轨道交通单护盾TBM碎石吹填灌浆工艺研究与实践

葸振东，孙鹤明，李佳坤，张志伟，彭朝阳

(1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102； 2.重庆文理学院 建筑工程学院，重庆 402160)

轨道交通单护盾TBM碎石吹填灌浆工艺研究与实践

葸振东1，孙鹤明1，李佳坤2，张志伟1，彭朝阳1

(1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102； 2.重庆文理学院 建筑工程学院，重庆 402160)

依托重庆轨道交通环线一期上桥车站、凤鸣山车站及区间隧道工程，创新性地提出了单护盾TBM碎石吹填灌浆工艺。通过PFC3D颗粒流模拟碎石吹填试验过程，室内试验确定单双浆液配，并进行现场调试试验，得出了城市轨道交通单护盾TBM碎石吹填工艺。该工艺成功应用于重庆轨道交通环线一期上桥车站、凤鸣山车站及区间隧道工程6 724 m的掘进，证明了轨道交通单护盾TBM碎石吹填灌浆工艺的可行性。该工艺可供类似TBM项目推广应用和参考。

隧道工程；轨道交通；单护盾TBM；碎石吹填灌浆工艺

0 引 言

目前我国隧道及地下工程建设已步入繁荣[1]，盾构法广泛用于地铁隧道的修建，根据城市地质情况以及隧道结构形式，可采用不同的全断面盾构掘进设备，如单护盾TBM、双护盾TBM、异型断面盾构等[2]。在发达国家，TBM已成为修建隧道的主要工具。20世纪80年代，我国水电工程、铁路隧道工程开始引入TBM，我国第一条TBM隧道是1985年修建的广西天生桥水电站引水隧洞。其后，在引大入秦、引黄入晋和大伙房水库等隧洞施工中也采用了TBM[3]。重庆轨道交通六号线一期五里店—山羊沟水库敞开段节点工程首次采用开敞式TBM，并对重庆轨道交通地下区间隧道工程采用全断面硬岩掘进机的可行性进行了充分验证[4-6]。

水利工程引大入秦、引黄入晋隧道均采用豆砾石吹填灌浆工艺填充超挖间隙，并对豆砾石回填灌浆检验标准、质量控制、施工工艺等方面进行了工程实践研究[7-10]。城市地铁工程重庆轨道交通六号线二期铜锣山隧道工程也采用了复合式TBM结合豆砾石吹填灌浆工艺[11]；通过对已有参考文献分析得出，前人研究工作中粗骨料多采用豆砾石，豆砾石为流动性好的无棱角鹅卵石；其次重庆轨道交通环线上桥车站、凤鸣山车站及区间隧道工程采用了碎石吹填灌浆工艺，本工艺出于提升吹填灌浆体嵌锁咬合和抗剪切强度考虑，采用有棱角颗粒石材为主的碎石作为填充粗骨料。

笔者围绕重庆轨道交通环线上桥车站、凤鸣山车站及区间隧道工程实践需求，针对双模式单护盾TBM掘进设备特点和重庆岩质情况开展具体分析研究，对吹填碎石和水泥净浆填充材料进行了优化设计，提出了一套完整的适用于轨道交通类似TBM施工的碎石吹填灌浆施工工艺。

1 工程概况

重庆轨道交通环线区间隧道采用单护盾TBM+钻爆法进行施工，隧道横断面型式为圆形，开挖直径6 880 mm，衬砌厚度350 mm，管片内径5 900 mm、外径6 600 mm，管片壁后超挖间隙理论值为140 mm。

管片形式由3片标准块(B)+2片连接块(L)+1片封顶块(F)组成；断面结构形式与碎石吹填灌浆示意见图1。依据重庆轨道交通环线地质情况，本项目采用双模式单护盾TBM，也就是既能在敞开模式或欠压模式下掘进，也能在保压(土压平衡)模式下掘进，在敞开或欠压模式下采用皮带出渣，在土压平衡模式下采用螺旋输送机出渣，设备概况如图2。

图1 结构断面示意Fig.1 Schematic diagram of cross-section

图2 设备示意Fig.2 Equipment sketch

2 模拟试验及碎石参数确定

2.1 PFC3D颗粒流模拟碎石吹填试验过程

利用PFC3D建立5环管片，在中间环管片不同位置即拱底、拱腰、拱顶进行模拟吹填碎石，观察碎石的分布情况，按1∶1建模，管片外环半径3.3 m，围岩半径3.44 m，碎石的粒径取5～10 mm；通过给予粒子一个初速度来模拟喷头的压力。PFC3D模拟的材料参数见表1，吹填思路见表2。各吹填思路的模拟结果见图3～图6。分析模拟发现由于隧道半径偏大，碎石流动距离过长，注浆孔之间碎石填充较少，在时间和工艺条件允许的情况下建议对所有注浆孔进行吹填。由图3～图6可见：①碎石自由降落明显；②较为合理的吹填顺序为先吹填拱顶孔洞；③吹填压力由模拟过程中给予颗粒初速度转换而得，为0.3 MPa；④吹填时间可在管片脱离盾尾两环。

表1 PFC3D模拟的材料参数

表2 碎石吹填模拟思路

图3 思路1模拟结果Fig.3 Simulation results of idea 1

图4 思路2模拟结果Fig.4 Simulation results of idea 2

图5 思路3模拟结果Fig.5 Simulation results of idea 3

图6 思路4模拟结果Fig.6 Simulation results of idea 4

2.2 碎石参数确定

TBM豆砾石设备吹填管长22 m，含水量大时易堵管、含水量小时粉尘大不利于工人操作，所以选取按含水量以0.5%递增做坍落试验，在相同体积下，从30 cm高处自由落下，查看坍落高度，并对碎石的密度、空隙率及含水率进行试验选取，确定5～10 mm碎石最佳含水率为0.5%～1.0%，堆积密度1.5 kg/m3，紧装空隙率为40%。

3 室内试验确定单双浆液配比

3.1 单浆液配比

按照设计图纸建议，选择浆液水灰比在0.6∶1～1∶1范围内，采用相同体积下不同配合比参数进行注浆，查看注浆后的空隙填充情况，过程和结果如图7[12]。

图7 配比试验过程Fig.7 Ratio during the test

由图7可见，0.6∶1无压力注浆下，浆液未注完且底部基本无浆液，相同条件下0.8∶1与1∶1浆液注完且基本饱满，只是1∶1条件下封口面无浆液。根据以上试验可以确定使用水灰比为0.8∶1的情况下，碎石空隙注浆基本注满。为了更好的控制质量，减少后期漏水风险，选用水灰比为0.7∶1为施工配合比，在相同条件下进行验证试验，结果如图8。

图8 水灰比0.7试验结果Fig.8 Test results of cement ratio at 0.7

3.2 双液浆配比

由于水泥净浆和水玻璃双液浆具有凝结时间更短、短期和长期强度均比较大、固结后体积安定性好、泵送时材料分离度小等特点[13]，将水泥净浆(水灰0.7∶1)与不同掺量水玻璃组合进行凝结时间测定，试验得出水泥浆∶水玻璃=1∶1时，初凝时间、终凝时间最满足设备要求，确定其为最佳施工配合比[12]。

4 现场调试试验及工艺确定

4.1 碎石吹填试验

4.1.1 初始吹填试验

结合模拟试验结果制定吹填方案，首先确定吹填时间在脱离盾尾两环的管片开始吹填，吹填顺序为直接吹填拱顶两侧，吹填压力0.3 MPa，要求当每孔吹填压力突然增大至0.5 MPa时停止吹填，即视为此孔吹填饱满；方案实施后开孔发现拱腰处存在少许碎石，通过雷达扫描检测发现拱底并无碎石迹象；针对问题采取补吹措施，结果表明对拱底补吹时堵管严重，对拱腰补吹底部依然只能发现少许碎石，同时存在管片错台严重不符合GB 50446—2008《盾构法隧道施工与验收规范》要求的问题。针对问题借鉴学习铜锣山隧道、万家寨引黄工程等采用的豆砾石回填施工，分析发现以上工程均坚持管片脱离一环立即吹填一环的原则，从底部开始由下至上对称回填[8-11]。

4.1.2 对初始吹填方案的优化调整

通过分析对模拟方案进行调整，从吹填设备、吹填时间、吹填压力、吹填顺序等各方面进行调整，最后改进方案为：①最优吹填时间为管片脱离盾尾1.2 m；②最优吹填压力控制在0.2～0.4 MPa；③吹填顺序为先吹填拱腰，紧跟着吹填拱顶，拱底采取每隔10环进行一次开孔检查并进行补吹的措施。

4.2 灌浆试验

4.2.1 灌浆方案分析

[8-10]对水利工程采用灌浆技术进行一定研究，依据设备及岩层性质的不同相应灌浆方案存在一定差异，灌浆顺序大致为由底部到拱腰最后拱顶，要求严格控制分层分段，形成梯度并对称灌注，确定一段范围为灌注段，在灌注段内形成如同楼梯踏步式灌注。

在城市地铁领域，轨道交通六号线二期铜锣山隧道工程同样采用豆砾石吹填灌浆，其灌浆方案为：在管片脱出盾尾3环后由拱底90°范围开始，其次是两侧，最后是拱顶，形成梯度进行灌注，每个孔位的灌注控制距离均保持50 m，保持坡面均匀向前推进，压力控制在1.5 MPa为上限[11]。在重庆主城地区岩层主要以砂岩、泥岩、砂质泥岩及其互层地层，岩石硬度为软岩～较坚硬岩[5]，文献[14-16]针对盾构在全断面硬岩地层中同步注浆引起管片上浮以及注浆压力不均匀分布等因素会导致管片错台甚至破损等现象的问题进行研究，认为豆砾石吹填灌浆工艺能有效控制管片上浮和减少管片错台破损。

4.2.2 灌浆方案实施

在前人研究成果的基础上，结合单护盾TBM的特点，制定两种灌浆方案：①采用双液浆封环、单浆液填充；②单浆液灌注。实施结果表明方案2优于方案1。

分析原因得出，方案1双液浆在距盾尾5环采取0.2 MPa的压力从底部到腰部最后到顶部的顺序灌注，双液浆灌注完成后采取相同压力及顺序紧跟灌注单液浆；因前期吹填的碎石进一步限制双液浆的流动，从而未能形成理想的封闭环，致使单浆液灌注依然出现串浆、盾尾漏浆现象。方案2灌注单液浆采取与前述试验相同的压力，选择在距离盾尾45～50环的位置灌注，采取每6环为1个周期，在2点、10点方向左右交替进行，总体顺序为1环2环→5环6环→3环4环，利用此方案可在管片背后形成以注浆孔为顶点的三角形流域，相互重叠、相互补充，使浆液和碎石充分接触并胶结，以期达到良好的注浆效果。

通过对方案1、方案2实施区域进行相同数量的取芯试验、漏水等方面的检测，结果见图9，图10。

图9 取芯试验结果Fig.9 Results of coring test

图10 检测数据结果Fig.10 Results of testing data

4.3 碎石吹填灌浆工艺关键点

总结前述研究结果，笔者提出的碎石吹填灌浆工艺控制的关键点如下：

1)一环超挖间隙粗骨料理论填充值=π×管片宽度×(刀盘开挖半径2-管片外半径2)；其中一环超挖间隙粗骨料最少理论填充量=理论值×2/3，胶凝材料最少理论量=理论值×1/3+理论值×2/3×粗骨料紧装空隙率。

2)确定每环碎石吹填量后按照试验确定的最优吹填压力及吹填顺序进行吹填；每孔吹填是否饱满控制要点为压力由0.2 MPa突然剧增至0.4 MPa时立刻停止吹填；一环吹填是否饱满依据逐孔开孔检查确定，不饱满则采取相应补吹措施。

3)灌浆依据岩层的不同灌浆量会有所波动，因此按照规范要求需要灌注设计量的130%～180%；灌浆形成周期交替性能使浆液与粗骨料充分接触胶结。

4)碎石吹填灌浆工艺质量判定标准为工艺实施完成后，管片壁后超挖间隙是否形成完整的封闭环，其中包括圆形管片结构形式顶部无法填充碎石情况下由浆液填充，按照关键点1)进行量的控制。检测方法有以下几种：①直观检测，在碎石吹填施工结束后保证除拱顶注浆孔以外开孔检测存在碎石；②雷达扫描，通过雷达扫描探测仪进行管片壁后填充效果检测，进行专业分析雷达图得出填充结果；③取芯试验，根据管片圆环结构形式，选择具有代表性的点位进行取芯检测，如3点、6点、9点、12点等代表性点位进行取芯，如有良好的填充效果，如方案2取芯结果(图9)，即可认定填充质量合格。

5 结 论

迄今，工程界对碎石吹填灌浆的研究大多局限于施工经验，笔者采用PFC3D数值模拟、室内试验、现场调试、规范与检测验证等方法研究了针对重庆岩质情况和单护盾TBM特点的碎石吹填灌浆工艺，得出以下结论：

1)本碎石吹填灌浆施工工艺可适用于类似重庆主城岩质地铁隧道施工；重庆地区采用豆砾石吹填灌浆工艺，在粗骨料方面豆砾石比碎石每立方米多100元左右，因此在经济成本方面采用碎石作为粗骨料较为节省。

2)碎石吹填最佳时刻为当前掘进环后第2环管片的注浆孔刚脱离盾尾刷时，最优压力通过对岩层分析试验得出，建议最优吹填顺序为先拱腰、后拱顶，坚持对称吹填原则；拱底采取每隔10环进行一次开孔检查并进行补吹的措施。

3)分析掘进设备特点，合理选择盾尾注浆和管片灌浆工艺，开敞式全断面硬岩掘进设备最优吹填距离在距离盾尾45环～50环，最优吹填压力通过岩层性质试验确定，建议最优吹填顺序为拱顶范围交替灌注，坚持每环灌注，减少二次灌浆量。

参考文献(References)：

[1] 洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状及展望[J].隧道建设,2015,35(2):95-107. HONG Kairong. State-of-art and prospect tunnels and underground works in China[J].TunnelConstruction, 2015, 35(2): 95-107.

[2] 何川,封坤,方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状及展望[J].西南交通大学学报,2015,50(1):97-109. HE Chuan, FENG Kun, FANG Yong. Review and prospects on constructing technologies of metro tunnel using shield tunnelling method[J].JournalofSouthwestJiaotongUniversity, 2015, 50(1): 97-109.

[3] 张斌.全断面岩石掘进机刀具磨损研究及刀具布局优化[D].天津：天津大学,2013. ZHANG Bin.WholeSectionRockTunnelerToolWearandToolLayoutOptimization[D].Tianjin: Tianjin University, 2013.

[4] 仲建华. 重庆轨道交通硬岩掘进技术(TBM)的应用研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2011, 30(增刊2):1197-1202. ZHONG Jianhua. Application of TBM for hard rock construction in the rail construction of Chongqing[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(Sup2):1197-1202.

[5] 刘小刚.TBM在岩石城市轨道交通建设中的应用研究[J].现代隧道技术,2012,49(5):15-21. LIU Xiaogang. Application of TBM in rock urban rail transit construction[J].ModernTunnelingTechnology, 2012, 49(5):15-21.

[6] 张志勇,关志鹏,陈小平,等.重庆轨道交通开敞式TBM施工问题及对策[J].隧道建设,2014,34(6):554-557. ZHANG Zhiyong, GUAN Zhipeng, CHEN Xiaoping, et al. Problems and countermeasures in tunneling by open TBM in Chongqing rail transit works[J].TunnelConstruction, 2014, 34(6): 554-557.

[7] 夏定光.豆砾石回填与灌浆技术探索[J].现代隧道技术,2002,39(1):20-24. XIA Dingguang. Discussion on gravel backfilling and grouting[J].ModernTunnelingTechnology, 2002, 39(1): 20-24.

[8] 郭惠川.基于单护盾的复合式TBM在城市轨道交通工程的应用与研究[D]. 石家庄:石家庄铁道大学,2015. GUO Huichuan.BasedonSingleComplexofShieldTBMinApplicationandResearchofUrbanRailTransitProjects[D].Shijiazhuang: Shijiazhuang Tiedao University, 2015.

[9] 苏华友, 张继春. 引水隧洞豆砾石回填灌浆渗透系数的试验分析[C]// 第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集.北京：科学出版社 , 2004. SU Huayou, ZHANG Jichun. Test and analyse permeability coefficient of pea-gravel back-filling grouting in division water tunnel[C]//EighthNationalRockMechanicsandEngineeringAcademicConferenceProceedings. Beijing: Science Press, 2004.

[10] 章跃林. TBM快速掘进隧洞设计和豆砾石回填灌浆新方法的应用[C]//2002年水利水电地基与基础工程学术会议论文集.大连：[s.n.],2002. ZHANG Yuelin. Application of the new method of TBM rapid excavation tunnel design and bean gravel backfill grouting[C] //Proceedingsof2002AcademicConferenceonFoundationandFoundationEngineeringofWaterConservancyandHydropower. Dalian: [s.n.], 2002.

[11] 郭惠川.豆砾石回填灌浆工艺在复合式TBM施工中的应用[J].国防交通工程与技术,2013,11(4):52-54. GUO Huichuan. Application of pea gravel backfill grouting technology in the construction of compound TBM[J].TrafficEngineeringandTechnologyforNationalDefense, 2013, 11(4): 52-54.

[12] 中交第一公路工程局有限公司.重庆TBM项目碎石吹填灌浆模拟试验报告[R].重庆：中交第一公路工程局有限公司，2015. CCCC First Highway Engineering Co., Ltd..SimulatedTestReportofGravelFillingGroutinginChongqingTBMProject[R].Chongqing: CCCC First Highway Engineering Co., Ltd., 2015.

[13] 杨延栋,陈馈,李凤远，等.全断面硬岩地层盾构隧道管片上浮控制技术研究[J].隧道建设,2015,35(2):180-184. YANG Yandong, CHEN Kui, LI Fengyuan, et al. Control technologies for up-floating of segment rings of shield-bored tunnel in full-face hard-rock ground[J].TunnelConstruction, 2015, 35(2): 180-184.

[14] 叶飞,毛家骅,纪明,等.盾构隧道壁后注浆研究现状及发展趋势[J].隧道建设,2015,35(8): 739-752. YE Fei, MAO Jiahua, JI Ming, et al. Research status and development trend of back-filled grouting of shield tunnels[J].TunnelConstruction, 2015, 35(8): 739-752.

[15] SHIRLAW J N, RICHARDS D P, RAMOND P, et al. Recent experience in automatic tail void grouting with soft ground tunnel boring machines[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology, 2004, 19(4/5):446.

[16] MO H H,CHEN J S. Study on inner force and dislocation of segments caused by shield machine attitude[J].TunnelingandUndergroundSpaceTechnology, 2008, 23(3): 281-291.

(责任编辑：谭绪凯)

ResearchandPracticeofGravelFillingandGroutingTechnologyofRailTransitSingleShieldTBM

XI Zhendong1, SUN Heming1, LI Jiakun2, ZHANG Zhiwei1, PENG Chaoyang1

(1.The Third Engineering Co., Ltd. of First Highway Engineering Bureau of CCCC, Beijing 101102, P.R.China;2. Institute of Architectural Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, P.R.China)

Based on Shangqiao station, Fengming mountain station and their interval tunnel engineering in first-stage project of Chongqing rail transit loop line, the gravel filling and grouting technology of single shield TBM was proposed innovatively. Through PFC3D particle flow simulation test, the indoor test to determine the single and double slurry ratio and the field test, the gravel filling and grouting technology of urban rail transit single shield TBM was obtained. And the proposed technology was successfully applied to Shangqiao station, Fengming mountain station and 6724 m tunneling of their interval tunnel engineering in first-stage project of Chongqing rail transit loop line, which proved that the gravel filling and grouting technology of rail transit single shield TBM is feasible. The proposed technology can be used for reference and promotion of similar TBM projects.

tunnel engineering; rail transit; single shield TBM; gravel filling and grouting technology

U455.43

：A

：1674- 0696(2017)09- 022- 06

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.09.05

2016-05-13；

：2016-12-17

中交第一公路工程局有限公司科技研发项目(KT2014-15); 重庆市科委基础与前沿研究计划项目(cstc2014jcyjA30019)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ1501131)

葸振东(1982—)，男，甘肃兰州人，工程师，主要从事隧道、盾构施工管理方面的研究。E-mail：841380966@qq.com。