開(kāi)敞式TBM施工隧洞涌水封堵關(guān)鍵技術(shù)

劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆烏魯木齊市830000）

1 工程概況

新疆某輸水工程是一項(xiàng)長(zhǎng)距離輸水工程，其中SS隧洞總長(zhǎng)92.35 km，為無(wú)壓輸水隧洞。SS 隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，采用開(kāi)敞式TBM（全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)）、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、礦山法等多種掘進(jìn)方式相結(jié)合施工。SS段Ⅲ標(biāo) 隧 洞 樁 號(hào)SD40+495.307 ～SD52+585.465 為TBM 施工段，長(zhǎng)度為12.1 km，開(kāi)挖洞徑5.5 m，逆坡掘進(jìn)，該段富存地下水，在掘進(jìn)中出現(xiàn)多處滲涌水情況，每公里出水量在600～1 900 m3/h 之間。

SS 隧洞樁號(hào)SD40+495.3～SD52+585.5 段根據(jù)地勘成果采用國(guó)產(chǎn)EH-DZ307 型全斷面開(kāi)敞式TBM 執(zhí)行隧洞掘進(jìn)任務(wù)。但隧洞掘進(jìn)過(guò)程中揭露地下水文地質(zhì)情況較復(fù)雜，出現(xiàn)洞內(nèi)地下水持續(xù)、大量出露現(xiàn)象。具體原因?yàn)椋核矶幢辈繌埮ば越Y(jié)構(gòu)面、南側(cè)的烏晉迪蘇斷裂破碎帶及洞線北側(cè)的北塔山南部山前第四系洪積扇形成的蓄水洼地為地下水提供持續(xù)的補(bǔ)給，造成在TBM 掘進(jìn)施工過(guò)程中，洞身沿圍巖裂隙不斷出現(xiàn)股狀射流，刀盤涌水。掌子面涌水瞬時(shí)最大流量達(dá)到650 m3/h，TBM 被迫多次停機(jī)啟動(dòng)應(yīng)急排水系統(tǒng)并進(jìn)行堵水，大幅降低現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。

因此，經(jīng)參建各方研究確定：隧洞滲、涌水處理遵循“以堵為主、限量排放”的處理原則，以保證隧洞的正常掘進(jìn)[1]。

2 堵水原則

涌水洞段出水情況具有隨機(jī)性較強(qiáng)、流量大以及水流形態(tài)多樣的特點(diǎn)。主要水流形態(tài)有股狀涌水、線狀流水、大面積集中涌水、大面積集中滲水（含裂隙水）。掌子面出水具有突發(fā)性、水量大、壓力高、無(wú)衰減的特點(diǎn)。

若使用全部抽排的方式解決隧洞涌水，則需要增加的排水設(shè)施較多，一方面隧洞可提供布設(shè)的空間、可提供的電力供應(yīng)有限；另一方面極大增加揚(yáng)水費(fèi)用，加大突發(fā)停電、抽排水設(shè)施故障等情況下作業(yè)人員安全、TBM 設(shè)備被淹風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)排水量過(guò)大也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響[2]。

研究確定隧洞滲、涌水處理遵循“以堵為主、限量排放”的處理原則，在經(jīng)過(guò)堵水、抽排水后使得掌子面的水不至于影響隧洞的正常掘進(jìn)，通過(guò)采取切實(shí)可靠的施工措施，達(dá)到堵水可靠、排水通暢、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

3 灌漿堵水流程

TBM 涌水段灌漿堵水可分為兩部分：

1）TBM 掌子面灌漿堵水，具體流程見(jiàn)圖1 TBM掘進(jìn)堵水灌漿流程圖。

圖1 TBM 掘進(jìn)堵水灌漿流程圖

2）TBM 刀盤后部及洞身段灌漿堵水，該段由于部位和空間的影響因素不同故堵水灌漿方法與灌漿材料的選擇有別于刀盤前部，具體流程見(jiàn)圖2 TBM 刀盤后部堵水灌漿流程圖。

圖2 TBM 刀盤后部堵水灌漿流程圖

4 主要關(guān)鍵技術(shù)

1）超前探水預(yù)報(bào)

根據(jù)SS 隧洞線路長(zhǎng)度、地質(zhì)條件等實(shí)際情況，堅(jiān)持超前地質(zhì)預(yù)報(bào)“三結(jié)合”和風(fēng)險(xiǎn)靶段劃分原則，即“地質(zhì)與物探結(jié)合，洞內(nèi)與洞外結(jié)合，長(zhǎng)短距離及不同物探方法結(jié)合”。按照該原則：地表長(zhǎng)距離探水選擇地表瞬變電磁法及EH-4 大地電磁法，洞內(nèi)短距離選擇復(fù)頻電導(dǎo)率法（CFC）和激發(fā)極化法。

根據(jù)開(kāi)挖后隧洞出水實(shí)際情況與超前探水預(yù)報(bào)成果對(duì)比，洞內(nèi)短距離探水儀預(yù)測(cè)精度好于地表長(zhǎng)距離探水儀，但預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖情況均有出入，預(yù)測(cè)質(zhì)量與電磁干擾、分析人員經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。

通過(guò)對(duì)吉林引松工程隧洞、遼寧公路隧道工程、遼西北調(diào)水工程隧洞、引漢濟(jì)渭工程引水隧洞、云南大瑞鐵路高黎貢山隧洞段的調(diào)研工作[3][4]，結(jié)合對(duì)本工程的勘探試驗(yàn)洞實(shí)際測(cè)試應(yīng)用預(yù)報(bào)及隧洞開(kāi)挖后對(duì)比驗(yàn)證確定如下：

裂隙水及附近區(qū)段采用地表瞬變電磁法沿線做探水預(yù)報(bào)普查，并與現(xiàn)有地勘成果對(duì)比分析，通過(guò)多信息元對(duì)富水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)報(bào)。根據(jù)普查結(jié)果，在洞內(nèi)有針對(duì)性地采用激發(fā)極化法對(duì)掌子面前方30～100 m 范圍地下水情況作短距離預(yù)報(bào)，出現(xiàn)異常情況下應(yīng)適當(dāng)加密物探預(yù)報(bào)頻次。

2）鉆孔設(shè)備選型

由于TBM 空間有限，其前部刀盤遮擋人員及鉆機(jī)無(wú)法直接面對(duì)掌子面圍巖，需要拆除滾刀留出刀座孔或TBM 退機(jī)（后退4 m 左右）等方式創(chuàng)造空間，通過(guò)刀盤進(jìn)人孔將人員設(shè)備送入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，鉆機(jī)能在狹小空間內(nèi)滿足鉆距長(zhǎng)、盡量減少超前帷幕灌漿作業(yè)循環(huán)頻次的要求。

因此，鉆機(jī)應(yīng)選擇體積小、功率大、重量輕、解體性好的型號(hào)，以便于搬遷和運(yùn)輸。若鉆機(jī)選型不當(dāng)，鉆機(jī)功率小，輸出扭矩小，則達(dá)不到要求的鉆孔深度；鉆機(jī)轉(zhuǎn)速不合適，則達(dá)不到鉆機(jī)切割巖石所需要的線速度；鉆機(jī)功能不完善，沒(méi)有打撈鉆桿和排渣的設(shè)備等，則打向下傾斜孔時(shí)易出現(xiàn)問(wèn)題影響效率；鉆機(jī)質(zhì)量差，則易出現(xiàn)故障。應(yīng)根據(jù)巖石特性，選擇合理的鉆頭類型、直徑和鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證鉆孔進(jìn)尺穩(wěn)定，才能提高堵水灌漿的效率。經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)上眾多的小型鉆機(jī)調(diào)查對(duì)比，選擇了某國(guó)產(chǎn)100 型潛孔鉆機(jī)，該設(shè)備大小合適，操作簡(jiǎn)便，整機(jī)可拆性好，搬運(yùn)較為方便。在現(xiàn)場(chǎng)使用該型號(hào)設(shè)備進(jìn)行超前鉆孔試驗(yàn)，鉆孔效果良好，可滿足超前灌漿孔徑76 mm、孔深20～30 m 的要求。

3）堵水灌漿材料與工藝

堵水灌漿技術(shù)的核心是材料和工藝，針對(duì)實(shí)際復(fù)雜多樣的圍巖地質(zhì)特性及出水形式，在堵水高效、安全、經(jīng)濟(jì)的原則下，針對(duì)不同堵水位置采用不同的堵水方案：

（1）水泥+水玻璃雙漿液配套施工方案

灌漿材料為42.5#中抗硫袋裝水泥及波美度35～37 水玻璃，適用性一般偏好、系統(tǒng)堵水效果較好，適用于一般涌水，大面積系統(tǒng)灌漿部位及掌子面超前注漿，價(jià)格適中，多用于深層堵水，超前帷幕注漿深度9～20 m，阻水環(huán)注漿深度6～10 m，系統(tǒng)注漿深度2～4.5 m。

（2）化學(xué)灌漿配套施工方案

化學(xué)灌漿材料為高聚物（改性異氰酸酯+組合聚醚）及聚氨酯（組合聚醚多元醇），堵水效果好，適用于大涌水，但價(jià)格偏高，可用于緊急情況處理，基本為淺孔注漿，掌子面注漿深度1.5～2 m，洞壁注漿深度0.6～1.2 m。

（3）水泥單漿液配套施工方案

灌漿材料為42.5#中抗硫袋裝水泥，堵水效果較差，價(jià)格偏低，多用于后期補(bǔ)強(qiáng)處理，配合雙漿液使用。

通過(guò)水泥、高聚物、聚氨酯三種不同灌漿材料分別進(jìn)行堵水試驗(yàn)方案后，對(duì)三種方法堵水效果進(jìn)行分析比較，常規(guī)水泥灌漿堵水（水泥灌漿堵水、水泥+水玻璃灌漿堵水）歷時(shí)長(zhǎng)，灌漿材料反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，在動(dòng)水條件下進(jìn)行灌漿效果不明顯，由于水玻璃膠凝時(shí)間調(diào)節(jié)可控范圍小，膠凝時(shí)間長(zhǎng)，膠凝強(qiáng)度低，易收縮等缺點(diǎn)，不利于TBM 快速掘進(jìn)，但價(jià)格較低，但對(duì)后期深層永久灌漿有利?；瘜W(xué)材料具有膨脹率高，固化時(shí)間短，滲透性、密封性好，施工工藝簡(jiǎn)單，堵水針對(duì)性強(qiáng)，成功率高，堵水效果明顯等特點(diǎn)。對(duì)TBM 快速掘進(jìn)影響較小，灌漿效果好，但價(jià)格偏高。

4）系統(tǒng)措施方案

經(jīng)過(guò)對(duì)各堵水方案的對(duì)比分析及現(xiàn)場(chǎng)施工的總結(jié)，若使用超前預(yù)報(bào)、合適的鉆孔設(shè)備及合理搭配不同灌漿材料配套施工方案，可使堵水效率大幅提高，全洞總出水量明顯下降，堵水效果顯著，減少TBM 停機(jī)時(shí)間?，F(xiàn)針對(duì)TBM 涌水段堵水灌漿形成以下系統(tǒng)性措施方案：

（1）隧洞富水區(qū)段，應(yīng)全程進(jìn)行超前探水預(yù)報(bào)，初判前方涌水位置。

（2）隧洞富水區(qū)段應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出水情況限量采用高聚物化學(xué)淺層注漿，滿足TBM 正常掘進(jìn)即可，當(dāng)TBM 后配套通過(guò)出水點(diǎn)后進(jìn)行水泥+水玻璃深孔系統(tǒng)注漿堵水。

（3）易形成突發(fā)大涌水的極富水區(qū)域，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與探孔，應(yīng)架設(shè)100 型潛孔鉆機(jī)鉆孔進(jìn)行超前帷幕注漿，保障人員、設(shè)備安全前提下快速通過(guò)。

5 效果檢查及總結(jié)

通過(guò)以上對(duì)TBM 涌水段封堵措施的實(shí)施，TBM施工段富水洞段出水量已明顯得到控制，截止至2019年6月，隧洞累計(jì)出水涌水量為6 569 m3/h，累計(jì)堵水量為5 619 m3/h，堵水量為總出水量的86%，已滿足初期設(shè)定的堵水量占總水量的比例目標(biāo)。由于封堵效率的提高，停機(jī)時(shí)間較初期遇涌水段有明顯減少，每月進(jìn)尺隨著掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)的增加也有明顯增長(zhǎng)。涌水段封堵情況經(jīng)參建各方聯(lián)合對(duì)堵水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)滿足要求且驗(yàn)收合格。

由于開(kāi)敞式TBM 現(xiàn)場(chǎng)不良地質(zhì)條件適應(yīng)性較差，面對(duì)涌水情況處理起來(lái)相對(duì)棘手，若針對(duì)TBM 涌水封堵的關(guān)鍵技術(shù)：“1）前方出水情況的探測(cè)；2）鉆孔設(shè)備的選擇；3）堵水灌漿材料的選擇；4）堵水灌漿的施工方法”幾個(gè)方面選取合適的處理方案會(huì)有效改善現(xiàn)場(chǎng)堵水效果，提高施工效率。