敞開式TBM掘進(jìn)過程中區(qū)域裂隙水的治理

陳 桐，陳 宇

(1.內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 興安盟 137400；

1 工程概況

引綽濟(jì)遼工程屬于國務(wù)院確定的“十三五”期間實(shí)施的“172”項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程。工程從嫩江支流綽爾河引水至西遼河，設(shè)計(jì)年調(diào)水量4.88億m3，由文得根水利樞紐和輸水工程兩部分組成，輸水線路全線采用重力流輸水方式，輸水工程全長(zhǎng)390.263km，由隧洞、暗涵、PCCP管道組成，為沿途興安盟、通遼市的9個(gè)旗縣區(qū)和工業(yè)園區(qū)供水；隧洞全長(zhǎng)183.3km，隧洞開挖采用TBM掘進(jìn)和鉆爆方法，其中TBM掘進(jìn)總長(zhǎng)度為92.68km，鉆爆總長(zhǎng)度為81.238km，暗涵總長(zhǎng)度為9.38km。

1.1 水文及工程地質(zhì)

1.1.1水文地質(zhì)條件

隧洞段地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水，地下水位埋深范圍為0.2～170m。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給和山體的側(cè)向補(bǔ)給，第四系松散巖類孔隙潛水以向下游排泄和垂直滲透排泄為主；基巖裂隙水以側(cè)向排泄和垂直滲透排泄為主。

1.1.2工程地質(zhì)條件

隧洞開挖總體走向由北向南，沿線穿越河流、沖溝谷地等，主洞埋深為30～270m，主洞地層主要為第四系上更新新統(tǒng)坡積沖積層(Q3dl+al)、侏羅系上統(tǒng)寶石組(J3b)、侏羅系中統(tǒng)胡日格組(J2h)、侏羅系中統(tǒng)付家洼子組(J2f)、燕山期侵入花崗巖(γ5)、二迭系下統(tǒng)清風(fēng)山組(p1q)、大石寨(p1d)、侏羅系中統(tǒng)新民組(J2X)白音高老組(J3b)、燕山期侵入巖(γ52)等[1]，巖性主要為凝灰角礫巖、酸性熔巖、凝灰砂礫巖、變質(zhì)砂巖、板巖、安山巖，花崗斑巖等。

1.2 TBM施工困境

TBM掘進(jìn)段埋深范圍為60～270m，地下水位較高，全線29條支洞，15條支洞控制段主洞出現(xiàn)涌水。從開挖后暴露出的裂隙水環(huán)境將其分為兩類，一類是：圍巖整體性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙寬度主要以寬張開裂隙為主，寬度大于5mm，涌水形態(tài)為脈狀、較為集中，以Ⅳ、Ⅴ圍巖為主；另一類是：圍巖整體性好，節(jié)理裂隙不發(fā)育或較發(fā)育，裂隙寬度以張開裂隙為主，寬度3～5mm，涌水形態(tài)為層狀或線狀，分布方向各異，以Ⅲ圍巖為主。涌水量為1萬～5萬m3/d，其中4臺(tái)TBM掘進(jìn)中受裂隙水的困擾，導(dǎo)致電氣設(shè)備和機(jī)車故障率高、換刀和鋪軌困難、排水設(shè)施投入大，掘進(jìn)效率降低，增大了淹機(jī)和卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

2 超前地質(zhì)物探方法應(yīng)用

對(duì)面臨的施工困境，研究出了針對(duì)性的措施，采取了“先探后掘，以堵為主[2]，以排為輔”的施工指導(dǎo)思想，要求全面補(bǔ)充地質(zhì)勘察，結(jié)合“先定性，后定量”多種物探相互驗(yàn)證的原則，準(zhǔn)確摸排前方地質(zhì)條件，常用物探方法見表1。

表1 地下水常用物探方法

根據(jù)物探結(jié)果確定的富水區(qū)域，輔以鉆孔物探進(jìn)行驗(yàn)證。通過鉆孔確定圍巖地質(zhì)構(gòu)造、巖性和圍巖強(qiáng)度等；通過壓水試驗(yàn)[10]確定透水率；通過抽水試驗(yàn)[11]確定涌水量、滲透系數(shù)和影響半徑。以上物探及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果都為后期解決掘進(jìn)中受裂隙水困擾的難題提拱了依據(jù)。

3 TBM掘進(jìn)段區(qū)域裂隙水處理方法及適用條件

區(qū)域裂隙水嚴(yán)重影響了地質(zhì)圍巖的穩(wěn)定性及TBM掘進(jìn)效率，為有效解決此問題，從處理位置上采取洞內(nèi)處理和洞外處理兩種方法。洞內(nèi)處理方法為掘進(jìn)超前阻水和掘進(jìn)后方阻水，其優(yōu)點(diǎn)是不受外部環(huán)境影響，阻水成本低、范圍準(zhǔn)、效果好，缺點(diǎn)是實(shí)施交叉作業(yè)難度大，嚴(yán)重影響TBM掘進(jìn)效率；洞外處理方法為地表豎向灌漿阻水和地表定向灌漿阻水，其優(yōu)點(diǎn)是超前預(yù)處理灌漿阻水不影響TBM掘進(jìn)，缺點(diǎn)是造價(jià)高、易受地形地貌和外部環(huán)境影響。

3.1 TBM掘進(jìn)超前阻水

當(dāng)洞內(nèi)圍巖穩(wěn)定性較好，裂隙水較大，刀盤下方排水泵無法滿足排水要求，鋪設(shè)軌道困難，同時(shí)在TBM掘進(jìn)中不需要立拱架的條件下，可以考慮刀盤前方超前阻水灌漿(如圖1所示)。①將TBM后退10m，根據(jù)出水位置，采用手風(fēng)鉆鉆孔，孔徑為42mm，孔深7m；②控制外插角3°～15°，距孔口不小于1m處安放止?jié){塞；③Ⅰ序灌漿孔注漿壓力控制在0.5～0.7MPa，Ⅱ序灌漿孔注漿壓力控制在0.8～1MPa，采用C-S雙液漿，雙液漿凝結(jié)時(shí)間控制在1.5～2min；④采取純壓漿方式，可掘進(jìn)兩個(gè)循環(huán)，留重疊區(qū)繼續(xù)灌漿。本方法的難點(diǎn)在于因圍巖節(jié)理裂隙密集且各向異性，導(dǎo)致動(dòng)水灌漿時(shí)串漿、跑漿，無法升壓、保壓，可通過采取打泄水孔、安裝止水閥、減小水灰比、提高水玻璃參量、縮短雙液漿初凝時(shí)間的措施進(jìn)行改善。

圖1 刀盤前方超前阻水灌漿示意圖

當(dāng)穿越斷層帶時(shí)，頂拱圍巖破碎嚴(yán)重，涌水量大，頂護(hù)盾壓力增加，TBM無法后退，此時(shí)TBM受涌水和圍巖破碎的干擾，可采用TBM頂護(hù)盾后方進(jìn)行超前灌漿方式[12](如圖2所示)。①TBM設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留位置安裝超前鉆機(jī)，鉆孔外插角10°～15°，有效覆蓋范圍為頂拱120°；②鉆桿長(zhǎng)1.5m，采用套接，孔徑為42mm，鉆孔深度不小于10m；③插入長(zhǎng)度不小于5m的小導(dǎo)管，小導(dǎo)管外壓槽并安裝膨脹止水環(huán)，孔口用膠泥或錨固劑封堵，采用C-S雙液漿注漿；④若圍巖破碎嚴(yán)重，雙液漿內(nèi)可摻細(xì)沙，注漿壓力控制在0.5～0.8MPa。此方法優(yōu)點(diǎn)是采用雙液漿既有阻水又有固結(jié)圍巖的作用，小導(dǎo)管避免塌孔、支撐頂拱圍巖并避免大量漿液串漿至頂護(hù)盾及刀盤上，污染設(shè)備；缺點(diǎn)是超前鉆機(jī)覆蓋范圍受限，對(duì)無法覆蓋的范圍還需采用掘進(jìn)后方阻水的方法。

圖2 刀盤后方超前阻水灌漿示意圖

3.2 TBM掘進(jìn)后方阻水

當(dāng)掘進(jìn)剝離出裂隙水但涌水量不大、圍巖整體性較好、對(duì)TBM掘進(jìn)影響風(fēng)險(xiǎn)較小時(shí)，可以考慮掘進(jìn)后方阻水(即邊掘進(jìn)邊阻水灌漿)，此方法有利于改善作業(yè)環(huán)境，減小排水壓力，保證二期永久混凝土襯砌質(zhì)量。根據(jù)裂隙分布，可用油性聚酯氨灌漿或C-S雙液漿灌漿方式。當(dāng)采用油性聚氨酯灌漿時(shí)，可結(jié)合騎縫鉆孔方式，鉆孔深度不小于1m，安裝止水針頭，控制反應(yīng)時(shí)間在40～60s；當(dāng)采用C-S雙液漿灌漿時(shí)，可用手風(fēng)鉆打孔，鉆孔深度不小于1.5m，采用螺桿止?jié){塞，距孔口0.5m處卡塞，控制凝結(jié)時(shí)間在60～120s，若時(shí)間短難以注灌漿，可采取孔內(nèi)雙液混合，控制注漿壓力在0.2～0.5MPa。當(dāng)阻水效果不理想時(shí)，可采用復(fù)合式阻水灌漿，淺層Ⅰ序灌漿孔注入油性聚氨酯，深層Ⅱ序灌漿孔注入C-S雙液漿，既發(fā)揮了油性聚氨酯反應(yīng)速度快遇水膨脹的優(yōu)點(diǎn)也體現(xiàn)了C-S雙液漿凝結(jié)后強(qiáng)度高壽命久的特點(diǎn)。

3.3 地表豎向灌漿阻水

若隧洞埋深小于100m，敞開式TBM穿越河谷地段，在物探結(jié)果富水嚴(yán)重區(qū)域，可采取地表豎向阻水灌漿方式(如圖3所示)。從地表鉆孔，對(duì)隧洞洞身附近的圍巖進(jìn)行灌漿阻水，依據(jù)鉆孔物探壓水、抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過分析地質(zhì)構(gòu)造、裂隙寬度、影響半徑，確定孔間距為3m，梅花形布置，邊孔距開挖線3m以外，豎向注漿范圍從隧洞頂4m至隧洞底以下3m處。

施工工藝要求：施工機(jī)械選擇液壓水井鉆機(jī)。鉆孔方法一：①采用Ф168偏心鉆頭，套管為Ф198；②跟管鉆至基巖1m處，換Ф130鉆頭鉆至頂拱上方4m處；③換Ф90鉆頭鉆至洞底以下3m處，進(jìn)行洗孔；④下PVC套管(DN125)，套管下至頂拱上方4m處，PVC管與套管間注入套殼料(水泥漿)封閉，拔出套管；⑤采用規(guī)格為Ф51- 2栓塞下至頂拱上方4m處，灌漿方式采用全孔一次純壓法。鉆孔方法二：①采用Ф168偏心鉆頭，套管為Ф198；②跟管鉆至基巖1m處，換Ф130鉆頭鉆至頂拱上方4m處，鉆進(jìn)過程若圍巖完整，可一次鉆至洞底以下3m；③用規(guī)格為Ф89- 2栓塞下至頂拱上方4m處，灌漿方式采用全孔一次純壓法。以上2種方法根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況選擇。灌漿采用水泥漿，水泥選用P.O42.5規(guī)格，水灰比為1∶1、0.8∶1、0.5∶1；注漿壓力控制為靜水壓力的1～1.5倍，最終確定為一序孔孔口壓力為1MPa，二序孔孔口壓力為1.5MPa，終壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力穩(wěn)壓20min或終壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力且單液水泥漿終量不大于1L/min，可以結(jié)束注漿工作；采用分序跳孔灌漿鉆孔作業(yè)，避免漿液串孔，即先Ⅰ序作業(yè)，再Ⅱ序作業(yè)，每序灌漿孔與作業(yè)鉆孔應(yīng)隔一孔、鉆一孔、灌一孔。

3.4 地表定向灌漿阻水

當(dāng)?shù)孛媛裆畲笥?00m時(shí)，可以采用地表定向阻水灌漿方式(如圖4所示)。根據(jù)隧洞埋深和鉆孔深度選用定向鉆機(jī)，鉆孔軌跡可選用Navigator Drilling Studio或Landmark進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)分析。鉆孔直徑Ф152mm，井眼常用最大狗腿度為18～20°/30m，故當(dāng)埋深在100～200m時(shí)，造斜段施工難度大，鉆孔發(fā)生事故率高，可采取開孔斜井鉆進(jìn)；當(dāng)埋深大于200m時(shí)，造斜曲率半徑變大，設(shè)備施工更容易，可采用開孔垂井施工。鉆桿可采用無磁鉆鋌、螺桿鉆具、加重鉆桿、方鉆桿等；測(cè)斜采用MWD無線隨鉆，鉆頭一開采用牙輪鉆頭，二開、三開采用PDC鉆頭；地面設(shè)置泥漿池、振動(dòng)篩池和注漿站等。

施工工藝要求：①斜沖段和垂直段井采用Ф152mm鉆頭穿越覆蓋層鉆至基巖下10m處，下Ф146mm套管，套管外壁纏繞麻繩，掛快干水泥；②造斜段采用Ф133鉆頭鉆至水平段，下Ф127套管，采用水灰比為0.5∶1～1∶1的單液水泥漿進(jìn)行固管，水平段高程為TBM掘進(jìn)斷面的水平中心線位置，兩條水平段分支采用Ф94鉆頭鉆至目標(biāo)標(biāo)靶位置。鉆孔軌跡可以設(shè)計(jì)成“羽型”、“魚刺型”，鉆孔完成后進(jìn)行洗孔；③采用全孔一次劈裂注漿，注漿材料可以選用CL-C型黏土水泥漿或單液水泥漿，注漿壓力為靜水壓力的1.5～3倍，且不小于地應(yīng)力的最大水平主壓力，確定最終注漿孔口壓力為5MPa；④終壓孔壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力穩(wěn)壓20min或終壓孔壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力且CL-C型黏土水泥漿終量不大于250L/min、單液水泥漿終量不大于200L/min，可以結(jié)束灌漿工作。與地表豎向灌漿相比，此方法施工工期短，征地投入費(fèi)用少，對(duì)地表破壞較小，有利于水土保持。

圖3 地表豎向灌漿平剖示意圖

圖4 地表定向阻水灌漿平剖示意圖

4 灌漿材料推薦

在隧洞開挖阻水灌漿施工過程中，關(guān)鍵在于灌漿材料的選用，了解每種灌漿材料的屬性，同時(shí)匹配涌水、滲水的地質(zhì)條件，針對(duì)性選用灌漿材料，便能達(dá)到事半功倍的效果。既可以考慮單一灌漿材料，也可以考慮復(fù)合灌漿材料即兩種以上灌漿材料進(jìn)行阻水。灌漿材料選擇要考慮材料的可灌性、耐久性、流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、抗沖刷能力、黏結(jié)強(qiáng)度等因素。常用的灌漿材料類型和特點(diǎn)見表2，以供參考。

5 阻水灌漿質(zhì)量評(píng)價(jià)及驗(yàn)收條件

阻水灌漿具有隱蔽性，對(duì)于洞內(nèi)涌水封堵可以直觀的判斷阻水灌漿質(zhì)量效果，但對(duì)于地表預(yù)灌漿判斷阻水灌漿質(zhì)量相對(duì)較難。若以滲透系數(shù)為判斷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地表預(yù)灌漿進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定時(shí)，以滲透系數(shù)小于等于10-4cm/s為合格，大于10-4cm/s為不合格；若以滲水量為判斷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，以滲水指標(biāo)小于等于1L/min為合格，大于1L/min為不合格。若要求系統(tǒng)制定質(zhì)量評(píng)定程序?qū)Φ乇眍A(yù)灌漿進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定時(shí)，一是注漿前每36m進(jìn)行地質(zhì)探孔，以滲透系數(shù)、透水率作為灌漿前后對(duì)比參考值；二是灌漿后每12m設(shè)檢查孔，要求檢查孔滲透系數(shù)小于等于10-4cm/s或透水率小于等于10Lu；三是開挖后查看漿液擴(kuò)散半徑[17]、滲水情況，調(diào)節(jié)下一段注漿材料配比、孔距、終壓和終量等參數(shù)，以滿足后續(xù)阻水灌漿要求。

表2 常用灌漿材料分類與特點(diǎn)

6 結(jié)語

隨著大批引調(diào)水工程的實(shí)施，隧洞開挖采用敞開式TBM的開挖方式已成為主流。但區(qū)域裂隙水和不良地質(zhì)病害是影響TBM掘進(jìn)的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。引綽濟(jì)遼工程采用灌漿阻水方法有效解決了這些難題，保證了TBM掘進(jìn)高效性和適應(yīng)性，也為其他引調(diào)水工程在實(shí)施過程中采用敞開式TBM掘進(jìn)治理區(qū)域裂隙水提供新的思路和參考。