TBM超前化學(xué)固結(jié)灌漿在引紅濟石工程中的應(yīng)用

秦菡

（陜西省石頭河水庫灌溉管理局 陜西 楊凌 712100）

1 工程概況

引紅濟石調(diào)水工程位于陜西省寶雞市太白縣境內(nèi)，是引長江水系褒河支流紅巖河水通過橫穿秦嶺的隧洞自流調(diào)入黃河水系渭河南岸支流石頭河，經(jīng)石頭河水庫調(diào)節(jié)后向西安、咸陽、楊凌等城市供水，是陜西省的“南水北調(diào)”工程，也是陜西省“十一五”期間重點水利工程。

引紅濟石調(diào)水工程由低壩引水樞紐和引水隧洞組成，其中引水隧洞全長19795m，采用鉆爆法+TBM法施工的聯(lián)合施工方案。鉆爆法施工段8700m，斷面為城門洞形，成洞尺寸為2.8m（寬）×3.0m（高）；TBM施工段長11095m，斷面為圓形，成洞直徑3.0m。隧洞設(shè)計縱坡1/890，最大引水流量為13.5m3/s，年調(diào)入石頭河水量9210萬m3。

2 施工中存在的問題

TBM施工段設(shè)計巖石以中硬質(zhì)巖為主，適合TBM掘進機施工，但從已掘進段穿過洞室地質(zhì)情況來看，該段圍巖以角閃片巖為主，角閃片巖夾片麻巖、斜長片巖、云母石英片巖、綠泥石片巖等。實際取巖芯試驗單軸飽和抗壓強度最高只達(dá)到45MPa，破碎圍巖段無法有效取出巖芯。因雙護盾施工暴露的圍巖非常有限，巖層走向與洞軸線夾角觀察統(tǒng)計不系統(tǒng)，巖層走向不能精確測量，目測巖層走向與隧洞交角在40°以內(nèi)，有的巖層走向與隧洞交角目測在20°以內(nèi)，也有幾乎與洞軸線平行的情況。地質(zhì)構(gòu)造裂隙和伴生斷層發(fā)育，地下水局部發(fā)育，多呈線狀或股狀流水，巖層產(chǎn)狀錯亂，軟弱夾層發(fā)育，多有泥質(zhì)充填物，軟硬巖相間，巖體破碎，自穩(wěn)性較差，在地下水的作用下易發(fā)生拱頂塌方掉塊。雙護盾TBM在這種硬質(zhì)巖中夾軟質(zhì)巖、軟弱夾層和擠壓破碎帶地層中的適應(yīng)性很差，TBM開挖后掌子面自穩(wěn)時間短，極易發(fā)生坍塌，大量坍塌松散碴體擁堵在刀盤前方及頂部造成TBM刀盤被卡，掌子面脫困施工過程中因長時間停機。加之圍巖收斂速度快,圍巖作用在盾殼上進而出現(xiàn)TBM換步困難，掘進推力增大，姿態(tài)不易控制，管片安裝困難，后配套凈空受限無法通過等一些列惡性循環(huán)，給施工生產(chǎn)組織帶來了很大的困難。

3 解決的方案

針對該工程在不良地質(zhì)段中無法發(fā)揮雙護盾TBM快速掘進優(yōu)勢的特點，在TBM未掘進段施工中，綜合考慮HSP超前地質(zhì)預(yù)報和深距離地表物探中探明的詳細(xì)地質(zhì)構(gòu)造和TBM施工特點，認(rèn)為本工程不具備傳統(tǒng)鉆爆法施工中采用的水泥漿、水泥-水玻璃施工條件，最終采用聚氨酯類（PUR）灌漿材料，及時主動地對斷層、破碎帶、涌水等不良地質(zhì)地段實施化學(xué)固結(jié)灌漿。目的是超前改良地質(zhì)情況，封堵地下涌水，使圍巖具有較好的整體穩(wěn)定性，從而避免TBM掘進中掌子面坍塌后的被動脫困施工中引發(fā)支撐盾、尾盾、前盾卡機等一些惡性循環(huán)的發(fā)生，提高TBM掘進能力。

4 施工方法與技術(shù)要求

在探明TBM施工前方出現(xiàn)不良地質(zhì)地段需要進行化學(xué)灌漿時,在掌子面前方布置8個深度為10m～15m的深注漿孔。在這8個深孔外圍，再密布10個～12個4m～5m深度的淺孔。注漿時先注淺孔，待漿液在掌子面表面有溢出時停注，目的是先封閉住掌子面淺層的裂隙，然后深孔可以采用反應(yīng)速度稍慢（5min左右）的漿液進行一次全孔控制注漿，使?jié){液的擴散和滲透范圍增大，最終達(dá)到加固段全段有效加固改良圍巖。

4.1 造孔

深灌漿孔一般在掌子面前方洞軸線上布置1孔，鉆孔方向沿洞軸線向前；靠近隧洞開挖輪廓線布置其余7孔，其中洞軸線水平面以上布置3孔，以下左右兩側(cè)各布置2孔。洞軸線以下最下部的緊靠隧洞軸線垂直面左右兩側(cè)各1孔的鉆孔方向是向前上方且稍遠(yuǎn)離洞軸線，終孔位置在隧洞開挖輪廓線內(nèi)，此兩孔與洞軸線上的1孔主要承擔(dān)隧洞輪廓線內(nèi)的固結(jié)灌漿任務(wù)。洞軸線水平面稍偏下方的左右兩孔的鉆孔方向為前方稍向上方且遠(yuǎn)離洞軸線，洞軸線水平面以上的3孔的鉆孔方向均向前方且徑向遠(yuǎn)離隧洞縱向軸線。以上5孔的具體鉆孔深度以終孔位置與隧洞開挖輪廓線的距離不超過5m為原則確定。

深孔鉆孔在掌子面沿刀盤人孔轉(zhuǎn)動輪廓線全斷面范圍內(nèi)，通過人工點動刀盤確定孔位，由于鉆孔外插角受刀盤空間限制，每個孔的鉆孔外插角均不同。

深孔注漿鉆孔采用天風(fēng)YG40導(dǎo)軌式鑿巖機鉆孔，導(dǎo)軌根據(jù)刀盤空間情況適度改造，鉆孔直徑為φ50mm，釬桿長度1m/節(jié)，采用R32波形螺紋連接方式連接。鉆深孔順序采用由下往上施工，施工好后及時下PVC注漿管，并采取保護措施保護好成孔。

淺孔在隧洞軸線水平面及以上范圍內(nèi)沿隧洞開挖輪廓線內(nèi)縮約50cm的位置均布5個～7個，在水平面以下左右側(cè)各布置1孔，通過滾刀刀孔或刮板孔人工點動刀盤確定孔位。隧洞軸線水平面以上鉆孔方向均向前且徑向偏離縱軸線約60°，以下左右各1孔水平向前且向左或向右偏離縱向軸線60°，在隧洞開挖線中間位置再布置3個孔。

淺孔注漿孔采用YT28風(fēng)鉆；鉆淺孔順序采用每次成孔上下左右4個孔，然后注漿。鉆孔原則為根據(jù)孔位布置圖，孔間距盡量拉大，一個孔注漿時不影響其他成孔。

淺孔注漿時，掌子面具備成孔條件的，YT28風(fēng)鉆配φ42mm鉆頭，采用1.5m、2.5m、3.5m、4m和5m的鉆桿進行套鉆施工鉆孔，成孔后孔內(nèi)下PVC注漿管灌漿。因圍巖破碎，成孔困難的，開孔在TBM開挖輪廓線外的，采用φ25mm自進式錨桿鉆孔，按1m/節(jié)采用波形螺紋連接套連接鉆孔；開孔在TBM開挖輪廓線內(nèi)的，采用φ32mm自進式玻璃鋼鉆桿，仍按1m/節(jié)采用波形螺紋連接套連接鉆孔。

鉆機所需高壓風(fēng)源和水源由TBM配備的空壓機和施工供水系統(tǒng)提供。

4.2 安裝注射管路

淺孔注漿時，底部鉆桿梅花型開孔最大長度不大于2m，花孔間距30cm～50cm；深孔注漿時，撤出鉆桿后，全孔插入PVC注漿管，底部注漿管桿體上按30cm～50cm間距梅花布孔，長度不大于全孔長度的1/2，花孔用錫紙封堵好。

淺孔注漿時孔內(nèi)封孔器的放置在距孔口1.0m～1.5m位置；深孔注漿時孔內(nèi)封孔器放置在距孔口約2m～3m位置處。

封孔器與PVC管連接好后連接可曲撓管，管路連接好后孔口至封口器長度范圍內(nèi)用錨固劑或帶混合漿液的棉紗進行堵塞，待此封堵段完全凝固后方可開始注漿。

雙液注漿管路做好A、B料標(biāo)記，始終做到每次管路與泵出漿口對應(yīng)連接。

4.3 注射灌漿

現(xiàn)場安裝好氣動注漿泵后，先進行試運行，檢查氣動二聯(lián)件、空氣凝結(jié)器、油霧化器等是否工作正常，檢查進風(fēng)軟管是否干凈，待各系統(tǒng)正常工作后方可開始灌漿。

本工程采用的化灌材料為中英合資企業(yè)——北京瑞琪米諾樺合成材料有限公司生產(chǎn)的瑞米系列。

分別把A料缸和B料缸的進料管和出料管置于各自的料桶內(nèi)。慢慢開啟氣動注漿泵進風(fēng)控制閥，開始工作，此時 A、B（1：1）兩種液料分別在兩個料桶中循環(huán)。盡量使A、B進料管中的氣泡排凈，檢查進料系統(tǒng)和進料配比，確保整個系統(tǒng)正常。

系統(tǒng)正常后，停泵，按規(guī)定的連接方式組裝槍頭，管路連接到混合器，開始注漿。灌漿先低速，工作面未出現(xiàn)跑、漏漿等異常情況時根據(jù)實際情況提高灌漿速度，達(dá)到閉漿條件時再放低速度，直至閉漿停泵。

出現(xiàn)以下情況之一，均達(dá)到閉漿條件。掌子面表面有漿液溢出；注漿壓力大幅度升高；單孔每延米灌漿量達(dá)到0.2m3。

注漿結(jié)束后，用A組份料沖洗混合器與出料口，約10s左右；然后用清質(zhì)機油清洗氣動注漿泵及其配件，檢查清點附件數(shù)量及其功能。

4.4 封孔

由于該化灌材料完全固化反應(yīng)時間非?？?，采用自進式鉆桿作為孔內(nèi)灌漿管時，無需專用的封孔設(shè)備，停止灌漿后拆除可曲撓管即可。采用PVC塑料管作為孔內(nèi)灌漿管時，其采用孔內(nèi)自封孔技術(shù)，封孔器在下管路時安放，一次使用，不再周轉(zhuǎn)。

表1 銳米堵水/加固1號產(chǎn)品的基本性能參數(shù)

4.5 施工記錄

裝料桶為準(zhǔn)確稱量，施工過程中記錄好以下要素：灌注孔位、單孔深度、單孔灌漿量、開灌壓力、閉漿壓力、灌漿起止時間及施工過程中的其他需要記錄的事項。

5 施工技術(shù)保證措施

（1）鉆眼前應(yīng)檢查鉆具是否完好，風(fēng)路、水路、油路是否暢通，工作面有無危險情況，以上情況都達(dá)到完好要求時，才準(zhǔn)許鉆眼。

（2）開眼時，應(yīng)把風(fēng)鉆操縱閥開到輕運轉(zhuǎn)位置，待眼位穩(wěn)固并鉆進20～30mm后，再把操縱把手扳到中運轉(zhuǎn)位置鉆進，直至鉆頭不易脫離眼口時，再全速鉆進。

（3）鉆眼時，風(fēng)鉆、鉆桿與鉆眼方向要保持方向一致，推力要均勻適當(dāng)，鉆架升降要隱，導(dǎo)軌固定要牢固，以防折斷鉆桿、夾鉆桿或拐丟鉆頭。

（4）鉆眼布置應(yīng)盡量與巖石層、節(jié)理方向成一定的夾角，盡量避免沿層、節(jié)理方向鉆眼。

（5）淺孔注漿時漿液反應(yīng)速度應(yīng)有意識提高，施工現(xiàn)場反應(yīng)時間約1min～2min左右，使其及早凝固后形成簡易止?jié){墻；深孔采用反應(yīng)速度減慢（5min左右）的漿液進行控制注漿，使?jié){液的擴散和滲透范圍增大。

（6）操作泵的人員和倒料添料人員應(yīng)時刻注意兩種漿液(A、B料)的進漿速度相同，同時觀察壓力變化，一般壓力升高可能由于漿液凝固、管路堵塞或由于漿液逐漸充填裂縫，此時應(yīng)立即停止灌漿。壓力穩(wěn)定上升，但仍在預(yù)定壓力之內(nèi)，此時是正常的，有時出現(xiàn)壓力下降情況，這可能是由于孔隙被沖開，漿液大量進入裂縫深部所致，此時可以持續(xù)灌漿。隨著大量漿液進入裂縫，壓力會逐漸上升并穩(wěn)定。壓力降低的另一個原因是由于封縫或管路接頭漏漿造成的，則需及時停止灌漿，進行處理。有時由于泵壓力增大，將漿液壓入裂縫深處，使大量漿液流失，這時可調(diào)節(jié)漿液配合比，使之縮短凝結(jié)時間，或采用間歇灌漿的方法來減少漿液損失。

6 結(jié)論

經(jīng)過實踐證明：引紅濟石隧洞工程TBM施工段所采用的聚氨酯類化學(xué)漿材是合適和有效的，直接在孔內(nèi)止?jié){的注漿方式也是非常先進的。漿液包裹松散圍巖形成厚度大約5m的固結(jié)巖體，這種固結(jié)巖體有相當(dāng)?shù)膹姸龋行У胤乐沽苏谱用鎳鷰r的坍塌，并阻隔大量地下涌水進入TBM機頭，使TBM掘進機能在軟弱地層中緩慢前行，基本解決的卡機問題，保證了開挖進度。陜西水利