兰州市刘家峡水库水源地建设工程项目,采用全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,简称“TBM”)进行施工,TBM具有快速掘进、预制管片衬砌稳定等优点,在输水隧洞的建设中得到了普及。TBM施工工艺中,TBM掘进、预制管片衬砌、豆砾石回填及灌浆是TBM施工的三大控制环节,其中,豆砾石回填及高效灌浆技术是TBM隧洞成型后质量的保障,制约成型隧洞的质量,决定TBM施工项目的成败。现阶段,国内外对TBM豆砾石回填及高效灌浆技术仍处于摸索状态,实际工程应用中缺乏成熟的施工工艺及规范依据可以借鉴。本文关于TBM豆砾石回填密实度及高效灌浆技术科研课题的开展,对于解决TBM豆砾石回填灌浆的技术难点,使其达到国内领先水平,具有重要意义。本文依托兰州水源地TBM项目,通过TBM豆砾石灌浆支护的理论研究、室内材料性能试验、室外灌浆工艺试验、灌浆系统改造及施工工艺改进前后豆砾石回填灌浆芯样抗压强度检测,对TBM豆砾石回填灌浆施工技术进行了研究,得出了以下结论:(1)对预制管片纵向受力情况进行了分析,结果表明,第1、2环管片受TBM护盾的摩擦力,推力呈线性趋势减小;第3环~第5环,由于水泥砂浆处于初凝时间段内,对预制管片提供的摩擦力有限,故推力维持一个较稳定的状态;第5环~第8环,由于预制管片背后的水泥砂浆逐步凝结,管片受到的推力迅速下降,直至趋于0。因此,预制管片安装时,需时刻关注前8环的预制管片安装情况,避免因推力出现的错台问题;(2)对豆砾石灌浆回填层与预制管片组成的组合支护特性进行了研究,根据应力分担比U_p、变形比U_u和刚度折减系数K三个指标,判定豆砾石回填灌浆层在预制管片与围岩之间,主要起到传递应力与变形的作用,并不能提高组合支护的支护刚度;(3)对豆砾石回填灌浆原材料进行研究,在豆砾石、水泥、水玻璃和外加剂均满足规范要求的前提下,经过室内级配试验,确定了豆砾石级配;(4)对灌浆材料进行了设计,根据规范要求的浆液配置强度要求,对浆液强度进行了计算,经不同灌浆浆液水灰比及浆液特性试验,常压洞段灌浆拟选用配合比0.60:1和0.55:1分别作为常压洞段、富水洞段施工时的基准施工配合比;(5)通过室外工艺试验和洞内现场底拱灌浆试验,对TBM豆砾石回填工艺进行了改进,结合洞外仿底拱双液浆灌注试验,对速凝水泥浆的技术进行了改良,在水泥净浆配合比为0.6:1,水玻璃掺量为水泥重量的4%的条件下,可使底拱灌浆浆液达到速凝、排水、灌注饱满的目的;(6)对灌浆系统进行了改造,将豆砾石罐下料口改为液压启闭系统,降低了安全隐患;增加了TBM原配套的制浆机容量,解决了原设备不能连续灌浆的问题;拖车尾部配置三缸泵及储浆桶,供拖车尾部独立完成腰顶拱水泥浆灌注,使拖车尾部灌浆不受掘进换步影响,有利于保证灌浆质量;本文关于TBM豆砾石回填灌浆施工工艺改进的研究,对于指导类似TBM项目的豆砾石回填灌浆施工,具有较高的工程应用价值。