豆砾石回填与灌浆技术探索

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“豆砾石回填灌浆”是TBM法中采用的一项施工技术，在国内“引大”工程（甘肃省引大通河入秦王川工程）和“引黄入晋”工程（山西省引黄河水到太原和大同）均采用这一施工技术。随着工程建设的发展，部份长隧洞工程必将选用全断面掘进机施工，当地质条件复杂，岩石较软而破碎时，必将选用全护盾式或双护盾式掘进机施工，混凝土预制构体衬砌，必然要用豆砾石回填并灌浆固结，俗称TBM法。为让工程局人士对这一工程技术内含有些了解，这里将介绍豆砾石回填灌浆的应用范围，豆砾石回填灌浆的施工工艺，豆砾石回填灌浆的质量影响因素和质量检查方法。最后对豆砾石回填灌浆的一些个人浅见，以餮读者。
    一、豆砾石回填灌浆的应用范围
    豆砾石回填灌浆适用于隧洞很长，不便于采用钻爆法施工，采用双护盾式掘进机开挖，混凝土预制构件衬砌的工程。
    预制构件是在后护盾内由机械手安装，构件外壁与护盾间有一定的空隙。护盾壁厚4-5cm，后护盾与围岩壁间又有2～3cm间隙，因此，混凝土预制构件与围岩壁间就形成了8～10cm的空间，这部份空间与洞内仅有几个构件的吊装孔相通，为了稳定混凝土预制构件，将粒径为5～10mm的豆砾石（碎石或卵石均可）用高压风从吊装孔喷入，填充混凝土预制构件与围岩间的空间，然后进行灌浆，凝结豆砾石，使混凝土预制构件得到稳定，同时传递山岩压力或内水压力，（对有压隧洞）使混凝土预制构件，凝结的豆砾石和围岩形成整体，这就是豆砾石回填灌浆。
    豆砾石回填灌浆，目前我国还没有规范为依据，也没有成熟的经验为借鉴，施工工艺尚在探索中，因此，有人叫豆砾石回填灌浆，有人叫豆砾石回填与灌浆，前者视为一个工序，后者视为两个工序。
    回填灌浆的定义是前一工序施工后，余下的空间没有任何介质，用另一种物质采用灌浆的方法去充填余下的空间。而掘进机开挖，混凝土预制构件衬砌后，构件外的空间首先为豆砾石填充，然后才用水泥浆固结，将松散的豆砾石凝结为整体，与压浆混凝土相似，因此不能视为回填灌浆。
    但压浆混凝土规范中有许多规定与豆砾石灌浆的要求不符合：一是骨料粒径要求不同；二是压浆混凝土的段长是有限的，两端封闭，从下而上压力灌浆。而豆砾石灌浆，浆液泳动范围是不定的。故借用压浆混凝土规范也不全适宜。因此，豆砾石灌浆应另行编写规范来规定豆砾石灌浆的施工工艺。
    二、豆砾石灌浆的施工工艺
    豆砾石回填灌浆分为两个工序进行，因此应称为豆砾石回填与灌浆。
    混凝土预制构件在双护盾式掘进机的后护盾内安装好后，掘进机的辅助推力油缸就顶紧混凝土预制构件（双护盾掘进机的前护盾，紧贴岩壁并随掘进机开挖同时前进，其推力由在前护盾内的主推进油缸提供，主推进油缸的反力由设在后护盾前端的夹具盾——国内称水平支撑，撑紧洞壁而产生的磨擦力平衡，辅助推力油缸的另一端固定在夹具盾上，它也能起到一定的推力作用，故称辅助推力油缸）。当一个行程掘进完后，在主推力油缸和辅助推力油缸的共同作用下，后护盾和夹具盾前移，混凝土预制构件离开后护盾，后面与已回填了豆砾石的预制构件通过连接杆相连接，前面与尚在护盾内的混凝土预制构件也通过连接杆相连接，构件底部悬空，此时就立即回填豆砾石，以支撑混凝土预制构件，同时由下而上回填侧面和顶部空间的豆砾石，使混凝土预制构件得到稳定，当预制构件安装了一定长度后（视机型和结构而定），先对底部豆砾石进行灌浆，一般长度是8～12米。如长度大于预留空间，底部未灌浆的混凝土预制构件将被掘进机的后配套遮蔽，不能灌浆，需待后配套设备过完后才能灌浆。侧边和顶部视混凝土预制构件的止浆效果和随机灌浆设备的能力而实施灌浆范围，如果止浆效果差，对侧边进行灌浆，漏浆有可能淹没后配套下面的轶道而造成跳道事故。如灌浆能力不强，在后配套设备的后面只能先灌侧边，顶部留到开挖完后或停机时再进行补灌，这样对灌浆质量将有一定影响。
    底部灌浆时，距后护盾很远，而后护盾边缘没有设置止浆环，因此压力不能过大，一般是以下浆量控制，即计算好需浆量，灌完即停，故底部灌浆常不很密实，这是值得探讨的问题。
    豆砾石灌浆没有分段，也没有设置隔离环，浆液在豆砾石中是自泳状态，大部份浆液以渗透的形式渗入豆砾石中，而豆砾石的密度又是不均匀的，因而会出现密度小处浆满，密度大的区域疏松的现象。
    三、豆砾石灌浆质量的影响因素和检查方法
    豆砾石回填与灌浆质量的影响因素很多，分述如下：
    1、掘进机施工的影响
    掘进机开挖隧洞是利用刀盘上按一定坐标位置和轨距排列的盘形滚刀在刀盘的带动下，随着刀盘公转，滚刀本身又自转，借助主推进油缸强大的推力，在岩面上滚动的同时楔入岩石。楔入深度叫切深。当切深达到一定深度时，楔入过程中所积蓄的能量突然释放使岩石崩落从而达到破岩的目的。而刀刃楔入岩石的初期，刃口下的岩石被刀具碾压成粒径极小的颗粒或粉状，崩落的岩碴块度也很小。部份岩粉附在隧洞周边岩石上，另有部份片状岩块不为出碴设备铲走落在洞底，掘进机前进时，前护盾将小石片碾成粉末，因此底部岩粉较厚，有时达2～3厘米，如地下水较丰富时，周边岩粉也会集中到底部，此时底部岩粉更厚，甚至充满底部空间，地下水少时，周边也有3～5毫米厚的岩粉。混凝土预制构件离开后护盾后下沉，底部间隙很小，豆砾石不易进入，底部填不满。由于上述原因，严重影响底部的灌浆质量。根据已建工程钻孔检查，底部均有岩粉，有时无一粒豆砾石，仅有纯水泥浆或岩粉的混合物。当地下水较丰富时，岩粉成浆糊状或沉积成岩粉块，或与少量豆砾石凝结，水泥浆液不能渗入，因此隧洞底部灌浆质量大部份较差。侧边岩壁因有岩粉，灌浆层不能与围岩粘接。
    顶部的情况比较复杂：
    岩石上附有岩粉，不如底部多，也不会凝结，但顶部豆砾石填不满，形成自由空间，由于掘进机开挖速度很快，平均日进尺约40米（对直径4～6米的掘进机而言，大断面掘进机较慢）混凝土预制构件安装、豆砾石回填也以相同的速度前进，速度快时，日进尺可达60～80米。而灌浆不仅受到设备的限制，还受到灌浆材料供给的影响，因此，顶部一般都是开挖后很久才补灌浆。
    顶部虽然岩粉较少，但因长时间没有灌浆，在运输机械的振动下，少量岩粉落在已回填的豆砾石表面上，形成较薄的一层隔离层，灌浆时就出现一个夹层带或浆液渗不到豆砾石内，形成隔离层上是纯水泥浆结块，隔离层下豆砾石疏松，已建的某工程，多次出现上述情况。而疏松层又成封闭状态，实践证明，补灌浆很难填满疏松的豆砾石的空间。
    当围岩较破碎时，已开挖的洞段由于机械运行的振动，部份疏松石块、石屑将掉在豆砾石面上或预制构件上，（因时间过长，豆砾石下沉顶部无豆砾石）因破碎围岩强度很低，，水泥浆将破碎岩块石屑凝结后，强度也很底，对隧洞的整体结构都有一定影响。由于顶部灌浆的滞后，还带来其他一些影响豆砾石灌浆质量的因素。
    2、灌浆工艺的影响
    豆砾石灌浆是利用混凝土预制构件的吊装孔进行，某工程是采用四块相等的菱形管片，底顶和侧面错开半片安装，边底三片各有两个吊装孔，顶片除两个吊装孔外，间片的顶部正中位置有一个向前倾斜的顶部灌浆孔。底部是从底片两侧的吊装孔分别间孔灌浆，水泥浆液自泳渗透，而底部有较多的岩粉，浆液就不可能均匀泳动。当浆液在后护盾处出现时即停止灌浆。浆液没有压力，不可能渗入岩粉，也不可能将石粉排除，因此底部质量不合格的比例较多。如在底部正中设一向前倾斜的灌浆孔，灌浆前用高压风吹散岩粉，然后灌浆，浆液从下而上漫泳，底部空间可以充满。因此，分散或排除底部岩粉是豆砾石灌浆必不可少的工序。
    豆砾石灌浆应连续进行：由于是自泳灌浆，浆液是以渗透形式进入豆砾石，施灌时，液面较高，停灌后，浆液继续渗透，液面下降，部份豆砾石成为无砂混凝土状，浆液凝结后，继后灌浆很难充满豆砾石的空隙，因而形成无沙混凝土状的疏松带。
    灌浆压力对质量也有影响：任何灌浆都有一定的孔口压力要求，而豆砾石灌浆虽然在机旁也有压力指示仪表，但因是与开挖同时进行，灌浆设备在随机移动的后配套上，为适应设备移动的需要，管路很长，灌浆压力只能把浆液输入灌浆孔内。又因多工序同时进行，干扰很大，安装孔口压力表有困难。因此，灌浆设备的仪表的压力只反映机械的压力，而不反映孔口压力，更不能反映豆砾石内的压力。还由于浆液在豆砾石内是自由渗透，浆液进入豆砾石后，压力成递减状态，浆液泳动末端压力为零，因此要达到压力稳定一定的时间是十分困难的。
    3、灌浆材料供应和配比
    豆砾石灌浆材料—水泥，是由运碴设备一起运输，洞内空间受到限制，不可能设置很大的容器，又因隧洞很长（有时达20余公里），不能专门配置运输设备运输灌浆材料，仅由运碴设备运入灌浆材料，常不能灌足灌浆量的需要，灌浆工作只好终断，形成断续灌浆。
    配比对灌浆质量的影响也很大。豆砾石的粒径很小，间隙较小，灌沙浆难在豆砾石中泳动，因此只有灌纯泥浆。水泥的强度等级和配合比决定了豆砾石凝固体的强度。
    由于是自泳灌浆，浆液的泳动性和稳定性是十分重要的指标，因此选择适宜的配合比是十分重要的工作，需通过多次试验确定。要求根据确定的配合比而拌制的浆液不分离沉淀，同时泳动性又最佳。实践证明，泳动性好而易沉淀，较长时间不沉淀的配比泳动性又较差。部颁规范所定的配比级别是否符合豆砾石灌浆的要求，应通过试验确定，必要时可将等级分小，如在1：1、0.8：1、0.6：1等中插入0.9：1、0.7：1等，同时掺入合适的外加剂和掺合料，使浆液的泳动性和稳定性都达到最佳状态（某工程用0.7：1）。
    4、豆砾石灌浆质量检查方法
    某工程对豆砾石灌浆的指标提出三个要求，即填满全部空间，钻孔取芯在试验室内进行抗压和抗渗透试验，要求抗压达到20N/mm2，抗渗指标达到K≤1×10-5cm/s。抗压试验芯样需根据豆砾石层的厚度确定，一般厚度在10cm以下，故用φ50的钻头取芯较合适。抗渗试验可用φ100的钻头取芯。检查数量和部位应慎重确定。如某工程确定每100米取三个芯，边、顶、底各一个都不足，而一个芯就代表该部位100米，其代表性很差，同时也应考虑掘进机施工的特殊情况，即隧洞长度大、速度快。如取芯过多，必然影响工期。用仪器扫描，成本又很高，目前尚无简捷、易行、可靠的检查方法。部份工程用压水试验检查豆砾石灌浆的质量，也很难证明豆砾石灌浆质量的优劣。因豆砾石层很薄，而且开挖隧洞和混凝土预制构件衬砌后的隧洞不是同心的，难以确定钻孔处豆砾石层的厚度，也就难以确定钻孔的深度，如将豆砾石层钻穿了，则试验的将是岩石的渗透性。打浅了，又是检验预制构件与豆砾石层接触处的渗透性和预制构件接缝的渗漏性能了。对豆砾石灌浆的质量检查的方法、数量等均需今后的实践中探索。
    四、对豆砾回填和豆砾石灌浆的几点意见
    1、豆砾石回填与豆砾石灌浆是双护盾掘进机施工、混凝土预制构件衬砌后的两道不同的工序，因此在定义上不能混淆，既不能视为一道工序，也不能视为回填灌浆。
    2、豆砾石回填与豆砾石灌浆应另外编写规范，不能借用其他规范。在新编写的规范中应明确清除岩粉的工艺、灌浆次序、允许停灌时间、质量检查方法等内容。
    3、安装孔的封堵：已建工程的安装孔灌浆时是用塑料盖粘于孔口上，侧边每隔二孔粘一个带丝牙的盖，接灌浆管。这种方法虽然简单，方便操作，但不能保证工程表面平顺光滑，同时塑料制品在自然环境中极易老化，不能作为永久工程的一部份。某工程用塑料盖封堵，后来又拆除，数十公里的隧洞，约45万个孔盖拆除，重新封堵，这是很大的工程量。因此，应考虑采用永久性的封堵塞。但应注意反拱或底部孔封堵后，灌浆时充填不满的现象，特别是压力隧洞更应引起足够重视。
    4、关于混凝土预制构件安装后接缝的止浆问题：混凝土预制构件安装后，由于构件的生产误差，拼接不严，有漏浆的可能，某工程为避免漏浆堵塞铁道，就将侧边和顶部滞后到掘进机的后配套设备走完后才灌浆，质量很难保证。为了紧跟掘进和预制构件安装灌浆，可在接缝处采取措施。一是设止水条。某工程采用复合止水条，但有时接缝太宽，止水条不严，漏浆淹没铁道，造成事故。二是为了补救止水条不严的不足。可于接缝口处填塞沙浆。为防止在灌浆压力作用下沙浆脱落，可在迎水面侧边止水条处设“燕尾槽”（止水条应置于距迎水面3～5cm处），沙浆凝结后就不至脱落。拌制沙浆应掺粘接剂，使其收缩性小，与预制构件粘接牢固。燕尾槽的宽度以方便施工为度，内外宽度差不小于5毫米为宜。这样就能保证随掘进机构件安装的同时，进行豆砾石灌浆。
    5、岩粉排除：前文已述及，掘进机施工岩粉很多，严重影响豆砾石灌浆的质量，排除岩粉是确保灌浆质量的重要措施之一，特别是底部更为必要。但由于后护盾的屏蔽，混凝土预制构件又是与后护盾搭接，安装孔又很小（如山西引黄入晋工程的混凝土预制管片的安装孔为φ80）无法使用机械清除。因此应在设计或定购掘进机时就要提出要求。个人意见，一是在后护盾的底部，预制构件安装位置的前面开底窗，侧面开小孔，先用风吹顶部和侧面，从底窗清除岩粉，二是喷填豆砾石前对已安装构件的底部用风吹，将岩粉分散，也可于底部灌浆前用风吹，分散岩粉或泥浆，使底部灌浆质量得到保证。
    五、结语
    豆砾石回填和豆砾石灌浆是长隧洞工程，采用护盾式掘进机施工，混凝土预制构件衬砌后的两道工序，在我国尚属新技术、新工艺，仅在甘肃省引大（通河）入秦（王川）和山西省引黄（河）入晋（山西太原、大同等城市）工程的部份长隧洞中使用，“引大”用的是卵石；“引黄”用的是碎石，由于两工程均是外国承包商施工，许多研究和试验工作不便进行，希同仁志士在有条件的时候进行研究、试验，以补我国长隧洞施工技术的空白，并在灌浆规范中增写上“豆砾石回填与灌浆”这一章。