檢驗預制構件與豆礫石層接觸處的滲透性和預制構件接縫的滲漏性能了。對豆礫石灌漿的質量檢查的方法、數量等均需今后的實踐中探索。
    四、對豆礫回填和豆礫石灌漿的幾點意見
    1、豆礫石回填與豆礫石灌漿是雙護盾掘進機施工、混凝土預制構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)范中應明確清除巖粉的工藝、灌漿次序、允許停灌時間、質量檢查方法等內容。
    3、安裝孔的封堵：已建工程的安裝孔灌漿時是用塑料蓋粘于孔口上，側邊每隔二孔粘一個帶絲牙的蓋，接灌漿管。這種方法雖然簡單，方便操作，但不能保證工程表面平順光滑，同時塑料制品在自然環(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，后來又拆除，數十公里的隧洞，約45萬個孔蓋拆除，重新封堵，這是很大的工程量。因此，應考慮采用永久性的封堵塞。但應注意反拱或底部孔封堵后，灌漿時充填不滿的現象，特別是壓力隧洞更應引起足夠重視。
    4、關于混凝土預制構件安裝后接縫的止?jié){問題：混凝土預制構件安裝后，由于構件的生產誤差，拼接不嚴，有漏漿的可能，某工程為避免漏漿堵塞鐵道，就將側邊和頂部滯后到掘進機的后配套設備走完后才灌漿，質量很難保證。為了緊跟掘進和預制構件安裝灌漿，可在接縫處采取措施。一是設止水條。某工程采用復合止水條，但有時接縫太寬，止水條不嚴，漏漿淹沒鐵道，造成事故。二是為了補救止水條不嚴的不足?？捎诮涌p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“燕尾槽”（止水條應置于距迎水面3～5cm處），沙漿凝結后就不至脫落。拌制沙漿應摻粘接劑，使其收縮性小，與預制構件粘接牢固。燕尾槽的寬度以方便施工為度，內外寬度差不小于5毫米為宜。這樣就能保證隨掘進機構件安裝的同時，進行豆礫石灌漿。
    5、巖粉排除：前文已述及，掘進機施工巖粉很多，嚴重影響豆礫石灌漿的質量，排除巖粉是確保灌漿質量的重要措施之一，特別是底部更為必要。但由于后護盾的屏蔽，混凝土預制構件又是與后護盾搭接，安裝孔又很?。ㄈ缟轿饕S入晉工程的混凝土預制管片的安裝孔為φ80）無法使用機械清除。因此應在設計或定購掘進機時就要提出要求。個人意見，一是在后護盾的底部，預制構件安裝位置的前面開底窗，側面開小孔，先用風吹頂部和側面，從底窗清除巖粉，二是噴填豆礫石前對已安裝構件的底部用風吹，將巖粉分散，也可于底部灌漿前用風吹，分散巖粉或泥漿，使底部灌漿質量得到保證。
    五、結語
    豆礫石回填和豆礫石灌漿是長隧洞工程，采用護盾式掘進機施工，混凝土預制構件襯砌后的兩道工序，在我國尚屬新技術、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承包商施工，許多研究和試驗工作不便進行，希同仁志士在有條件的時候進行研究、試驗，以補我國長隧洞施工技術的空白，并在灌漿規(guī)范中增寫上“豆礫石回填與灌漿”這一章。