引紅濟(jì)石調(diào)水工程TBM脫困超前固結(jié)化學(xué)灌漿施工技術(shù)初探

劉建春

（陜西引紅濟(jì)石工程建設(shè)有限公司 陜西 楊凌 712100）

1 引紅濟(jì)石調(diào)水工程概況

引紅濟(jì)石調(diào)水工程位于太白縣內(nèi)，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、楊凌等城市提供生活飲用水。引紅濟(jì)石調(diào)水工程引水隧洞全長19795m，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。采用雙護(hù)盾TBM+鉆爆法施工的聯(lián)合施工方案，其中雙護(hù)盾TBM承擔(dān)隧洞施工任務(wù)11095m，由隧洞出口向上游方向獨(dú)頭掘進(jìn)，隧洞施工范圍為K19+795～K8+700。工程采用一臺美國Robbins公司制造，直徑為3.655m的轉(zhuǎn)場雙護(hù)盾TBM獨(dú)頭掘進(jìn)，C40預(yù)制混凝土管片同步襯砌，管片為四邊形，螺栓連接，管片外徑3.5m，內(nèi)徑3.0m，厚度0.25m，環(huán)寬1.1m，每環(huán)由五塊組成，管片設(shè)計全為標(biāo)準(zhǔn)形，無轉(zhuǎn)彎環(huán)管片設(shè)計。

2 TBM施工“6.29”卡機(jī)情況簡述

TBM施工自2009年6月25日開始出現(xiàn)坍塌（施工里程為16+842.9），圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，掘進(jìn)推力僅為80t左右，掌子面掉塊嚴(yán)重，伸縮盾渣體較多，導(dǎo)致?lián)Q步困難（采用超高壓換步），但仍可以順利掘進(jìn)。施工方在施工過程中一直采取低速掘進(jìn)，輔以人工清渣，超高壓換步的方式組織施工，日進(jìn)度緩慢。6月29日零晨3點(diǎn)，TBM掘進(jìn)過程中，掌子面發(fā)生較大規(guī)模坍塌，轉(zhuǎn)動刀盤時大量石渣將1＃皮帶機(jī)卡死，無法繼續(xù)掘進(jìn)，TBM被困。

3 處理方案選擇

根據(jù)以往的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，判斷其坍塌規(guī)模較小，認(rèn)為只要將刀盤前方的渣體清除即可恢復(fù)掘進(jìn)。首先施工項(xiàng)目部采用人工在刀盤處向外掏運(yùn)石渣，出約300m3碎石，但由于掌子面地下水豐富，在點(diǎn)動刀盤清渣過程中，塌腔不斷增大，頂部及刀盤前方全部被渣體充填，無法有效觀察到塌腔的規(guī)模，通過出渣估計，預(yù)計塌腔形狀為11m（長）×11m（高）×7m（寬），采用常規(guī)方案不可行。

經(jīng)組織相關(guān)專家多次研究，準(zhǔn)備采用化學(xué)材料進(jìn)行灌漿地層加固，具體計劃為：

（1）選用化學(xué)材料——“瑞米充填/密封1號”產(chǎn)品對TBM掘進(jìn)機(jī)上方已經(jīng)冒頂?shù)目昭ㄟM(jìn)行充填，目的是防止圍巖體經(jīng)過震動再次冒落，出現(xiàn)危險。

（2）選用化學(xué)材料——“瑞米堵水/加固1號”對TBM掘進(jìn)機(jī)前方破碎、松散破碎的圍巖進(jìn)行充填堵水/加固，目的是超前對圍巖體進(jìn)行加固/堵水，防止冒頂、垮落的險情再次發(fā)生。

表1 瑞米充填/密封1號性能參數(shù)

表2 瑞米堵水/加固1號產(chǎn)品性能參數(shù)

表3 5倍發(fā)泡瑞米加固/堵水1號主要性能指標(biāo)表

瑞米充填/密封1號產(chǎn)品、瑞米堵水/加固1號產(chǎn)品的基本性能如表1、表2。

對比研究后選用了瑞米堵水/加固1號。

本工程使用的化學(xué)灌漿材料由中英合資企業(yè)北京瑞琪米諾樺合成材料有限公司生產(chǎn)并施工。該化灌材料是屬于聚氨酯類（PUR）和硅酸鹽改性聚氨酯類（Silicatemodified PUR）灌漿材料，由A、B兩組份組成，施用配比為固定體積比1∶1。產(chǎn)品包裝為1份A料配1份B料，不用現(xiàn)場稱量配料。其主要性能特點(diǎn)如下：①粘度低（100mPa·s～200MPa·s），可灌性和滲透性好，最小可灌裂縫寬度為0.14mm；②100%樹脂含量，無任何揮發(fā)性（VOC）物質(zhì)，幾乎沒有任何異味，通過國家建材環(huán)保認(rèn)證，阻燃性好，對于地下工程應(yīng)用安全可靠；③凝結(jié)時間可實(shí)現(xiàn)十幾秒到30min～40min，可以根據(jù)工程條件實(shí)現(xiàn)可控灌漿，方便易行；④抗壓強(qiáng)度高（最大可達(dá)到50MPa以上），壓縮變形大（＞50%），粘結(jié)力高（＞5MPa）；⑤反應(yīng)特性可調(diào)節(jié)，可以是不發(fā)泡的硬質(zhì)樹脂，也可以調(diào)節(jié)到一定發(fā)泡膨脹特性，從2倍～3倍發(fā)泡倍數(shù)，到自由膨脹可達(dá)20倍以上。發(fā)泡體韌性大，受壓下不破壞。一定的發(fā)泡特性可以適用于松散破碎層灌注加固，保證更好的粘結(jié)性，并具有較高的抗壓強(qiáng)度。配套的施工注漿泵為固定進(jìn)料配比（1∶1體積比）、自動混料和輸出，輸出壓力最高可達(dá)20mPa～25MPa，可以實(shí)現(xiàn)自動封孔技術(shù)，施工操作簡便易行，配套技術(shù)先進(jìn)成熟。

4 化學(xué)灌漿施工技術(shù)

4.1 施工工藝

“瑞米”灌漿技術(shù)配套的施工泵及其附屬配件技術(shù)，直接引進(jìn)國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)制造，是根據(jù)材料工程需求的性能特點(diǎn)而研制出來的專用配套設(shè)備，施用性強(qiáng)。其應(yīng)用施用工藝簡圖如圖1所示。

4.2 施工方法

4.2.1 鉆孔

鉆孔采用手持式氣動鉆機(jī)或經(jīng)改造減弱沖擊力后的氣腿式鑿巖機(jī)。

由于本工程洞徑小，刀盤空間更加狹小，在刀盤內(nèi)施工其鉆孔方向受限制比較大，其施鉆位置只能根據(jù)刀孔和刮板孔位置在現(xiàn)場予以確定，選擇可以向前偏上的位置施鉆。施鉆角度同樣難以按預(yù)先設(shè)計的角度控制，也是確定施工原則后在現(xiàn)場確定，鉆孔深度以鑿巖機(jī)的最大施工能力而定，盡可能的增加鉆孔深度。

坍塌段固結(jié)灌漿以穩(wěn)定巖體為主，掌子面方向及徑向均進(jìn)行鉆孔，在圍巖破碎帶只需通過人孔在掌子面左右兩側(cè)斜向上施鉆兩個孔即可。其鉆孔示意圖分別如圖2所示。

4.2.2 漿液制備

本工程結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，選擇了5倍發(fā)泡的“瑞米加固/堵水1號”作為超前固結(jié)灌漿加固的材料。該產(chǎn)品A組分為淺褐色粘稠液體，B組分為深褐色粘稠液體，A、B組分按體積比1∶1稱量包裝（以小包裝塑料桶包裝，A組分21kg/桶，B組分24kg/桶），現(xiàn)場無需要再配制漿液，直接使用即可。其性能指標(biāo)如表3所示。

4.2.3 安裝注射管路

采用自進(jìn)式玻璃鋼鉆桿鉆孔完成后，安裝注射管路的順序?yàn)椋喊惭b灌漿變接頭——連接可曲撓管——安裝混合器——連接注漿管路。

采用風(fēng)鉆桿造成完成后，其安裝注射管路的順序?yàn)椋撼烦鲢@桿，插入帶梅花孔PVC塑料注漿管，長度與孔深度匹配——連接注漿封孔器——連接可曲撓管——安裝混合器——連接注漿管路。

4.2.4 灌漿

該漿液無需專用計量的儲漿設(shè)備，以其包裝桶作為儲漿進(jìn)料、計量桶即可。注漿泵采用3ZBQS-12/20型氣動注漿泵，該型號泵其進(jìn)氣壓力為0.4mPa～0.63MPa，由一臺3m3/min的空壓機(jī)即可帶動使用。自動實(shí)現(xiàn)1∶1體積進(jìn)料、混料和輸出，輸出壓力最高可達(dá)20MPa～25MPa。

（1）現(xiàn)場安裝好氣動注漿泵，灌漿前試運(yùn)行，檢查漿輸出管路、氣動二聯(lián)件、空氣凝結(jié)器、油霧化器、然后連接好進(jìn)風(fēng)軟管是否干凈。

（2）分別把A料桶和B料桶的進(jìn)料管和出料管置于各自的料桶內(nèi)。

（3）慢慢開啟氣動注漿泵進(jìn)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(jìn)料管中的氣泡排凈，檢查進(jìn)料系統(tǒng)和進(jìn)料配比，確保整個系統(tǒng)正常。

（4）系統(tǒng)正常后，停泵，按規(guī)定的連接方式組裝槍頭，開始灌漿。通常情況下，開灌速度選擇中低速，即灌漿泵活塞往復(fù)次數(shù)在60次/分鐘左右，確認(rèn)掌子面工作正常、無返漿現(xiàn)象時可適當(dāng)提高灌漿速度，灌漿泵活塞往復(fù)次數(shù)可提高到80次/分鐘～100次/分鐘。當(dāng)灌漿壓力升高和有返漿現(xiàn)象時，根據(jù)施工情況逐步降低灌漿速度，直到最后達(dá)到閉漿條件，停止灌漿。

（5）灌漿過程中，注漿司機(jī)與掌子面注漿操作手應(yīng)建立實(shí)時通訊對講系統(tǒng)。注漿司機(jī)要隨時向注漿操作手報告灌漿速度和灌漿壓力，注漿操作手根據(jù)掌子面的灌漿情況決定提高還是降低灌漿速度。

（6）灌漿過程中出現(xiàn)異常情況時及時停止施工。灌漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)是在低速灌漿情況下（活塞往復(fù)次數(shù)約30次/分鐘），漿液從掌子面的裂隙和注漿管四周滲流返回時，停止灌漿（此時，灌漿壓力通?；丶眲∩仙灿胁糠智闆r下灌漿壓力無明顯變化的情況），該灌注孔灌漿完成。

（7）灌漿結(jié)束后（施工異常停止施工時），用A組份料沖洗混合器與出料口，約10s左右。

（8）用清質(zhì)機(jī)油清洗氣動注漿泵及其配件，檢查清點(diǎn)附件數(shù)量及其功能。

（9）封孔。由于該化灌材料完全固化反應(yīng)時間非?？?，因此無需專用的封孔設(shè)備，停止灌漿后拆除可曲撓管即可。由于裝料桶已有準(zhǔn)確稱量，現(xiàn)場記錄主要包括：灌注孔位、孔深、單孔灌漿量（記錄以“桶”為單位）、開灌壓力、閉漿壓力、灌漿起止時間。

5 結(jié)語

經(jīng)過以上化學(xué)灌漿后，TBM刀盤前圍巖及周邊圍巖凝結(jié)一塊整體，強(qiáng)度明顯增加，后采用人工慢慢清理刀盤四周漿液，點(diǎn)動刀盤開始旋轉(zhuǎn)，TBM刀盤脫困掘進(jìn)恢復(fù)正常。

化學(xué)灌漿材料進(jìn)行超前固結(jié)灌漿，有效地加固了刀盤上方、正前方松散坍體，成功實(shí)現(xiàn)了TBM刀盤脫困。利用這一成功經(jīng)驗(yàn)，在后續(xù)施工中，曾兩次在不良地質(zhì)段時實(shí)施超前預(yù)注漿加固拱部圍巖，TBM成功通過。這一有益的探索為后續(xù)TBM在不良地質(zhì)段的施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，可在同類工程中予以推廣使用。