軟弱地層敞開式TBM超前注漿加固技術(shù)研究

楊騰添，李 恒，周冠南，郭 穩(wěn)

(1.中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300；2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著地下空間領(lǐng)域的開發(fā)，中國(guó)已是世界上隧道及地下工程規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、修建技術(shù)發(fā)展速度最快的國(guó)家之一[1]。TBM具有掘進(jìn)速度快、施工安全、污染小、成洞質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)[2]，在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞、北疆供水二期引水隧洞、甘青隧道、高黎貢山隧道等水利水電及鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用[3-6]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的特殊地理地貌、復(fù)雜地質(zhì)、超大埋深和超長(zhǎng)隧洞工程開始建設(shè)[7]，TBM掘進(jìn)過(guò)程中需穿越斷層破碎帶、富水區(qū)、高地應(yīng)力區(qū)等，不良地質(zhì)情況逐漸成為地下空間工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8]。特別是，當(dāng)TBM穿越軟弱地層時(shí)，面臨擠壓大變形與卡盾的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[9]。實(shí)踐表明，圍巖擠壓大變形導(dǎo)致的TBM卡機(jī)災(zāi)害占TBM施工重大事故的37%，是占比最大的地質(zhì)災(zāi)害之一[10]。

對(duì)于敞開式TBM卡機(jī)問(wèn)題，現(xiàn)有研究多集中于TBM卡機(jī)機(jī)制、脫困輔助措施及預(yù)警方法。溫森等[11]基于Hoek-Brown準(zhǔn)則圓形隧道圍巖流變變形理論，建立了停機(jī)和連續(xù)掘進(jìn)工況下的卡機(jī)狀態(tài)判斷模型。姬超等[12]建立了護(hù)盾與圍巖相互作用下的計(jì)算模型，并提出增大預(yù)留間隙可有效避免卡機(jī)問(wèn)題。劉泉聲等[13]采用自動(dòng)化處理程序和光纖通訊技術(shù)，以護(hù)盾內(nèi)表面應(yīng)變作為預(yù)警指標(biāo)，提出一種具備無(wú)人值守、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集傳輸、可遠(yuǎn)程操控的TBM卡機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。蘇珊等[14]采用先對(duì)護(hù)盾后方拱架段加強(qiáng)支護(hù)，在護(hù)盾及刀盤側(cè)形成自然拱保護(hù)殼，再人工鑿除巖體形成脫空區(qū)實(shí)現(xiàn)脫困。

對(duì)于TBM卡機(jī)前圍巖變形控制等超前預(yù)加固技術(shù)研究方面，王盡忠等[15]針對(duì)中天山隧道節(jié)理密集段的圍巖坍塌災(zāi)害，通過(guò)TBM刮渣斗進(jìn)行超前注漿，并研究了隧道圍巖注漿材料、注漿設(shè)備、注漿工藝和注漿效果；王遠(yuǎn)超等[16]提出對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行自進(jìn)式超前中空錨桿鉆孔、注漿等措施加固巖體。由于盾構(gòu)刀盤對(duì)圍巖掌子面的遮擋，傳統(tǒng)的敞開式TBM洞內(nèi)超前注漿加固多通過(guò)在刀盤隔艙內(nèi)搭設(shè)簡(jiǎn)易作業(yè)架，利用刮渣孔，采用人工操作小型注漿管的施工方案[15]，但該方案費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，鉆孔注漿質(zhì)量難以保證，且拆刀存在較高的施工風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)軟弱圍巖地區(qū)TBM施工的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，本文提出一種基于鉆注一體化裝備的敞開式TBM超前加固技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在TBM施工過(guò)程中從洞內(nèi)對(duì)圍巖進(jìn)行機(jī)械化超前加固處理。相比傳統(tǒng)TBM洞內(nèi)超前加固工藝，省去了停機(jī)拆刀、搭設(shè)臨時(shí)工作架等工序，減少了人工投入。此外，通過(guò)midas GTS有限元軟件對(duì)超前加固前、后2種工況進(jìn)行模擬分析，將數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證超前鉆注一體機(jī)的預(yù)加固效果。

1 工程概述

1.1 工程背景

某引水隧洞位于新疆阿勒泰地區(qū)，線路起始樁號(hào)K2+370，終點(diǎn)樁號(hào)K29+187，線路總長(zhǎng)26 817 m。其中，敞開式全斷面TBM施工段長(zhǎng)23 737 m，開挖斷面直徑為7.83 m。隧洞總體呈西北向東南走向，隧址地區(qū)為低山丘陵地貌，總體地勢(shì)上呈現(xiàn)北高南低、東高西低，沿線沖溝較發(fā)育。引水隧洞總體平面分布如圖1所示。

圖1 引水隧洞總體平面圖(單位：km)Fig.1 General plan of a water diversion tunnel (unit:km)

1.2 地質(zhì)概況

引水隧洞主要穿越巖層為奧陶系黑云母石英片巖(淺灰—深灰色)，呈層狀結(jié)構(gòu)分布，層面中等發(fā)育，裂隙面起伏。隧址地區(qū)基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度為3～5 m，弱風(fēng)化層厚度為8～12 m。石英片巖產(chǎn)狀為295～300°NE∠50～60°，巖層產(chǎn)狀與隧道縱向夾角為15～20°。巖體完整性系數(shù)kV為0.3～0.5，巖體飽和抗壓強(qiáng)度為24 MPa，巖體透水率低于15 Lu，軟化系數(shù)為0.2～0.4。引水隧洞海拔730～1 400 m，相對(duì)高差達(dá)670 m，洞室最大埋深為668 m。引水隧洞地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 引水隧洞地質(zhì)縱斷面Fig.2 Geological profile of a water diversion tunnel

2 超前鉆注一體機(jī)加固技術(shù)

2.1 超前鉆注一體機(jī)

超前鉆注一體機(jī)主要由鉆注裝備主體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力單元(液壓泵站與錨桿鉆機(jī)共用)、控制單元(控制閥組、遙控器)和注漿設(shè)備等組成。設(shè)備安裝于主梁上，通過(guò)行走軌道實(shí)現(xiàn)在隧道拱頂120°范圍內(nèi)自由移動(dòng)。超前鉆注一體機(jī)如圖3所示。

TBM已有錨桿鉆機(jī)的液壓泵站，可以作為超前鉆注一體機(jī)的液壓動(dòng)力源，其配套系統(tǒng)包含沖洗水系統(tǒng)、鑿巖機(jī)的油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)，需要的水源和氣源可直接利用TBM的水源和壓縮空氣。

(a)側(cè)向圖

2.2 鉆機(jī)成孔及注漿

采用超前鉆注一體機(jī)系統(tǒng)對(duì)引水隧洞TBM盾尾前方的巖土體進(jìn)行加固處理，注漿加固范圍為隧道拱部120°的圍巖區(qū)域，鉆孔間距為0.50 m，每環(huán)約打設(shè)16～17個(gè)超前注漿加固孔，鉆孔外插角為10°，鉆孔長(zhǎng)度為20 m，鉆孔搭接長(zhǎng)度為5 m。

注漿材料為水泥水玻璃雙液漿，水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃為35 °Bé，雙液漿體積比為1∶0.6。為避免現(xiàn)場(chǎng)注漿時(shí)發(fā)生堵管，在雙漿配置過(guò)程中，根據(jù)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，摻入少量緩凝劑，小幅度調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，將漿液凝結(jié)時(shí)間控制在50 s左右。按原設(shè)計(jì)水泥漿摻入膨脹劑，約為水泥用量的8%。超前注漿導(dǎo)管孔位分布如圖4所示，敞開式TBM超前注漿流程如圖5所示。

圖4 超前注漿導(dǎo)管孔位分布Fig.4 Hole position of advance grouting catheter

圖5 敞開式TBM超前注漿流程圖Fig.5 Flowchart of advance grouting of open TBM

1)操作超前鉆注一體機(jī)旋轉(zhuǎn)架的行走馬達(dá)，使其旋轉(zhuǎn)到鉆孔位置；鉆機(jī)加裝直徑為102 mm的鉆頭進(jìn)行導(dǎo)管孔鉆孔施工，將預(yù)制好的孔口導(dǎo)管(外徑89 mm，內(nèi)徑80 mm，長(zhǎng)1.2 m)插入鉆孔中，導(dǎo)管外露預(yù)留合適長(zhǎng)度，為球閥、排渣三通、RBOP的安裝預(yù)留空間。通過(guò)法蘭盤將球閥、排渣三通、RBOP連接在孔口導(dǎo)管法蘭上，連接示意圖如圖6所示。

圖6 超前鉆注一體機(jī)連接示意圖Fig.6 Connection of advance drilling and grouting machine

2)鉆孔施工。鉆機(jī)更換64 mm的鉆頭，鑿巖機(jī)推進(jìn)，鉆頭、鉆桿插入導(dǎo)管孔直至巖壁。初始階段鑿巖機(jī)以慢推進(jìn)、小推力、低沖擊狀態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)“輕推輕打”，順利開孔，低速鉆進(jìn)200～300 mm后，轉(zhuǎn)用高沖擊、回轉(zhuǎn)，鉆機(jī)快速鉆進(jìn)到護(hù)盾外刀盤前方3～5 m后，暫停鉆進(jìn)。

3)沖洗球閥切換至注漿，在已完成的鉆孔深度范圍內(nèi)預(yù)注膨潤(rùn)土，注入壓力達(dá)到0.50 MPa且壓力穩(wěn)定后停止，然后繼續(xù)超前鉆孔至達(dá)到預(yù)定的20 m孔深。

4)沖洗球閥切換至水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿，鑿巖機(jī)緩慢正向旋轉(zhuǎn)，并在鉆機(jī)的整個(gè)行程范圍內(nèi)做“進(jìn)—退”往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

5)當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.50 MPa后，將鑿巖機(jī)后退到后止點(diǎn)，拆掉一根鉆桿，鑿巖機(jī)推進(jìn)至前端，連接好前端鉆桿后重復(fù)注漿操作。

6)重復(fù)步驟4)～5)，直至鉆頭已經(jīng)退至之前注膨潤(rùn)土的孔深位置后停止注漿。敞開式TBM超前鉆注一體機(jī)現(xiàn)場(chǎng)施工如圖7所示。

超前注漿加固參數(shù)見表1。

(a)設(shè)備局部示意圖

表1 超前注漿加固參數(shù)Table 1 Parameters of advance grouting reinforcement

由于超前鉆注一體化裝備的加固范圍受到行走軌道的限制，為進(jìn)一步明確超前加固對(duì)圍巖變形控制及護(hù)盾壓力的改善效果，本文借助midas軟件，建立敞開式TBM施工的數(shù)值計(jì)算模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)超前鉆注一體化裝備的注漿加固效果進(jìn)行分析。

3 數(shù)值仿真計(jì)算

3.1 3D模型建立

模型Y方向計(jì)算長(zhǎng)度取80 m；沿橫向隧道左右側(cè)各取3D，模型X方向計(jì)算長(zhǎng)度7D(54.81 m，取60 m)；沿模型豎直Z方向頂部取5D，底部取4D，Z方向計(jì)算長(zhǎng)度10D(78.30 m，取80 m)。隧道分析三維數(shù)值計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 三維數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)Fig.8 3D numerical calculation model (unit:m)

計(jì)算模型下邊界及側(cè)邊采用法向位移約束，頂部為自由邊界。隧道地層圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型?；鶐r及加固區(qū)巖體采用3D實(shí)體單元模擬，噴射混凝土及護(hù)盾采用板單元模擬，鋼拱架結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M。

3.2 數(shù)值分析參數(shù)

由于引水隧洞埋深較大，地表淺層位置的強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化黑云母石英片巖不納入本模型考慮范圍。結(jié)合工程地質(zhì)勘察報(bào)告，通過(guò)對(duì)加固前、后圍巖鉆芯取樣，并進(jìn)行三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到天然巖體及加固后巖體的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)，如表2所示。

表2 巖體物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)對(duì)比Table 2 Calculation parameters of surrounding rock before and after reinforcement

引水隧洞施工中，隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用HW125型鋼拱架支護(hù)，鋼架間距1 m；鋼拱架之間采用HRB400鋼筋連接，環(huán)向360°滿布，成環(huán)后立即噴射C30素混凝土，初噴混凝土厚度為20 cm。引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Parameters of support structure

3.3 數(shù)值分析工況

引水隧洞超前加固模擬施工如圖9所示。首先，一次性開挖至初始施工位置并完成后部的支護(hù)結(jié)構(gòu)；然后，模擬隧道開挖、噴射混凝土及鋼拱架施工，分別對(duì)超前預(yù)加固區(qū)域采用注漿加固與不采用注漿加固2種工況進(jìn)行模擬計(jì)算；最后，分析在第1、第2特征循環(huán)段中TBM盾頂壓應(yīng)力、隧道拱頂位移變形及塑形變形區(qū)分布情況。

隧道已施工完成段由已加固段、未加固段及盾殼段3部分組成。為更好地表現(xiàn)施工中支護(hù)不能緊跟盾殼施工的問(wèn)題，在盾殼段與加固段之間設(shè)置2個(gè)施工步的未支護(hù)段。

圖9 模擬施工示意圖Fig.9 Diagram of construction simulation

4 數(shù)值結(jié)果與分析

4.1 隧洞頂部圍巖變形

模型施工完成后，隧道加固與未加固2種施工工況豎向位移變形云圖如圖10所示。

由圖10可知，由于初始臨空面的存在，整體上施工初始位置處隧道拱頂位移變形受前期加固段的約束，拱頂位移變形發(fā)展不充分；模型后施工段因臨空面及盾殼體的影響，拱頂變形趨勢(shì)發(fā)生改變；為避免臨空面對(duì)隧道拱頂位移變形的影響，前后設(shè)置預(yù)施工段與后期施工段的特征循環(huán)段，其拱頂變形不可作為研究對(duì)象。

基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，沿隧道縱向取隧道加固方案與不加固方案的拱頂位移變形量，繪制隧洞拱頂變形圖，如圖11所示。由圖11可知，整體上加固方案的拱頂變形量明顯低于未加固方案的，2種方案的變形峰值差值為0.50 mm，變形峰值差異量約為加固方案變形量的20%。未加固工況在單一特征循環(huán)內(nèi)拱頂位移變形基本一致，而加固方案在單一特征循環(huán)出現(xiàn)明顯浮動(dòng)，且初始位置位移變形量最大。加固方案拱頂變形在特征循環(huán)上呈現(xiàn)出明顯的周期性變化趨勢(shì)，周期長(zhǎng)度為1個(gè)加固循環(huán)長(zhǎng)度15 m。

(a)未加固工況

圖11 隧道拱頂豎向位移Fig.11 Vertical displacement of tunnel crown

4.2 塑性應(yīng)變區(qū)

圖12示出圍巖注漿超前加固施工與未超前注漿加固2種方案施工完成后的圍巖塑形變形區(qū)分布情況。

由圖12可知，未加固方案在施工完成后塑性變形區(qū)連通，形成沿隧道縱向的一個(gè)塑形變形范圍;加固方案的塑性應(yīng)變主要集中在注漿加固區(qū)，且各塑性區(qū)之間未連通，未形成整體的塑性變形范圍。由此可見，注漿加固體有效地改善了巖體的受力情況，控制了圍巖的塑性變形，降低了TBM掘進(jìn)施工中因大變形引起的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

(a)未加固工況

4.3 護(hù)盾壓應(yīng)力分布

未加固方案第2特征循環(huán)施工完成后TBM盾頂壓應(yīng)力分布情況如圖13所示。由圖13可知，隧道施工掘進(jìn)后，因隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)不能緊跟盾殼體，留有未加固區(qū)間，TBM掘進(jìn)機(jī)的盾尾部分的壓應(yīng)力最大。加固方案壓應(yīng)力分布情況同未加固方案，僅在數(shù)值上存在差異。

圖13 未加固工況盾頂壓應(yīng)力分布(單位：kPa)Fig.13 Compressive stress distribution on shield top without reinforcement(unit：kPa)

為明確注漿加固對(duì)TBM掘進(jìn)機(jī)盾殼受力的影響，取在2個(gè)特征加固循環(huán)內(nèi)2種施工方案隧道盾頂壓應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工與數(shù)值模擬中施工步的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制TBM掘進(jìn)機(jī)盾頂壓應(yīng)力，如圖14所示。

由圖14可知，采用超前預(yù)加固措施前后，盾頂壓應(yīng)力明顯降低，同一位置處的盾頂壓應(yīng)力降幅在10%～90%，注漿加固點(diǎn)盾頂壓應(yīng)力降幅最大，約為90%；加固循環(huán)中部壓應(yīng)力下降最小，約為10%。基于加固后的盾頂壓應(yīng)力變化曲線可知，在隧道掘進(jìn)到第1環(huán)加固搭接位置，但未進(jìn)行下一環(huán)超前預(yù)加固措施時(shí)TBM盾頂壓應(yīng)力最大，進(jìn)行下一環(huán)超前預(yù)加固措施后，盾頂壓應(yīng)力變小，為單一循環(huán)盾頂壓應(yīng)力的最小值。

圖14 隧道盾頂壓應(yīng)力Fig.14 Compressive stress on shield top

實(shí)測(cè)盾頂壓應(yīng)力數(shù)據(jù)同加固后的數(shù)值計(jì)算結(jié)果在變化趨勢(shì)上基本一致，僅在個(gè)別施工步數(shù)值上存在差異，但差異量控制在20%內(nèi)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠。

5 結(jié)論與建議

1)針對(duì)軟弱地層敞開式TBM施工中圍巖變形引起的卡機(jī)問(wèn)題，引入并搭載超前鉆注一體化裝備，實(shí)現(xiàn)了敞開式TBM機(jī)械化超前注漿加固功能，建立了配套的超前加固技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了敞開式TBM施工過(guò)程中從洞內(nèi)對(duì)圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固處理。同時(shí)，取代了從刮渣口鉆孔加固的施工方法，省去了鉆孔前的拆刀工作，極大地降低了人工成本。

2)采用注漿加固后，隧道的變形控制效果顯著提高。隧頂位移變形下降約20%，盾頂壓應(yīng)力降低10%～90%，注漿加固點(diǎn)盾頂壓應(yīng)力降幅最大，約為90%，加固循環(huán)中部壓應(yīng)力降幅最小，約為10%。

3)采用注漿加固方案后，盾頂壓應(yīng)力在前一循環(huán)與下一循環(huán)注漿加固搭接階段最大；施工中通過(guò)高質(zhì)量的超前注漿，嚴(yán)格控制盾頂壓應(yīng)力及圍巖變形，可有效保證TBM盾構(gòu)的安全施工，并有效降低TBM卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

4)受TBM護(hù)盾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)影響，TBM鉆注一體機(jī)的加固區(qū)域受到環(huán)向行走軌道的約束，注漿范圍、注漿角度等受到限制。應(yīng)從注漿材料、注漿孔布置、注漿參數(shù)選取等方面進(jìn)一步提升敞開式TBM超前預(yù)注漿技術(shù)的加固效果，對(duì)受限環(huán)境下的最優(yōu)化注漿方案還需開展進(jìn)一步研究。