一种隧道或隧洞衬砌背后回填细石混凝土及其回填方法

摘要

一种隧道或隧洞衬砌背后回填细石混凝土及其回填方法，细石混凝土材料为普硅PO32.5－PO42.5水泥、粒径0.16－5mm的砂、施工用水，可加粒径5－10mm的石子或模数2.8－3.2的硅酸钠。细石混凝土的四种类型的配合比分别为水泥∶砂∶水=1∶1－2∶0.7；水泥∶砂∶水∶硅酸钠=1∶1－2∶0.7∶0.08；水泥∶砂∶石子∶水=1∶1∶1∶0.7；水泥∶砂∶石子∶水∶硅酸钠=1∶1∶1∶0.7∶0.08。回填方法是把细石混凝土用连续灌注、压力平稳的设备，从隧道或隧洞衬砌面的注入孔中，压进衬砌背后与围岩的空腔。在压注的同时，可加入硅酸钠液体速凝剂。本细石混凝土具有保水性、流动性、干缩量小、凝固强度高，本回填方法使衬砌背后与围岩紧密贴合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道或隧洞衬砌回填混凝土及其回填方法。

背景技术

伴随着新交通的建设和水资源的开发，长距离隧道和引水隧洞的修建越来越多。隧道或隧洞的衬砌质量备受关注，影响衬砌质量的重要因素之一是回填质量，而隧道或隧洞衬砌背后的回填介质及回填方法直接关系到回填综合质量。隧道或隧洞衬砌设计承载能力的前提条件是衬砌与围岩密贴，共同承受外部荷载，所以隧道或隧洞衬砌背后与围岩之间的空腔必须灌注均匀密实、衬砌背后与围岩紧密贴合，上堵水能力强、凝固强度高才能保证衬砌的质量。否则衬砌的承载能力达不到设计要求，如外部有突发荷载出现，隧道或隧洞衬砌发生灾难性的破坏机率就会增大，造成事故隐患。

现有的隧道或隧洞衬砌背后的回填均是采用活塞式注浆泵灌注水泥浆的方法进行，衬砌背后回填介质是水泥浆，浆液密度＜1.6kg/L，于缩量大，必然产生衬砌背后与围岩之间不密贴现象。在富水层灌注水泥浆或少许掺砂的砂浆，受水冲刷离析严重，水泥砂浆在空腔难以滞留，排水的同时将水泥砂浆液也排出，串浆串水并发，无法保证回填密实。在坍塌、超挖、山体裂隙、溶洞区段回填串浆严重，不得不间歇性灌注，连续性差。如重复灌注，将会使水泥浆通道相互阻塞。采用活塞式注浆泵灌注水泥浆的回填方法，这类注浆泵不仅压力脉冲、排量小，一次性回填量小，遇到大空腔区持续数天的回填工作都不能结束，制约工期。因原理结构原因，进排阀通过能力差，水泥浆液粘度偏高或加入少量细砂，就会卡死阀门、管道堵塞、工效低下、材料浪费严重，难以保障回填质量。

具有世界先进水平的隧道挖掘机(TBM)因其掘进、预制衬砌效率高，广泛应用于引水隧洞、地铁、公路隧道工程施工中。而预制衬砌背后的回填方法是全断面预压骨料(豆砾石)后再灌注水泥浆，其成套设备配置了预压骨料系统和灌浆系统。预压骨料系统是全面预压骨料(豆砾石)，对预制衬砌管片起到早期稳定和增加空腔填充的作用。注浆系统的目的是将水泥浆注入衬砌背后扩散实现固结骨料，同时填充空隙，使预制衬砌管片背后与围岩密贴，可这仅仅是愿望。施工实例证明，TMB掘进、预制衬砌后，采用全断面预压骨料(豆砾石)对早期管片稳定作用不容质疑，但通过灌注水泥浆的方法，保证不了回填质量，会造成隐患，已引起广大工程技术人员的高度重视。因为全断面预压骨料(豆砾石)是从隧洞径向预留孔吹进，受风压、风量、施作方法、骨料重力作用等因素影响，难以保证预压骨料的均匀性，在预制衬砌管片背后与围岩的空腔中往往形成不均匀的堆积，形成骨架空腔，给跟进注浆固结带来困难，实现不了固结填充的作用。分析认为：一是注入的水泥浆路径曲折，方向错综复杂，不像固结围岩裂隙具有一定的方向性；二是因预压骨料密实程度不一致，水泥浆液不能均匀扩散，有较大空隙的部位使浆液顺畅通过，形成串浆的导向，虽然预留孔是均匀布置的，注入预留孔水泥浆固结范围之间的结合面必定有盲区存在，实现不了均匀性固结；三是活塞式注浆泵是脉冲高压喷射的水泥浆，初注入时会堵死水泥浆通道，明显的降低水泥浆的扩散能力，不可能实现无缝不入将缝隙填充，凝固体会形成“豆腐渣状”，这就严重影响了隧洞的衬砌质量，如引黄国际II-III标7^#隧洞，是预制衬砌管片背后吹豆砾石灌浆回填，由于围岩不稳定、回填不密实等原因，出现了长距离的塌陷，从断层发现预压骨料(豆砾石)与水泥浆根本未形成密实的凝固结体，而是松散“豆腐渣状”；四是在富水层的注浆回填离析严重，根本实现不了固结骨料。如昆明市掌鸠河输水工程土建I标，TMB掘进时通过地下富水层，开挖直径3.655m，预制衬砌后成洞直径3m，在掘进、预制衬砌背后，预压骨料(豆砾石)灌注水泥浆回填，串水串浆并发，回填不密实。对已完成的4.8km预制衬砌背后回填效果不容乐观，渗水面积仍有50％，个别部位涌水量高达5L/s，这样使后期止水堵漏很棘手；五是隧洞通过山体裂隙、溶洞、超挖段回填时串浆严重，材料浪费严重。如引黄国际V标连接段7#隧洞在进水口3km处有山体裂隙存在，在掘进、预制衬砌、回填开始到隧洞贯通后，在其一部位从侧拱上部预留孔间歇性、重复灌注水泥浆800多吨，历时一个多月，仍未能完成回填，使工期无奈延长。

发明内容

为了克服现有隧道或隧洞衬砌背后回填混凝土及其回填方法的上述不足，本发明提供一种衬砌背后回填混凝土，这种混凝土具有保水性、流动性、干缩量小、凝固强度高、止堵水能力强，适合于隧道或隧洞衬砌背后回填，同时，提供一种隧道或隧洞衬砌背后回填方法，这种回填方法可使衬砌背后与围岩紧密贴合。

本发明的内容主要有两点，一是隧道或隧洞衬砌背后回填介质，二是隧道或隧洞衬砌背后回填方法。回填介质主要寻找保水性强、不离析、凝固强度高、止堵水能力强、黏稠度适当、具有流动性、能充满衬砌与围岩之间的空腔、并能使衬砌背后与围岩紧密贴合的混凝土。隧道或隧洞衬砌背后回填方法是用连续灌注的方法及设备，把本发明提供的回填介质回填到隧道或隧洞衬砌与围岩之间的空腔。

本发明仍以水泥浆为基本材料，为了减小水泥浆的干缩量，提高凝固强度，增加其粘度不降低流动性，便于注入衬砌背后与围岩之间狭窄的缝隙，在水泥浆中加入粒径不大于10mm的砂、石子成细石混凝土。根据衬砌背后回填的技术要求，本细石混凝土按重量配合比分为表1中的四种类型，A类型中的配合比为水泥∶砂∶水；B类型为水泥∶砂∶水∶硅酸钠；C类型为水泥∶砂∶石子∶水；D类型为水泥∶砂∶石子∶水∶硅酸钠。

表1

类型    配比  (重量份)容重(误差＜3％)(kg/m³)水泥(普硅)骨料粒径(mm)   水硅酸钠(模数) 砂 石子A 1∶1-2∶0.7 1960-2100 PO32.5-42.5 0.16-5施工用水B 1∶1-2∶0.7∶0.08 1960-2100 PO32.5-42.5 0.16-5施工用水2.8-3.2C 1∶1∶1∶0.7 2200 PO32.5-42.5 0.16-5 5-10施工用水D 1∶1∶0.7∶0.08 2200 PO32.5-42.5 0.16-5 5-10施工用水2.8-3.2

本发明的隧道或隧洞衬砌回填方法步骤依次如下：

一 把回填材料按照本发明提供的配合比混合，搅拌均匀，制备A类型或C类型的细石混凝土，如用本申请人发明的专利号ZL 02269286.X的《一种多功能细石混凝土泵》设置的搅拌筒，搅拌均匀成细石混凝土，效果较好；

二 用连续灌注、压力平稳的设备，如用上述的《一种多功能细石混凝土泵》中设置的混凝土螺杆泵，把配制成的细石混凝土从隧道或隧洞衬砌面钻好的注入孔或预留孔中，连续压进衬砌背后与围岩的空腔。多功能细石混凝土泵的技术参数参见表2。

根据回填技术要求，为加快细石混凝土的凝固速度，需要加入硅酸钠液体速凝剂，按照B类型或D类型的配合比，加入重量份0.08的硅酸钠液体速凝剂，搅拌均匀成B类型或D类型细石混凝土，再注入隧道或隧洞衬砌背后与围岩之间的空腔中。较好的方法是在注入A类型或C类型细石混凝土的同时，将重量份0.08的硅酸钠液体速凝剂从侧面注入输送A类型或C类型细石混凝土输送管，成B类型或D类型细石混凝土注进注入孔。用《一种多功能细石混凝土泵》是实现这一操作的最佳方法，在灌注细石混凝土的同时，通过该泵备设置的速凝液泵将硅酸钠液体速凝剂压注距注入孔口1.5m左右该泵设置的压力混合阀内，经压力混合阀混合后压注到隧道或隧洞衬砌背后与围岩之间的空腔中。

表2

工作压力(MPa)生产能力(m³/h)压送骨料粒径(m)压送粘度(Pas)压送水平距离(m)压送垂直距离(m)外型尺寸(m)0-1.810-15≤18130-320＞200＞504.2×1.5×2.3

具体方法是

一 钻孔、制备注浆头

在衬砌面钻直径≥50mm的注入孔，根据注入孔的直径制备与之相配的注浆头，在注浆头设置着开闭阀门，注浆头是DXHB-10型多功能细石混凝土泵的一个重要部件，通常备用20个，可重复使用。

二 安装好所用设备和料台，设备有DXHB-10型多功能细石混凝土泵及易损件、运输平板车、牵引机车等，料台有可移动支架、台板等，接通水电，安装好注浆头；

三 备料

按照回填细石混凝土A类型或C类型的配合比，容重法计算把材料准备好，运送到隧洞内DXHB-10型多功能细石混凝土泵旁的料台上；

四 制备细石混凝土

按照回填细石混凝土A类型或C类型的配合比，分别将水、水泥、砂，对于C类型还加入石子，依次加入到DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的两个搅拌桶内，搅拌均匀成细石混凝土，两个搅拌桶交替工作，连续供料。加入的水量控制是通过在搅拌桶内设定的水位线观测确定；

五 回填操作

开启搅拌桶的放料控制阀门，将搅拌好的细石混凝土放入混凝土螺杆泵的进料箱中，同时启动DXHB-10型多功能细石混凝土泵的混凝土螺杆泵，将细石混凝土通过直径50mm的输送管压送注入孔到衬砌背后与围岩之间的空腔，注入孔口升压至规定的压力0.5MPa时，停混凝土螺杆泵保持注入压力0.5MPa，本回填方法通过间歇停机、启动混凝土螺杆泵实现恒压，以使部位回填空隙充满。压力观察通过混凝土螺杆泵出口设置的压力表和注入孔口设置的压力表读出，恒压3-8分钟，一般5分钟后，关闭注浆头的开闭阀门，反转混凝土螺杆泵卸压，在卸掉输送管道压力的同时，将输送管内的余料抽回到混凝土螺杆泵口的进料箱，摘下输送管，完成一个注入孔的部位回填工作，依此再从与该注入孔相邻的另一注入孔注入细石混凝土。

对于加入硅酸钠液体速凝剂的细石混凝土，按照B类型或D类型的配合比，在回填操作的同时，通过DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的速凝液泵，每次将重量份0.08的硅酸钠液体速凝剂压送至距注浆孔1.5m处该泵设置的压力混合阀内，与混凝土螺杆泵压送的细石混凝土混合后压进注入孔。

本发明采用骨料粒径不大于10mm、并按照一定配合比的细石混凝土作为隧道或隧洞衬砌回填介质保水性强、不离析、凝固强度高、止堵水能力强、流动性好，黏稠度适于隧道或隧洞衬砌背后回填，可实现隧道或隧洞衬砌背后与围岩之间的空腔大工程量回填，尤其是隧道或隧洞通过山体裂隙、溶洞、坍塌区、富水层的回填，采用连续灌注的细石混凝土泵特别是采用《一种多功能细石混凝土泵》，可不间断地以稳定的压力、大排量快速连续灌注，一次性将某一个部位回填充满，避免了活塞式注浆泵灌注回填灌注量小、压力脉冲、浆液离析、重复灌注、工效低下的状况和设备阀门卡死、管路不畅的不足。使隧道或隧洞衬砌背后与围岩密贴，大大提高了回填质量，缩短了施工工期、降低了综合成本，而且满足了回填技术要求。

附图说明

图1是采用A类型细石混凝土回填工作流程图。

图2是采用B类型细石混凝土回填工作流程图。

图3是采用C类型细石混凝土回填工作流程图。

图4是采用D类型细石混凝土回填工作流程图。

图5是注浆头结构图。

上述图中：

1、限位头    2、橡胶套  3、垫圈   4、套管     5、螺纹套 6、输送钢管

7、开闭阀门  8、联接管  9、联接头 10、联接管  11、旋塞

12、弹簧     13、钢珠   14、通孔  15、压力混合阀    16、通孔

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细说明本隧道或隧洞衬砌背后回填混凝土及其回填方法的具体实施方式，但本发明的隧道或隧洞衬砌背后回填混凝土及其回填方法不局限于下述的实施例。下述八个实施例中所说的DXHB-10型多功能细石混凝土泵即按照本申请人发明的专利号ZL02269286.X的《一种多功能细石混凝土泵》制造的细石混凝土泵。

回填细石混凝土实施例一

为A类型的细石混凝土，把下述材料

未受潮、无结块的普硅PO32.5水泥200kg

粒径0.165mm的过筛河砂200kg  施工用水140kg

混合均匀。在回填施工时，最好准备两组原料，分别加到DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的两个搅拌桶中，混合搅拌均匀，制成容重1960kg/m³的细石混凝土，把其中一个搅拌桶内的细石混凝土注入衬砌预留孔内时，搅拌另一个搅拌桶内的细石混凝土，两个搅拌桶交替工作，参见图1。

回填细石混凝土实施例二

为B类型的细石混凝土，把下述原料

未受潮、无结块的普硅PO32.5水泥200kg

粒径0.16-5mm的过筛河砂200kg

施工用水140kg  液体硅酸钠16kg

混合均匀。在回填施工时，最好准备两组原料，把水泥、砂与水分别加到DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的两个搅拌桶中，混合搅拌均匀，制成容重1960kg/m³的细石混凝土，把其中一个搅拌桶内的细石混凝土注入衬砌预留孔内时，搅拌另一个搅拌桶内的细石混凝土，两个搅拌桶交替工作。在注入细石混凝土的同时，把模数为2.8-3.2的硅酸钠的液体速凝剂16kg，通过DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的速凝液泵注入到该泵设置的压力混合阀中，与细石混凝土混合后注入预留孔中，初终凝时间1-5分钟。本实施例中液体硅酸钠稀的定量加入是根据DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的混凝土螺杆泵、速凝液泵的排量及所需的初凝时间确定的，参见图2。

回填细石混凝土实施例三

为C类型的细石混凝土，把下述原料

未受潮、无结块的普硅PO32.5水泥200kg

粒径0.16-5的过筛河砂200kg

粒径5-10mm的过筛卵石200kg  施工用水140kg

混合均匀。在回填施工时，最好准备两组原料，分别加到DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的两个搅拌桶中，混合搅拌均匀，制成容重2200kg/m³的细石混凝土，把其中一个搅拌桶内的细石混凝土注入衬砌面钻好的注入孔或预留孔中。搅拌另一个搅拌桶内的细石混凝土，两个搅拌桶交替工作，参见图3。

回填细石混凝土实施例四

为D类型的细石混凝土，把下述原料

未受潮、无结块的普硅PO32.5水泥200kg

粒径0.16-5的过筛河砂200kg

粒径5-10mm的过筛卵石200kg

施工用水140kg  液体硅酸钠16kg

混合均匀。在回填施工时，最好准备两组原料，把水泥、砂、石子与水分别加到DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的两个搅拌桶中，混合搅拌均匀，制成容重2200kg/m³的细石混凝土，把其中一个搅拌桶内的细石混凝土注入衬砌预留孔内时，搅拌另一个搅拌桶内的细石混凝土，两个桶交替工作。在注入细石混凝土的同时，把模数为2.8-3.2的硅酸钠的液体速凝剂16kg，通过DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的速凝液泵注入到该泵设置的压力混合阀中，与细石混凝土混合后注入预留孔中，初终凝时间1-5分钟，参见图4。

实际上，把重量份0.08的硅酸钠液体速凝剂加到A类型或C类型的细石混凝土中即成B类型或D类型的细石混凝土。

细石混凝土A、B、C、D四类型的配合比中，每种材料的重量误差范围≤3％，如回填石子混凝土实施例一中的河砂，可加194kg，也可加206kg。

回填方法实施例一

本实施例是现浇衬砌隧洞，回填的隧洞长0.6km，隧洞断面50m²，衬砌背后与围岩之间的空腔0.4-1.8m，回填工程量4900m³，取岩芯强度46MPa。

一钻孔、准备注浆头

在现浇衬砌背后回填细石混凝土，在衬砌面钻直径≥50mm的注入孔，根据注入孔的直径制备与之相配的注浆头，本实施例的注浆孔直径为50mm，注浆头的直径为48mm，在注浆头设置着开闭阀门，即直径50mm的铜球阀。注浆头是DXHB-10型多功能细石混凝土泵的一个重要部件，通常备用20个，可重复使用。

二安装好所用设备和料台，设备有DXHB-10型多功能细石混凝土泵及易损件、运输平板车、牵引机车等，料台有可移动支架、台板等，接通水电，安装好注浆头；

三备料

按照回填细石混凝土A类型的配合比，容重法计算把材料准备好，运送到隧洞内DXHB-10型多功能细石混凝土泵旁的料台上；

四制备细石混凝土

按照回填细石混凝土实施例一的两组材料，分别将水、水泥、砂，依次加入到DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的两个搅拌桶内，搅拌均匀成细石混凝土，两个搅拌桶交替工作，连续供料。加入的水量控制是通过在搅拌桶内设定的水位线观测确定。

五回填操作

开启搅拌桶的放料控制阀门，将搅拌好的细石混凝土放入混凝土螺杆泵的进料箱中，同时启动DXHB-10型多功能细石混凝土泵的混凝土螺杆泵，将细石混凝土通过直径50mm的输送管压送注入孔到衬砌背后与围岩之间的空腔，注入孔口升压至规定的压力0.5MPa(回填技术要求回填压力≤0.5MPa)时，停混凝土螺杆泵保持注入压力0.5MPa，本回填方法通过间歇停机、启动混凝土螺杆泵实现恒压，以使部位回填空隙充满。压力观察通过混凝土螺杆泵出口设置的压力表和注入孔口设置的压力表读出，恒压5分钟后，关闭注浆头的开闭阀门，反转混凝土螺杆泵卸压，在卸掉输送管道压力的同时，将输送管内的余料抽回到混凝土螺杆泵口的进料箱，(活塞式注浆泵没有此卸压功能，是靠回浆装置恒压、卸压)摘下输送管，完成一个注入孔的部位回填工作，依此再从与该注入孔相邻的另一注入孔注入细石混凝土，这样整个隧洞回填细石混凝土4900m³，全隧道回填工作结束；工作流程见图1；

六钻取岩芯检测

回填细石混凝土结束后，按回填技术要求，对回填质量压水试验合格，钻取岩芯检测，成匀质性凝固体，强度＞40MPa。

回填方法实施例二

本实施例回填的隧洞长2km，隧洞断面13.8m²，衬砌背后与围岩之间的空腔0.2-1.2m，回填工程量7000m³，取岩芯强度46MPa。

本实施例与回填方法实施例一有两点不同，一、本实施例是按照回填细石混凝土B类型的配合比，容重法计算把材料准备好，运输到隧洞内DXHB-10型多功能细石混凝土泵的料台上。按照回填细石混凝土实施例二的两组材料，分别将水、水泥、砂依次加入DXHB-10型多功能细石混凝土泵的搅拌桶内搅拌，两个搅拌桶交替工作，连续供料。二、在回填操作的同时，通过DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的速凝液泵，每次将16kg硅酸钠液体速凝剂压送至距注浆孔1.5m处该泵设置的压力混合阀内，与混凝土螺杆泵压送的细石混凝土混合后压进注入孔，初终凝时间为1-5分钟，一般3分钟。其它步骤与回填方法实施例一相同，见图2。

回填方法实施例三

本实施例回填的隧洞长2km，隧道断面13.8m²，衬砌背后与围岩之间的空腔0.2-0.4m，回填工程量1184m³，取岩芯强度46MPa。

本实施例与回填方法实施例一仅是细石混凝土的配合比不同，每组每次加入了粒径5-10mm的过筛卵石200kg。本实施例是按照回填细石混凝土C类型的配合比，容重法计算把材料准备好，运送到隧洞内DXHB-10型多功能细石混凝土泵旁的料台上；每次把备好的回填原料，按照回填细石混凝土实施例三的两组材料，分别依次将水、水泥、砂、石子加入搅拌桶内，搅拌均匀成细石混凝土，其它步骤与回填方法实施例一的相同，见图3。

回填方法实施例四

本实施例预制衬砌片隧洞，回填的隧洞长1km，隧洞断面13.8m²，衬砌背后与围岩之间的空腔0.2-0.4m，回填工程量592m³，取岩芯强度46MPa。

本实施例与回填方法实施例三有两点不同，一、本实施例是按照回填细石混凝土D类型的配合比，容重法计算把材料准备好，运送到隧洞内DXHB-10型多功能细石混凝土泵旁的料台上。每次把备好的回填材料，按照回填细石混凝土实施例四的两组材料，分别依次将水、水泥、砂、石子加入DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的两个搅拌桶内，搅拌均匀成细石混凝土。二、在回填操作的同时，通过DXHB-10型多功能细石混凝土泵设置的速凝液泵，每次将16kg硅酸钠速凝剂压送至距注入孔1.5m处该泵设置的压力混合阀内，与混凝土螺杆泵送压送的细石混凝土混合后压进注入孔，初终凝时间为1-5分钟，其它步骤与回填方法实施例三相同，见图4。

上述八个实施例的普硅PO32.5水泥，均可采用普硅PO32.5-PO42.5水泥代替，上述的四个隧洞回填实施例也适用于对隧道的回填。

硅酸钠速凝剂也可稀释成浓度为50％的液体速凝剂压送至距注浆孔1.5m处该泵设置的压力混合阀内，与混凝土螺杆泵压送的细石混凝土混合后压进注入孔。

本发明所用的注浆头的结构参见图5，注浆头的前端是橡胶套2，橡胶套2套在输送钢管6外，螺纹套5拧在输送钢管6的螺纹段，套管4压在橡胶套2，输送钢管6的上端联接着开闭阀门7，该阀是铜球阀，开闭阀门7、联接管8、联接头9及联接管10依次联接在一起。在联接管10的侧面焊接着压力混合阀15，压力混合阀15实际上是单向逆止阀。使用时把橡胶套2塞入打好的注入孔中，转动螺纹套5，由套管4、垫圈3轴向挤压橡胶套2，橡胶套2在轴向压力作用下轴向缩短径向增大，与注入孔挤死。