双护盾TBM自密实回填快速支护施工技术及应用

王明友 潘长城 金 峰

(1.华能西藏雅鲁藏布江水电开发有限公司，西藏 拉萨 850000；2.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

双护盾TBM具有掘进高效、施工安全，适应硬岩地质条件等诸多优势，是硬岩隧道的首选掘进方式。在隧道工程的传统掘进过程中，往往采用豆砾石回填工艺，施工方法为：先向隧道与围岩之间的空隙回填豆砾石，再向豆砾石的空隙间回填水泥浆或砂浆。然而这样的工艺有不少局限性，回填密实度难以保证、施工效率较为低下，隧洞衬砌大规模渗水现象普遍，在高地应力的岩石地质条件下还容易发生岩爆，对工程及设备造成不小的影响。

双护盾TBM自密实回填快速支护施工技术，用高性能自密实混凝土代替原有的“豆砾石+水泥浆/砂浆”作为回填材料，通过充气止浆环构建独立、密闭的回填区间，可在大大提升回填密实度、简化施工工序的同时，实现回填支护的同步性、及时性，降低隧洞施工风险。

1 工程概况

西藏林芝市多雄拉隧洞为双车道隧洞，开挖洞径9.13m，衬砌后隧洞直径8.1m。本工程区间地应力高、岩石地质条件较差，传统的豆砾石回填技术不仅回填后密实度较低，而且工序繁多，对围岩的支护也不够及时，施工中多次发生岩爆，施工后隧洞易发生大面积渗水，对工程进度及施工安全造成不小的影响。因此，急需一种全新的施工技术，能够克服传统技术的缺点，保证施工质量，降低施工成本。

2 技术原理

本施工技术的原理为：在混凝土管片外弧面，制作出一批沿着圆周方向预制凹槽的管片，于这些管片凹槽内预装橡胶充气膜带。TBM掘进过程中，每前进一定距离(根据实际需要，可定为若干环管片的隧洞长度)，安装一圈贴有膜带的管片。TBM继续向前推进直至膜带脱出尾盾之后，向膜带中充入空气，膜带膨胀实现管片与围岩之间的密封。

通过管片上的灌浆孔，向相邻两圈止浆膜带间的回填区中，注入自密实材料进行回填，待回填材料达到足够的强度后，排出膜带内的空气，并按同理进行后续的施工，工艺原理示意见图1。

图1 工艺原理示意

3 技术要点

本施工技术在传统技术的基础上，通过增设充气止浆环，同时将回填材料替换为自密实材料，实现管片安装后的快速回填支护。

3.1 配套管片制作

配套管片由管片厂预制，在现有混凝土管片金属模具基础上，于外弧面模板内侧中线沿圆周方向焊接金属凸起。改造后的模具生产混凝土管片，可以在新浇管片的外弧面形成凹槽，用于后期的膜带安放。

3.2 充气膜带安装

充气膜带需要在充气后能够适应围岩与管片外径，起到良好的止浆作用，这要求膜带具有良好的可变形性；另外，由于安装过程会发生刮蹭，围岩也会存在尖锐区，因此膜带还需要具备较好的耐磨性。综合考虑后，采用橡胶材质的软管作为膜带。根据一环衬砌中各块管片的尺寸，裁剪出符合试验要求的膜带，要求每块管片上粘贴的膜带，膜带两端比管片要长一些，以便充气后的搭接。膜带中部安装进气孔，两端封口。利用强力胶水将膜带安装于管片内部的凹槽内，使得膜带进气孔与管片灌浆孔重合，即完成了膜带的安装。

3.3 充气管路安装及膜带充气

将粘贴有膜带的管片运输进洞，利用TBM上的管片安装器依次吊装于尾盾内壁，形成一环带有膜带的管片衬砌。在管片安装成环但未脱出尾盾时，通过管片中央的灌浆孔，给每段止浆膜带的鸭嘴旁通连接充气管路。在粘贴有膜带的管片推出尾盾之前，将膜带的充气管路安装完毕。

待粘贴有膜带的管片推出尾盾后，向止浆膜带中充气。

3.4 管片回填支护

根据实际工程需要配置自密实混凝土，要求混凝土在洞内回填时有600mm左右的扩展度，同时未发生骨料离析和泌水。按照相关泵送规程，对止浆膜带构建的区间进行回填直至灌满，在回填混凝土达到足够强度后，用抽气机将膜带中的空气抽出直至膜带干瘪。

3.5 下一区间回填施工

按照整个工序，再进行下一回填区间的混凝土回填，使得混凝土填满新的回填区间，且填充上一环膜带抽气后形成的空腔。

4 质量控制

4.1 工程质量控制标准

本技术所有施工均应符合《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)、《公路隧道施工技术规范》(JTG F60—2009)以及《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ/T 283—2012)等相关行业规范要求。

4.2 质量保证措施

在施工的整个过程中坚持质检员旁站制，加强对各道工序特别是关键部位或技术复杂部位的检查，严格把关。施工过程中严格遵循现场交接班制，对在施工中发现的问题做好记录，达不到要求的工序效果，未处理完不得进入到下道工序。

建立健全质量保证体系，制定工程质量保证措施，组织全员进行技术交底，熟知操作规程和技术标准，领会设计意图。检查设备的完好性，备足易损件，保证回填施工的连续性。

质量控制固然重要，但保证安全是施工现场的首要原则，因此需要认真执行安全制度：现场设专职安全员、巡查小组，坚持全程巡视检查，认真分析各种安全隐患并及时采取措施；对检查中发现的安全问题，即使可能会拖慢施工进展，仍要按照“三不放过”的原则立即制定整改措施，优先保障施工安全。除此以外，环保问题也不容忽视，建立环境管理体系，成立施工环境管理组织机构，明确职责，遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章；作业人员佩戴防护面具和耳罩，防止粉尘和噪声对人体的伤害。

5 回填质量评价

5.1 孔内电视

在回填区间回填自密实混凝土后，于混凝土1天龄期时对回填混凝土进行钻孔取芯，取芯完毕后利用孔内电视对孔壁的混凝土进行观察。经过钻芯取样后发现，取出的混凝土芯样骨料分布均匀，无裂隙部位出现，内部空洞也较少，整体来看回填质量高。之后通过孔内电视生成钻孔的平面展开图，观察图像也可得出上述结论，见图2。

图2 1天龄期回填混凝土芯样及孔内电视展开

5.2 钻孔取芯

在回填混凝土达到半年龄期时，随机于回填区间钻取一系列芯样，并加工成高度直径比为1∶1的圆柱试样，对所得试样进行抗压强度试验，得到芯样平均强度值为44.6MPa，与实验室同配合比混凝土立方体试样加速养护5天强度值41.2MPa做对比，可知回填混凝土强度增长良好，支护质量高。

5.3 抗渗等级

根据《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)、《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)的相关要求，水头低于30m时的抗渗等级为W4，水头介于30～70m时的抗渗等级为W6，水头介于70～150m之间时的抗渗等级为W8。

依据混凝土相关试验方法，对回填混凝土做抗渗性能试验。试验从水压0.1MPa开始，以后每隔8h增加水压0.1MPa，观察试件端面的渗水情况。试验结果表明，对于用作试验的6个试样，在水压达到0.8MPa时，有5个试件端面未发生渗透，仅有1个试件端面发生渗透，混凝土的抗渗等级基本可达W8级。再加上混凝土衬砌管片本身亦有相应的止水构件，故本施工技术完全能够满足隧洞的防渗需求。

6 结 语

与传统的双护盾TBM回填支护施工方法相比，本技术具有以下优点：

a.提升回填支护密实度。本技术采用自密实材料作为回填材料，回填过程中无须振捣即可密实，实测密实度通常达99%以上。对于工程运行期间长期使用的隧洞，密实度的提升具有最为重要的意义。

b.提高施工效率。本技术从改变回填材料入手，用单一的自密实材料替代传统技术中多种回填材料的组合，大大简化了回填支护过程中的施工工序，提升了工程施工效率。

c.提高回填支护及时性。本技术由于采用了止浆环，可将回填空间沿隧道长度方向划分为一个个回填区间，在区间形成后立即灌入自密实混凝土材料，为围岩提供快速、及时的支护，且与TBM的掘进同步。

d.提升水下回填段施工质量。目前研发的水下自护混凝土技术，采用“水下保护剂+自密实混凝土”的工艺，可以很好地实现水下密实回填，大大提升施工质量。

e.降低施工成本。与传统技术相比，本技术可节省约46%的施工成本，经济效益显著。以西藏多雄拉隧道为例进行计算，采用新技术进行回填，每延米隧道回填可以节省成本约1022.9元，成本下降约46%。

f.社会效益巨大。由于工序简单、施工效率高，同时一次密实成型、施工质量高，后期无须大规模补灌，因此相比于传统技术，本技术所需人力、物力大大减少，可显著降低施工能耗、碳排放，节能、环保效果突出。与此同时，本技术可将开挖洞渣作为混凝土骨料，既可减少对施工场地土地资源的占用，也可降低隧洞开挖料对洞外环境的影响。