盾構(gòu)施工斜井富水地段防水處置技術(shù)研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西榆林719315）

盾構(gòu)施工斜井富水地段防水處置技術(shù)研究

楊俊哲（神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西榆林719315）

在富水地層采用盾構(gòu)法修建斜井，其主要技術(shù)難點(diǎn)之一在于防水，其主要包括管片結(jié)構(gòu)自身和接縫防水、管片斜向拼裝后沿縱向的整體防水，尤其要避免長(zhǎng)距離、大埋深情況下管片壁后水力連通而形成過(guò)大的水壓力導(dǎo)致斜井防水失效的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)造成大量滲漏水，危及巷道安全。如何保證斜井在使用期內(nèi)滿(mǎn)足防水技術(shù)要求是一大難題。本文采用理論分析、數(shù)值模擬等綜合研究手段，對(duì)盾構(gòu)施工斜井富水地段防水技術(shù)進(jìn)行研究。確定了壁后回填方法及提出了分段隔水的設(shè)計(jì)思想。

盾構(gòu)；富水；防水；分段隔水

1 引言

結(jié)合斜井結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等特點(diǎn)，確定防水原則。以管片混凝土自防水、管片接縫防水、斜井與始發(fā)井接頭防水為重點(diǎn)，確保斜井整體防水效果；所有防水構(gòu)件、混凝土外加劑等應(yīng)滿(mǎn)足耐久性要求。

2 長(zhǎng)距離斜井防水體系

2.1 管片自防水

（1）隧道管片采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的高性能混凝土，抗?jié)B等級(jí)P12，限制裂縫開(kāi)展寬度≤0.2mm；

（2）防水混凝土應(yīng)采用普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，宜摻粉煤灰、粒化高爐礦渣微粉等活性粉料；

（3）管片在使用期間應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度、抗裂要求，最大裂縫寬度不得大于0.2mm，對(duì)于出現(xiàn)滲漏的裂縫及裂縫寬度大于設(shè)計(jì)允許值的干裂縫應(yīng)進(jìn)行封堵處理；

（4）管片拼裝前應(yīng)確保密封墊槽和嵌縫槽的寬度（無(wú)缺損和氣孔）；

（5）每生產(chǎn)50環(huán)管片應(yīng)抽查1塊做檢漏測(cè)試，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：1.0MPa水壓力維持3h，滲水深度≤5cm[1]。

2.2 管片間密封墊防水

以神華神東補(bǔ)連塔煤礦斜井為例，采用拼裝式管片，環(huán)向襯砌環(huán)分塊方式為：“3（標(biāo)準(zhǔn)塊）+2（鄰接塊）+1（仰拱塊）+1（封頂塊）”[2]。襯砌縱向每環(huán)1.5m。接縫是防水的薄弱環(huán)節(jié)，也是能夠控制襯砌最大外水壓力的關(guān)鍵部位，其指標(biāo)的選取非常關(guān)鍵。密封墊需具備相應(yīng)的耐壓性能、變形性能等要求。

2.3 管片壁后填充層與管片結(jié)構(gòu)共同防水

壁后注漿在局部改變了斜井壁后巖土體滲透參數(shù)，注漿區(qū)域與管片接縫相互作用，管片壁后填充層對(duì)管片結(jié)構(gòu)防水性能產(chǎn)生影響，高水壓狀態(tài)下填充層與管片結(jié)構(gòu)形成共同防水的體系。采用管片裝配式襯砌時(shí)，應(yīng)對(duì)高水壓主要可以采取以下幾種方式[3]：

（1）“注漿全封堵方式圖1（a），將襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成能夠承受外水壓力的抗水壓襯砌，并使襯砌與周?chē){后圍巖盡可能形成一個(gè)整體來(lái)共同承受外水壓力。

（2）“單純泄水方式”圖1（b），通過(guò)降低地下水位以減小或消除地下水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響。

（3）“堵水限排方式”圖1（c），允許地下水有限排放，當(dāng)襯砌背后通過(guò)注漿圈滲入的地下水量小于襯砌的排水能力時(shí)，襯砌的外水壓力將大大降低，從而確保隧道襯砌的安全（見(jiàn)圖1）。

根據(jù)環(huán)境的要求，選用防水方式。盾構(gòu)法施工時(shí)，由于管片在掘進(jìn)之后立即支護(hù)，并具有較高的防滲能力，再加上壁后注漿系統(tǒng)的使用，能夠起到很好的防水堵水功能。

圖1 管片襯砌應(yīng)對(duì)水壓的三種主要方式

以“堵水限排方式”為例，其本質(zhì)是要變地下高靜水壓為動(dòng)水壓力，通過(guò)質(zhì)量可靠的注漿圈對(duì)動(dòng)水壓的有效消減，管片襯砌對(duì)滲流進(jìn)入其壁后流量的有效排放來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓和不破壞生態(tài)的目的。靜水壓轉(zhuǎn)換為動(dòng)水壓就是要把面力轉(zhuǎn)換成體積力，從而實(shí)現(xiàn)注漿圈處消能的目的。

3 盾構(gòu)法斜井壁后填充共同防水及分段隔水

根據(jù)盾構(gòu)施工煤礦斜井工程地質(zhì)及施工特點(diǎn)，可利用管片壁后填充層與管片共同構(gòu)成防水體系，并可進(jìn)一步對(duì)管片壁后地下水采取分段隔水處置技術(shù)。分段止水包括壁后回填方法、化學(xué)漿環(huán)向封堵施工方法。以下根據(jù)盾構(gòu)工作特點(diǎn)，采取對(duì)應(yīng)的壁后填充方案，并對(duì)分段隔水效果進(jìn)行模擬研究。

3.1 壁后回填注漿

盾構(gòu)在掘進(jìn)時(shí)，襯砌管片與地層之間的環(huán)形空隙通過(guò)同步注漿以及二次注漿充填空隙，形成一道外圍防水層。在下坡掘進(jìn)的情況下，注漿漿液易往前流，注漿質(zhì)量不高，漿液流失嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)易抱死盾殼。為減少水泥漿液往盾構(gòu)前方流動(dòng)，同時(shí)彌補(bǔ)水泥灌漿防水性能不穩(wěn)定引起的上下含水層之間水力聯(lián)通，每隔30環(huán)取2環(huán)填充快速凝結(jié)的雙液漿或化學(xué)漿液進(jìn)行全環(huán)封閉止水注漿。為減小漿材硬化收縮，所有的注漿材料皆宜摻加一定量的微膨脹劑。同步注漿漿液應(yīng)具有良好的抗水分散性和可注性，膠凝時(shí)間一般為3～10h（終凝），根據(jù)地層條件和掘進(jìn)速度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加入促凝劑及變更配比來(lái)調(diào)整膠凝時(shí)間。對(duì)于強(qiáng)透水地層和需要注漿提供較高早期強(qiáng)度地段，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整配比和加入早強(qiáng)劑，以縮短膠凝時(shí)間獲得早期強(qiáng)度，保證良好的注漿效果。對(duì)于埋深較大，地層較軟弱地段，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)終凝時(shí)間，以加大圍巖應(yīng)力釋放，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力[4]。

注漿質(zhì)量采用地質(zhì)雷達(dá)和超聲波探測(cè)法進(jìn)行檢查，對(duì)未滿(mǎn)足要求的部位，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充注漿。對(duì)于物探異常部位，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。環(huán)向測(cè)線位于該環(huán)管片中部，間距10環(huán)管片。

3.2 壁后回填參數(shù)

管片壁后采用分布注漿堵水與豆礫石充填結(jié)合的方案。

3.2.1 填充細(xì)石混凝土、吹填豆礫石

管片拼裝成環(huán)脫出盾構(gòu)盾尾后，管片外側(cè)與巖石之間的空隙應(yīng)充填密實(shí)，立即進(jìn)行底拱塊的C20早強(qiáng)細(xì)石混凝土填充，以期獲得襯砌環(huán)推出盾尾后基底的穩(wěn)定[5]。隨后及時(shí)安排豆礫石吹填 （除底拱塊采用細(xì)石混凝土填充外其余各塊均吹填豆礫石）以防止管片結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。由豆礫石材料車(chē)將豆礫石運(yùn)至豆礫石泵，然后用高壓風(fēng)通過(guò)管片的預(yù)留孔吹填豆礫石。充填順次應(yīng)是先底部、次兩側(cè)、后拱頂，避免充填的豆礫石出現(xiàn)架空。豆礫石粒徑應(yīng)為5～10mm，吹填前應(yīng)清洗干凈。

3.2.2 回填注漿

充填豆礫石完成后，立即進(jìn)行回填灌漿，以固結(jié)豆礫石[6]。注漿要點(diǎn)如下：

（1）為避免上下含水層之間水力聯(lián)通，每隔30環(huán)取2環(huán)填充快速凝結(jié)的雙液漿或化學(xué)漿液進(jìn)行全環(huán)封閉止水注漿[7]。注漿漿液根據(jù)結(jié)構(gòu)埋深、地層條件和掘進(jìn)速度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)調(diào)整膠凝時(shí)間和強(qiáng)度。注漿材料對(duì)管片的膨脹力應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，膨脹力不能對(duì)管片造成損傷、不能影響管片的安全性。如水量較大，對(duì)正常掘進(jìn)影響較大，可適當(dāng)縮小雙漿液或化學(xué)漿液的注漿間距。

（2）雙漿液或化學(xué)漿液全環(huán)封閉后在封閉的區(qū)段進(jìn)行水泥灌漿，形成一道外圍防水層。注漿應(yīng)具有相應(yīng)的抗水分散性、固結(jié)體強(qiáng)度；注漿作業(yè)時(shí)注漿量和注漿壓力管理，注漿質(zhì)量檢測(cè)[8]。

（3）大坡度斜井雙漿液配比設(shè)計(jì)

①漿液配比

水灰比=1∶1，P.O.42.5級(jí)水泥；

水玻璃采用模數(shù)3，漿液濃度為20Be’；

水泥漿液：水玻璃=1∶1；

注入速率：V水泥漿液：V水波璃漿液=1∶1；

雙液漿初凝時(shí)間為58s。

②注漿參數(shù)控制

a.注漿時(shí)間

雙液漿注漿的時(shí)間以注漿壓力控制為主，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.2～0.3MPa應(yīng)停止注漿。

b.注漿量

雙液漿注漿量因豆礫石填充不能精確計(jì)算其用量，在施工中根據(jù)注漿壓力來(lái)控制其用量，規(guī)范要求雙液漿注漿壓力控制在0.2～0.3MPa，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.3MPa時(shí)，其填充效果以滿(mǎn)足要求，此時(shí)的用量就是實(shí)際所需的用量。

注漿量：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)，注漿量取充填豆礫石理論體積的0.3～0.6倍，因每環(huán)注雙液漿向四周滲流損失，實(shí)際施工時(shí)取2倍系數(shù)考慮，即：

V=K1×K2×V每環(huán)

（4）其它化學(xué)漿液（馬格尼）配比設(shè)計(jì)

①漿液配比

底粘度樹(shù)脂A：固化劑B=1∶1；

注入速率：V樹(shù)脂A：V固化劑=1∶1；

漿液初始反應(yīng)時(shí)間為35～45s，反應(yīng)結(jié)束時(shí)間60～100s。

②注漿參數(shù)控制

a.注漿時(shí)間

馬格尼注漿的時(shí)間以注漿壓力控制為主，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.2～0.3MPa應(yīng)停止注漿。

b.注漿量

馬格尼注漿量因豆礫石填充不能精確計(jì)算其用量，在施工中根據(jù)注漿壓力來(lái)控制其用量，規(guī)范要求馬格尼注漿壓力控制0.2～0.3MPa，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.3MPa時(shí)，其填充效果以滿(mǎn)足要求，此時(shí)的用量就是實(shí)際所需的用量[9]。

注漿量：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)，注漿量取充填豆礫石理論體積的0.3～0.6倍；因滲流損失，實(shí)際施工時(shí)取2倍系數(shù)；因漿液遇水膨脹10～20倍，不遇水膨脹1.05倍，計(jì)量時(shí)需取1/20～1/1.05的系數(shù)。

V=K1×K2×K3×V每環(huán)

3.3 分段隔水方案

環(huán)向封堵采用的是雙漿液及化學(xué)注漿，膠結(jié)快、堵水好。當(dāng)管片脫出盾尾10環(huán)時(shí)，從仰拱至拱頂，自下而上沿每個(gè)注漿孔注入，注漿范圍為連續(xù)3環(huán)，注漿壓力不大于0.5MPa。盾構(gòu)分段止水設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)分段止水設(shè)計(jì)圖

考慮填充層特性的井筒環(huán)境滲流分析模型：

為了驗(yàn)證壁后注漿方案的有效性，針對(duì)“每隔30環(huán)取兩環(huán)填充快速凝結(jié)的雙液漿進(jìn)行全環(huán)封閉止水注漿，環(huán)間采用水泥漿”方案進(jìn)行井筒環(huán)境滲流分析，采用Flac3D流固耦合模塊進(jìn)行。采用實(shí)體單元模擬地層、襯砌和壁后注漿材料?？紤]到對(duì)稱(chēng)性，建立模型尺寸為25m×69m×360m，共計(jì)單元數(shù)量52080個(gè)。本構(gòu)關(guān)系采用彈性模型。流體計(jì)算時(shí)采用各項(xiàng)同性滲流模型，并認(rèn)為顆粒不可壓縮，即取Biot系數(shù)α=1。由于隧道通過(guò)地層水源補(bǔ)給充足，認(rèn)為隧道的開(kāi)挖為飽和滲流問(wèn)題，取飽和度S=1。其他計(jì)算參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)取值，見(jiàn)表1。

表1 地層與結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值

由于斜井工程的擾動(dòng)屬性主要是流體，在數(shù)值模擬時(shí)，采用兩步求解法：首先設(shè)置靜水場(chǎng)，計(jì)算自重及開(kāi)挖的應(yīng)力場(chǎng)變化，然后同時(shí)打開(kāi)滲流場(chǎng)和巖土體自重應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算工作面處的涌水量。整個(gè)計(jì)算分為7步掘進(jìn)，每次進(jìn)尺為48m，其中包括30環(huán)環(huán)間采用水泥漿及2環(huán)快速凝結(jié)雙液漿。模型示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 環(huán)境滲流計(jì)算模型示意圖

通過(guò)分析，隨著斜井盾構(gòu)的掘進(jìn)，整個(gè)地層的孔隙水壓與滲流場(chǎng)逐漸發(fā)生變化。斜井掘進(jìn)過(guò)程中孔隙水壓分布較為穩(wěn)定，除少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)超孔隙水壓之外，大多數(shù)區(qū)域均為正孔隙水壓。由于工作面應(yīng)力的釋放，工作面處的孔隙水壓極小，從而導(dǎo)致了工作面涌水。斜井在明洞處的空隙水壓最小，越往下空隙水壓越大。從孔隙水壓等壓線的分布情況可以看出，等壓線朝著斜井方向傾斜，這說(shuō)明地下水正朝著斜井方向涌出。斜井盾構(gòu)的掘進(jìn)，導(dǎo)致整個(gè)地層的滲流場(chǎng)發(fā)生變化，滲流朝著隧道方向進(jìn)行。

4 結(jié)論

以神華神東補(bǔ)連塔煤礦斜井工程為例，針對(duì)管片自防水、管片間密封墊防水及管片壁后填充進(jìn)行研究，得出如下幾個(gè)結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)管片參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到依靠管片自身防水的目的；

（2）以“堵水限排方式”為例，講述了管片襯砌應(yīng)對(duì)高水壓的三種主要方式；

（3）提出了分段隔水的設(shè)計(jì)思想，研究確定了壁后回填方法、封堵環(huán)化學(xué)漿環(huán)向封堵施工方法及其技術(shù)參數(shù)。綜合處置措施下可提高斜井系統(tǒng)的防水能力，把水害降至最低。

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TD263.2

A

2095-2066（2016）35-0230-03

2016-11-26

楊俊哲（1964-），男，博士，教授級(jí)高工。