1 引 言
城市地铁双护盾TBM采用预制钢筋混凝土管片作为隧道一次成型的衬砌，通过向管片壁后吹填豆砾石后再注浆的工艺完成围岩与管片之间开挖间隙的回填。回填的效果往往会影响管片成型的质量，回填不合理造成管片错台、渗漏水等问题在工程中时有发生。特别地，在富水断裂带地层中，TBM掘进往往面临着止水困难、围岩支护效果不佳等问题，因此，提出合理的回填工艺方案既可以保证豆砾石吹填的均匀性，又可以使注浆时机提前，对隧道管片结构的稳定具有重要作用。
众多学者对盾构开挖间隙回填和管片结构稳定开展了较多研究。在豆砾石回填和注浆施工工艺方面，张金良等以某双护盾TBM施工的引水隧洞为工程依托，归纳总结了豆砾石回填灌浆层中常见的缺陷类型及其分布规律，针对不同缺陷类型在不同工程条件下对管片应力及位移产生的影响进行了系统的模拟分析。汪旭等应用地质雷达技术对管片壁后注浆体的回填质量进行了探测研究，得出了频率与探测深度的分辨率选择标准，使物探技术在TBM隧道的探测应用得到了更进一步发展。吴圣智等设计了围岩-回填层-管片的模型试验装置，分析了围岩压力、回填体质量对管片结构受力和变形的影响，并对深埋和浅埋隧道TBM施工分别提出了合理的工程施工建议。姜志毅等基于厚壁圆筒弹性应变理论推导了管片与回填体支护理论计算公式，定义了回填体的理论计算指标，最后结合实际工程对理论计算结果进行了验证。在TBM施工阶段管片结构稳定性方面，郑卫琴等采用有限元计算软件ANSYS和有限差分计算软件FLAC对TBM下穿对既有管片受力和变形规律进行了分析，提出了合理的监测方案和控制措施。邹晋华建立了有限元数值计算模型，给出了管片错峰拼装接头刚度折减系数的建议值。陈炜韬等结合TBM实际的施工过程，以多雄拉隧道为工程背景研究了管片在TBM正常掘进、脱困、管片拼装工况下的开裂情况。
尽管目前已有研究在管片结构的受力过程、回填体的质量选用标准、检测技术等方面开展了较为丰富的工作，然而，这些研究并没有从工程技术角度来解决施工过程中面临的豆砾石吹填不均匀、注浆不及时等实际问题，特别是针对富水断裂带地层来说，传统豆砾石吹填后注浆的工艺无法同时做到及时止水并提前稳定管片结构。鉴于此，本文以青岛地铁6号线朝阳山CBD站—华山一路站TBM区间为工程背景，提出一套豆砾石吹填与同步注浆的施工工艺，保障隧道结构的稳定，提高施工效率，节约施工成本，以期为后续相关工程施工和工艺推广提供参考。
2 工程概况
朝阳山CBD站—华山一路站区间（以下简称朝-华区间）为双洞双线隧道，采用2台由中船重工生产的开挖直径为6.3m的双护盾TBM施工，隧道右线全长635.7 m，左线全长687.803 m。TBM在朝阳山CBD站始发井始发，掘进至华山一路站接收。区间隧道埋深26~43m，线间距为8~11m。掘进段全程上坡，最大坡度为15‰。TBM全线主要穿越微风化花岗岩和微风化辉绿岩地层，微风化花岗岩单轴抗压强度为34~70MPa，岩体完整性系数RQD=17%~87%；微风化辉绿岩单轴抗压强度为48~51MPa，RQD=22%~90%，地质剖面如图1所示。地勘结果显示在隧道30~60环位置有1条倾角为70°~80°的断裂带，断裂带影响范围在41~51m。在富水地层断裂带位置掘进，既需要保证隧道止水效果，又要考虑围岩的及时支护和管片稳定问题。
图1 朝-华区间TBM隧道地质剖面图
区间隧道采用开挖直径为6.3m的双护盾TBM施工，圆形预制钢筋混凝土管片衬砌，管片内径5400mm、外径6000mm、厚度为300mm、环宽1.5m。管片壁后采用豆砾石吹填与注浆的方式回填，豆砾石来源于青岛地铁隧道施工开挖后的石渣，经筛选工艺处理后再次应用到地铁施工中，现场采用的豆砾石材料指标见表1，其技术指标均满足相关规范要求。
表1 现场采用的豆砾石指标
3 管片壁后回填注浆工艺流程
豆砾石吹填及注浆的总体过程如图2所示。首先，通过脱出盾尾第一环管片的预留孔进行豆砾石吹填，吹填的过程中及吹填后检查每个管片孔位的豆砾石是否吹填饱满；豆砾石吹填饱满后进行第一次注浆，注浆的同时观察盾尾及千斤顶位置是否漏浆；在TBM台车尾部进行二次补浆；隧道贯通后进行三次补浆。补浆量依据管片预留孔的钻孔取样结果而定。
图2 豆砾石吹填及注浆工艺流程
4 盾尾封堵设计
常规TBM豆砾石吹填后的注浆工作一般在管片脱出盾尾50~100环后进行，在富水断裂带地层掘进时，为了能够及时止水并稳定围岩，需要提前注浆以起到及时止水的效果和加固地层的效果。然而提前注浆势必会导致浆液流失，如果流窜至前方TBM盾壳，可能会导致盾壳抱死。因此，需要在TBM盾尾设计封堵装置来阻止浆液的流窜。
针对原TBM盾尾的结构型式，设计了一套盾尾封堵板装置，具体结构尺寸如图3所示，整套封堵板结构由内侧封堵板、外侧封堵板及连接螺栓组成。内侧封堵板与管片外壁接触，可以完全堵住盾尾与管片之间的间隙；外侧封堵板与围岩接触，可以堵住盾尾与围岩之间的开挖间隙。封堵板通过螺栓连接后直接焊接在TBM盾尾上，为了增强封堵板的密封效果，每块封堵板采用三层搭接方式，相邻封堵板间则采用重叠搭接的方式。封堵板采用65Mn材质耐磨弹簧钢[13]材料制成，具有良好的弹性、耐磨性。封堵板的作用一是可以挡住豆砾石，使管片脱出盾尾第一环即可吹填豆砾石，防止其被吹入隧道内影响TBM施工；二是可以阻挡浆液向盾壳内和盾壳外的间隙流窜。
图3 封堵板结构示意
5 豆砾石回填
5.1 豆砾石理论吹填量计算
以依托工程为例，TBM刀盘的开挖直径D1为6 300 mm，管片外径D2为6000mm，每环管片壁后的豆砾石理论填充体积可由式（1）计算：
V总=πb（D12-D22）/4 （1）
式中，b为管片的环宽，取1.5m。经计算，每环管片外壁与围岩的间隙体积V总=4.3m3。豆砾石通过管片的预留孔进行吹填，管片为错缝拼装，能吹填豆砾石的孔位每2环对称交错布置，最顶部的点位为1点、11点，如图4所示。理论上每环1~11点空间的体积V可由式（2）计算：
V=kV总 （2）
其中，k为1~11点空间占总空间的比率，取值为k=1-60°/360°=0.83，即V=3.57 m³。考虑到管片在刚脱出盾尾时会发生小部分沉降，实际上每环的填充体积在3.5m3左右。
图4 错缝拼装的两类管片预留孔点位
5.2 豆砾石吹填流程
豆砾石吹填的工艺流程分为4步。
（1）管片脱出盾尾第一环时，立即对该环管片底部4、7点或5、8点范围吹填。
（2）第一步吹填完成后，对脱出盾尾第二环管片腰部的3、10点或2、9点范围吹填。
（3）第二步吹填完成后，对脱出盾尾第三环管片顶部1、11点吹填。
（4）上述三步吹填在掘进1环管片期间完成，每环管片脱出盾尾后循环上述三步，确保管片壁后豆砾石填充饱满。
采用吹填压力、吹填时间、吹填量3个指标对豆砾石吹填过程进行控制，确保吹填饱满。
（1）吹填压力控制：吹填初始压力在0.22~0.24MPa，终止压力在0.44~0.46MPa。
（2）吹填时间控制：第一步吹填时间控制在6min/孔，第二、三步吹填时间控制在9min/孔。
（3）吹填量控制：掘进1环，吹填1罐豆砾石，1罐豆砾石约4m3，尽量保证每次豆砾石用尽，如豆砾石有剩余，需将剩余量和相应环数进行记录，如剩余量超过0.5m3，则需提前对该环灌双液浆填充。
6 管片壁后注浆
6.1 注浆材料配比试验
为了保证能够同步注浆，其浆液必须具备初凝时间短、流动性低、抗稀释能力强、结石率高等特点。显然，普通纯水泥浆无法满足上述要求。为此，需要进行现场配比试验，设计一种能够满足同步注浆的双浆液（A液为水泥基材料，B液为水玻璃）。首先，对于A液采用粉煤灰、普通硅酸盐水泥和水进行配比调制，以充分发挥粉煤灰与水泥基的细料反应，提高结石率，不同配比R（粉煤灰∶水泥∶水）的结石率S结果见表2，从表2中能够发现，当配比R=2.5∶1∶2时，其结石率能够达到95%。因此，在A液配比为粉煤灰∶水泥∶水=2.5∶1∶2的基础上开展新型注浆浆液的配比试验，具体配比及现场评估的性能指标分别见表3和表4。结果表明，配制的新型注浆浆液初凝时间短、抗水稀释强度较高、抗渗能力强，可用于断裂带区域注浆。
表2 不同配比A液的结石率
表3 新型注浆浆液配比
表4 新型注浆浆液的性能
6.2 注浆流程
6.2.1 同步注浆（一次注浆）
在TBM的6#台车位置设置注浆系统，如图5所示，包括双液注浆机、拌浆机、水泥堆放区、水玻璃桶等。通过管路布置，对脱出盾尾第2~3环管片进行洞内注浆。在注浆孔位置设置压力计，以实时监测注浆孔位置的浆液压力，通过调节注浆平台压力泵保证注浆孔的压力不得高于0.01MPa，实现“无压力注浆”，以避免漏浆现象的发生。注浆点位尽量在靠近隧道顶部的2~10点范围，且避开封顶块管片。
图5 注浆平台位置示意
6.2.2 二次补浆
在台车尾端搭设注浆平台，对脱出台车的管片进行二次补浆，补浆步骤为：
（1）采用钻孔方式，对台车内注浆效果进行检查，对注浆不饱满的地方进行补浆；
（2）对管片顶部1点、11点孔位进行补浆；（3）对渗漏水位置进行补浆。
二次补浆浆液为纯水泥浆，水灰比为0.8∶1，注浆压力在0.1~0.2 MPa。注浆过程中严格控制注浆压力，注浆压力控制在0.2MPa以内。由于二次补浆的浆液为纯水泥浆，凝结时间长、流动性好，为保证轨行水平运输安全及提高施工效率，在隧道内只搭设注浆平台用于注浆人员登高作业，在地面拌制好浆液用管路运输至注浆平台进行注浆。
6.2.3 三次补浆
由于纯水泥浆液具有泌水性，即使二次补浆回填饱满，待浆液凝固后，顶部也会形成一定空腔，故在隧道贯通后，对隧道进行全面排查，并对空腔位置进行补浆。三次补浆注浆流程与二次补浆一致。整个三次注浆的区域主要分布情况如图6所示。
图6 三次注浆位置示意
7 效果检查评定
7.1 现场应用效果
在朝-华区间右线30~60环的断裂带地层区域应用了新型回填工艺，豆砾石吹填后在盾尾位置检测11点位的豆砾石填充情况，发现其回填情况饱满。在二次补浆完成后，分别在管片3点、5点、8点和10点位置进行了回填体取样，其结石体质量饱满，基本不存在大孔隙和残碎颗粒。在采用该工艺施工过程中隧道没有出现大面积渗漏浆及漏水的情况，管片结构也较为稳定，整个工艺结束后，隧道管片基本无明显错台和渗漏水现象，隧道成型后结构面平整。
7.2 管片沉降情况
采用全站仪立尺法对朝-华区间右线25~35环管片沉降情况进行了测量，管片沉降结果如图7所示。第25~29环采用的是常规豆砾石吹填工艺，其管片沉降最大在-40mm左右；而第30~35环采用新型豆砾石吹填与同步注浆工艺，其管片上浮情况控制在+20mm以内，且相邻环的管片竖向位移差值不大，这表明采用新型工艺对管片位移及错台控制效果显著。
图7 试验段管片竖向位移结果
8 结 论
针对双护盾TBM在富水断裂带地层中掘进所面临的涌水、围岩稳定性差的问题，设计了适用于TBM盾尾的新型封堵板结构，提出了新型豆砾石吹填及注浆工艺，基于室内浆液材料配比试验，获得了由粉煤灰、水泥和水玻璃组成的新型双液浆，最后通过现场应用证明了该施工工艺的效果良好。具体结论如下：
（1）同步注浆浆液的A液采用粉煤灰∶水泥∶水=2.5∶1∶2的配比，其结石率可达到95%，而A液∶B液=1∶1时的双液浆初凝时间低至3min、泌水率≤1%、抗稀释强度高达2MPa，是适合TBM同步注浆的优质材料。
（2）采用“先底部、再中部、最后顶部”的三步吹填豆砾石方法，其管片壁后与围岩的间隙吹填效果饱满，回填结石体取样质量较佳。
（3）采用分三次注浆的流程，能够保证管片壁后间隙填充完整，基本无明显错台、渗漏水等现象，成型隧道结构稳定，管片竖向位移不超过20mm。
摘自《现代隧道技术》