王 勇， 高 强

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

厄瓜多尔CCS水电站项目输水隧洞工程全长24.8 km，采用两台由HK公司研发的双护盾TBM进行施工。TBM2负责13.8 km的隧洞开挖，从输水隧洞出口往入口方向掘进，由2#施工支洞出洞。该输水隧洞TBM开挖洞径为9.11 m，管片安装后洞径为8.2 m。

TBM施工包含五道工序：TBM开挖、管片安装、砂浆回填、豆砾石回填、水泥灌浆。其中砂浆回填、豆砾石回填和水泥灌浆属于TBM后配套施工范畴。

2 TBM灌浆工艺

该项目采用美国标准，对隧洞开挖管片衬砌后的豆砾石回填灌浆要求很高，必须达到满填满灌的标准，取芯检查合格。传统工艺是在管片安装后底部90°范围回填砂浆，起到对管片环的支撑作用，待安装4～5环后回填豆砾石，之后再灌水泥浆。为确保工程质量，加快施工进度，最大限度地降低工程成本，我们根据现场实际情况和后配套设备的特点，对传统工艺进行了实质性改进，得到了业主和监理工程师的好评，具体改进措施对比情况见表1。

表1 TBM灌浆传统工艺与改进工艺比较表

2.1 砂浆回填

TBM砂浆回填前期只是对底部管片进行砂浆回填。随着工程的进行，后期增加了对顶部管片的砂浆回填。

2.1.1 底部砂浆回填

在TBM管片安装完成向前推进过程中，当尾护盾上的止浆刷推过管片中心上的预留孔后即可进行底管片的砂浆回填工作。正常情况下(洞内无水或水很小)，在底管片灌注高粘度砂浆。特殊情况下(有大水情况)，可能需要进行全断面高粘度的砂浆灌注。砂浆回填范围为该环底部60°到90°的范围，砂浆强度等级为M15。砂浆由隧洞外的拌合站拌制，经火车运进至洞内。砂浆灌注时，要求添加掺量为胶凝材料重量7%的速凝剂，以加快砂浆凝结速度，从而更好地对整环管片起到支撑作用。

底管片砂浆灌注结束标准有三个，满足其一，即可结束砂浆灌注。

(1) 砂浆灌注量达到计算所需的砂浆用量。

(2) 灌注过程中，管片预留孔孔口有砂浆溢出，无法继续向孔内灌注砂浆。

(3) TBM尾护盾处有砂浆流出。

最初设计的砂浆灌注是在每环推进过程中进行。但在实际施工中发现，若每推一环即灌注砂浆存在极大的不便，之后则优化改进为TBM双护盾模式，若无特殊情况，基本上按照2+1+1的模式进行灌注，即在管片安装好第三环并开始推出后着手对已经推出的前两环管片进行灌注。当前两环灌注完毕，通常情况下第三环已经推出，甚至第四环底部管片已安装完毕。此时，可以对第三环进行灌注。重复此过程，直至四环管片所需砂浆灌注完毕。

实际上，在底部砂浆灌注过程中，由于管片底部多聚集有岩粉、浮渣、回填的豆砾石等，导致底部砂浆平均每环灌注量只有0.9 m3,实际回填范围底拱在46°左右。

2.1.2 顶部砂浆回填

顶部砂浆回填是在优先保证底部砂浆回填的情况下进行的，回填所用的砂浆与底部砂浆配比一致。但考虑到顶部砂浆无速凝要求，故不需添加速凝剂。顶部砂浆回填有三个好处：

第一， 能够充分发挥砂浆泵的工效；

第二， 能够有效抑制后期顶部水泥回填灌浆发生的串浆现象；

第三， 能够更好地填充顶部空腔，减轻水泥灌浆的工作量，还可以节约水泥，从而带来可观的经济效益。顶部砂浆实施回填后，节约的水泥量见表2。

表2 顶部砂浆回填可节约水泥量表

开始顶部砂浆回填时，TBM已掘进了7 600 m。若从TBM开始掘进即启动顶部的砂浆回填，节约的水泥量可达3 472.94 t，从而带来可观的经济效益。

2.2 豆砾石回填

豆砾石回填系指对砂浆灌注区域外的管片与围岩之间的空腔回填豆砾石。豆砾石回填的饱满程度及跟进是否及时，将直接决定已安装管片是否会出现受力不均、下沉、错台、偏心等，以及由此引发的管片破损。

早期的豆砾石回填是在底部砂浆灌注后进行的，后来将豆砾石回填施工提前于底部的砂浆回填，即TBM每安装并推出一环后即开始进行豆砾石回填作业。实践证明：这一做法是合理的，在后期安装的管片中，若未遇到特殊地质情况，管片出现大破损和错台的现象急剧减少。

豆砾石回填相关技术及工艺要求如下：

(1) 豆砾石回填通过管片上的预留孔进行，豆砾石粒径要求为5～10 mm，含泥量及其他杂质含量需控制在较低范围内，豆砾石需保持其表面湿润。

(2) 豆砾石的回填是经过安装在TBM上的两台豆砾石泵实现的，工作风压控制在0.3～0.4 MPa。

(3) 回填采用由低到高、左右交叉对称的方法作业。先喷该环最低处的两个孔，当豆砾石喷不进去时即停止该孔的回填作业，移孔至顶部上的两个孔；当腰线处的预留孔有豆砾石漏出时，将其堵住，继续豆砾石回填直至该孔喷不进豆砾石为止。

2.3 水泥灌浆

水泥回填灌浆作用范围为管片背后与围岩间的空腔及豆砾石内部间存在的孔隙。回填灌浆的作用主要有两点：第一，将回填的豆砾石与管片及围岩胶结在一起，使之共同受力，形成一个自稳结构；第二，水泥浆液与豆砾石胶结后，可以形成一个近似的封闭层，从而提高隧洞的整体防渗性能。根据水泥回填灌浆施工的平台可分为TBM上的水泥灌浆及台车上的二次灌浆。二次灌浆的主要作用是弥补TBM上未灌注水泥的预留孔。

水泥回填灌浆工艺及技术要求如下：

(1) 水灰比为0.6∶1，加入掺量为1.2%的PCA-Ⅲ型减水剂。

(2) 灌浆采用纯压式灌浆，将灌浆压力控制在0.2～0.3 MPa，特殊地段可增加至0.5 MPa。

(3) 灌浆通过预留在管片上的孔进行。采用从低到高、左右交叉对称的灌注方法。

(4) 灌浆用水泥采用散装水泥。其由火车拉进洞内，卸料到洞内TBM上的储料罐。

制浆采用ZJ-400A型高速搅拌机拌制并自制了称量系统。采用SGB6-10型高压灌浆泵灌浆。

(5) 灌浆结束标准为：在规定压力下，灌浆孔停止吸浆，继续灌注5 min即可结束；如发生串浆则停止灌浆孔灌浆，移至串浆孔继续灌注。

(6) 灌浆结束后，关闭孔口阀门进行闭浆。待孔内浆液初凝、拆除孔口螺栓套件，采用特制的CK微膨胀砂浆将孔封堵密实、抹平。

(7) 注浆过程中，若发现从环缝、纵缝及孔洞漏浆时，可以采用棉纱、木楔等材料进行封堵。

3 TBM灌浆施工的特殊性及难点

TBM后配套施工与传统钻爆法回填灌浆施工相比有其独特的地方。这些特殊性不仅是工艺上的，还有施工条件上的。施工工艺上的特殊性主要体现在：第一，水泥回填灌浆不只是对管片背后与围岩间的空隙进行填充，还要将回填的豆砾石进行充分胶结；第二，与传统钻爆法相比，多了豆砾石回填与砂浆灌注这两道工艺。施工条件上的特殊性在于TBM的后配套施工受到TBM施工多因素的影响和限制，从而给施工带来很多不便。

TBM后配套施工特殊性的存在，引发的施工难点主要有以下五点：

(1) TBM掘进速度快，从而造成后配套施工时段性强度大，水泥回填灌浆跟进难度大。

(2) TBM设备布置复杂，可利用空间狭窄。

(3) TBM许多工序之间存在严重的交叉作业。

(4) 管片与围岩间的间隙均匀，通道畅通且未设置止浆隔离，造成水泥灌浆时串浆距离很远，往往短时间内很难将顶部灌满。但TBM又在不断前进，故经常被迫结束个别灌浆孔，而再次进行二次补灌的效果肯定不如一次性完成。

(5) 若回填的豆砾石质量不佳，如含泥、含砂量高，豆砾石棱角多等，将造成通道阻断或不够畅通，从而导致水泥回填灌浆时部分区域水泥浆液无法渗入，进而影响灌浆质量。

4 TBM设计问题

针对TBM后配套施工的特殊性及难点，笔者结合实际施工中的一些体会，通过豆砾石回填与灌浆施工，发现TBM主要存在以下几点设计问题：

(1) 豆砾石回填用设备安放位置有待优化。豆砾石回填设备设置在6号台车上，距离喷豆砾石平台约80 m，由于管路的磨损较大，其成本较高；另外，管路越长，意味着爆管、堵管的风险越大。

(2) 原有灌浆设备设计能力严重不足。在TBM原配的灌浆设备里，高速制浆机制浆能力单次只有100 L，而送浆泵的送浆能力≤30 L/min，远远不能满足生产需求。另外，TBM设计的散装水泥罐单次水泥运输能力远远低于实际需要的水泥量(表3)。

表3 单次火车进洞水泥运输与实际需要水泥量比较表

由表3可知，灌浆用水泥在设计上即存在严重的缺陷，导致水泥灌浆任务无法跟进完成，只能靠二次补灌。

(3) 管片安装模式设计存在缺陷，顶部未设计灌浆预留孔，回填灌浆效果欠佳。

(4) TBM灌浆施工所需砂浆是由洞外拌合站拌制后由火车拉进洞内，运距及时间较长，砂浆质量下降，容易造成堵管。如果TBM发生不可预见的情况，整车砂浆还有可能报废。

5 结 语

TBM后配套施工具有重要的意义。在本工程中，最终采用的TBM灌浆相关施工工艺经实践证明效果还是很理想的。笔者列出了以下结论和建议，旨在为今后类似TBM的施工提供参考。

(1) 底部砂浆回填可以不跟进每一环管片进行。本工程采用每四环2+1+1的方式，并从管片安装孔注浆；采用顶部砂浆回填替代顶部水泥回填灌浆，确保顶部回填饱满且减少水泥回填灌浆工作量，还能节省大量成本；火车砂浆运输罐和TBM砂浆存储罐的容量增大为8 m3(容量根据工程需要调整)，确保了每环底部和顶部管片均能填满；最好能设计为在TBM进行砂浆拌制，这样更能确保砂浆用量满足需求，也能规避运输过程中的所有风险和问题。

(2) 豆粒石回填跟进管片安装进行，对确保管片安装质量及安全起到了至关重要的作用；豆粒石管路在喷射时磨损非常严重，成本增加，建议将豆粒石系统在后配套顺序里往前调整，尽量减少管路长度并采用高耐磨内衬材料的管路。

(3) 水泥灌浆系统中的设备生产能力及水泥材料存储运输能力配置要确保工程量及进度需求，尽量满足跟进TBM掘进进行灌浆施工，能够减少甚至避免进行二次灌浆的工作；水泥灌浆制浆系统配置为全自动制浆系统，操作简便，计量准确，效率更高。

(4) 最后，笔者有一个大胆的设想：将水泥和豆粒石干料在TBM进行均匀拌合，用豆粒石喷射泵进行喷射回填，通过地下水或自然受潮后胶结凝固，这样能大大提高整个后配套回填灌浆的质量与效果，并大量减少水泥回填灌浆的工作量。但这仅为设想，还有待科学验算和工程实践论证其效果及可行性。