開敞式TBM不良地質(zhì)段超前預(yù)處理技術(shù)研究及應(yīng)用

文敬

摘要：隨著TBM設(shè)備在各施工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在其施工過程中不可避免地遭遇各種不良地質(zhì)段，若不能及時處理，則可能造成TBM卡機、垮塌、人員設(shè)備傷亡等。

本文基于新疆北部某引水隧洞TBM施工項目，為保證TBM掘進施工安全，避免出現(xiàn)大規(guī)模塌方、TBM主機被埋等情況，保證TBM通過沖溝段層破碎帶時，設(shè)備和人員能夠安全施工，針對沖溝斷層不良地質(zhì)段，采用地表注漿加固的方法進行超前處理，針對施工過程中遇到的軟巖塌腔、斷層帶、涌水等各種不良地質(zhì)段，總結(jié)了相應(yīng)的施工處理措施。

關(guān)鍵詞：開敞式TBM;引水隧洞;不良地質(zhì)段;地表注漿

1、前言

新疆北部某引水隧洞采用一臺開敞式TBM進行施工，該段隧洞位于剝蝕構(gòu)造低山丘區(qū)，地形開闊、略起伏，TBM施工段長21.5km，開挖洞徑7.8m。隧洞分布埋深6～127m，平均埋深34m，為淺埋隧洞。沿線穿越18條淺埋沖溝和9條大規(guī)模斷層破碎帶，沖溝底寬約6～70m，沖溝規(guī)模較大，斷層破碎帶寬度10～35m，洞內(nèi)地下水以基巖裂隙水為主，斷層破碎帶洞壁會產(chǎn)生線狀水流現(xiàn)象，估算隧洞段總涌水量456～2450m3/h，施工應(yīng)加強排水措施，在TBM掘進遇到的各種不良地質(zhì)可能引起的安全、質(zhì)量、施工風(fēng)險，以及造成的嚴(yán)重后果。本文針對該項目TBM掘進施工過程中遇到的不良地質(zhì)地段，總結(jié)了一些處理施工經(jīng)驗，采取相應(yīng)的處理措施以提高TBM掘進效率和施工安全性。

2、地表灌漿施工規(guī)劃

2.1 灌漿規(guī)劃

通過現(xiàn)場施工總結(jié)，提前判別不良地質(zhì)段，在被揭露之前根據(jù)地質(zhì)資料和地表勘探孔，再結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果進行綜合研判，提前采取相應(yīng)的處理措施，判別圍巖斷層和涌水等不良地質(zhì)段。將水泥漿液注入TBM將要掘進的隧洞洞底2m，洞身7.8m，洞頂5m，總注漿長度14.8m，注漿使巖石裂隙連成一個整體。

2.2 施工準(zhǔn)備

（1）灌漿施工前，對施工人員進行詳細(xì)的技術(shù)交底和技術(shù)培訓(xùn);

（2）做好人員組織和機械設(shè)備配備、材料準(zhǔn)備等工作，做到分工明確，職責(zé)分明，人員穩(wěn)定，保證施工順利有序進行;

（3）灌漿地點一般處于沖溝段和斷層帶，在灌漿設(shè)備進場前，需要在灌漿地點進行場地平整，填筑進場道路，進場道路主要由隧洞廢渣鋪筑;

（4）施工前由測量工程師將隧道導(dǎo)線引至地表注漿處對隧道淺埋區(qū)進行原地面地形測量，測設(shè)出隧道中線里程、高程，根據(jù)中線放樣，測設(shè)隧道邊線及需注漿邊線，按設(shè)計放樣注漿寬度;

（5）利用挖掘機、裝載機將施工面清理干凈，排水系統(tǒng)形成及施工輔助設(shè)施完成并經(jīng)檢查驗收合格后方可鉆灌施工。

2.3 施工原理

地表注漿的原理首先是地表鉆孔，然后讓注漿機通過孔和地下裂隙，使其水泥漿液充填地下裂隙，并產(chǎn)生硬化。地表注漿的作用主要有兩個，第一個是將原有的裂隙水和地下水從節(jié)理裂隙中擠壓出來，另一方面是將破碎巖石連成一個整體，提高TBM穿越不良地質(zhì)段減少施工風(fēng)險，提高施工效率。[1]

3、地表灌漿

3.1 布孔鉆孔

（1）孔位放樣采用GPS測量儀進行，分序?？孜慌c設(shè)計孔位的偏差值不得大于10cm，孔深應(yīng)符合設(shè)計規(guī)定。實際孔位、孔深做好詳實記錄。

（2）注漿孔應(yīng)進行孔斜測量?？椎椎钠畈坏么笥?.25m。

（3）注漿孔采用地質(zhì)鉆鉆進。鉆孔過程中，遇巖層、巖性變化，發(fā)生掉鉆、坍孔、鉆速變化、回水變色、失水、涌水等異常情況，應(yīng)詳細(xì)進行記錄。

（4）鉆孔遇有洞穴、塌孔或掉塊難以鉆進時，可先進行注漿處理，再行鉆進。如發(fā)現(xiàn)集中漏水或涌水，應(yīng)查明情況、分析原因，經(jīng)處理后再行鉆進。

（5）注漿孔（段）在鉆進結(jié)束后，進行鉆孔沖洗，孔底沉積厚度不得超過20cm。

（6）鉆孔施工作業(yè)暫時中止時，孔口應(yīng)妥加保護，防止流進污水和落入異物。

（7）注漿孔按分序加密的原則進行鉆進。注漿孔排與排之間和同一排孔內(nèi)孔與孔之間，分為二序施工。

3.2 鉆孔沖洗

鉆孔沖洗：采用自孔底向孔外大水量敞開沖洗及壓力風(fēng)沖洗或風(fēng)水聯(lián)合沖洗，鉆孔沖洗方法根據(jù)不同的地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場注漿試驗確定。

裂隙沖洗：根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用壓力水沖洗、壓力風(fēng)沖洗、風(fēng)水輪換沖洗的方法進行裂隙沖洗。

沖洗壓力：沖洗水壓采用80%的注漿壓力，壓力超過1MPa，則采用1MPa;沖洗風(fēng)壓可為注漿壓力的50%，壓力超過0.5MPa，采用0.5MPa。

裂隙沖洗沖至回水清凈后結(jié)束，且總的時間要求，單孔不少于20min，串通孔不少于2h。對回水達不到清凈要求的孔段，繼續(xù)進行沖洗，孔內(nèi)殘存的沉積物厚度不超過20cm。

當(dāng)鄰近有正在注漿的孔或鄰近注漿孔結(jié)束不足24h時，不得進行裂隙沖洗。

注漿孔（段）裂隙沖洗后，該孔（段）立即進行注漿作業(yè)，因故中斷時間間隔超過24h者，在注漿前重新進行裂隙沖洗。

特殊地段：對于地質(zhì)構(gòu)造帶（特別是斷層破碎帶、遇水泥化帶），采用自孔底向孔外進行壓力風(fēng)沖洗的方式，避免用水沖洗使破碎巖體遇水泥化造成對裂隙的堵塞，從而影響注漿質(zhì)量。

3.3 壓水試驗

各灌漿孔在鉆孔沖洗和裂隙沖洗后進行壓水試驗，壓水試驗采用單點法對孔底段做簡易壓水試驗，其余各段在灌漿前一般不進行裂隙沖洗和簡易壓水試驗，以免影響前一段灌注漿液的凝固，對灌漿質(zhì)量不利。

“單點法”簡易壓水的壓力為注漿壓力的80%，若大于1MPa時，采用1MPa，遇到特殊情況則按設(shè)計通知執(zhí)行。

簡易壓水試驗壓水時間為20min，每5min測讀一次壓水流量，取最后的流量值作為計算值，其成果以透水率表示。

單點法壓水試驗穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：在穩(wěn)定壓力下每2min～5min測讀一次壓水流量，連續(xù)四次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%;或最大值與最小值之差小于1L/min時即可結(jié)束，取最終值作為計算值。

3.4 注漿

3.4.1 注漿參數(shù)

注漿段在洗孔壓水結(jié)束后應(yīng)及時進行注漿作業(yè)，因故中斷時間間隔超過24小時，灌前應(yīng)重新進行裂隙沖洗、壓水試驗。本方案采用分段注漿法，分三段進行，各段灌漿長度根據(jù)灌漿塞封堵位置可適當(dāng)調(diào)整，各注漿段注漿結(jié)束后一般不待凝。分段注漿孔采用自下而上、孔內(nèi)循環(huán)分段注漿法。注漿塞置于該段段頂0.5m處，射漿管距孔底不大于0.5m。注漿結(jié)束待加深或鉆孔結(jié)束待注漿時，注漿孔孔口應(yīng)妥善保護，嚴(yán)防污水，污物流入孔內(nèi)。

注漿阻塞：本方案采用無蓋重注漿一次成孔、自下而上分段方式進行。各段應(yīng)控制段長3～8m左右，各注漿段射漿管應(yīng)保證其距注漿段段底不應(yīng)大于0.5 m，否則應(yīng)重新配置射漿管。

注漿孔注漿結(jié)束后一般不待凝，可直接進行下一段鉆灌作業(yè)。當(dāng)遇斷層破碎帶等特殊情況時，注漿結(jié)束后應(yīng)進行待凝處理，待凝時間依據(jù)實際情況確定。

如果鉆孔過程中成孔困難，發(fā)生塌孔、卡鉆、涌水，則采用自上而下、孔內(nèi)循環(huán)分段注漿法，分段長度根據(jù)鉆孔情況確定。

3.4.2 注漿設(shè)備及材料

BW150注漿泵，ZJ-800型制漿機，ZSQ-42型液（氣）止?jié){塞、三參數(shù)大循環(huán)注漿自動記錄儀。水泥采用42.5MPa抗硫酸鹽水泥或42.5MPa普通硅酸鹽水泥。水泥漿液采用2：1、1：1、0.5：1三個比級。

3.4.3 變漿標(biāo)準(zhǔn)：

① 當(dāng)注漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少，或當(dāng)注入率保持不變而注漿壓力持續(xù)升高時，不能改變水灰比。

② 當(dāng)某一比級漿液注入量已達300L以上、或灌注時間已達30min，而注漿壓力和注入率均無顯著改變時，換濃一級水灰比漿液灌注。

③ 當(dāng)注入率大于30L/min時，可視具體情況越級變濃水灰比。

注漿過程中，漿液變換及注漿結(jié)束時必須測記漿液密度，其測值應(yīng)反映在注漿原始記錄中。

注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗成果確定后報請監(jiān)理工程師批準(zhǔn)或由監(jiān)理工程師確定。

當(dāng)注漿開始后盡快使壓力達到設(shè)計值，接觸段和注入率大的孔段逐級升壓。

為防止巖石面抬動，注漿原則上一泵灌一孔，當(dāng)相互串漿時，如串漿孔具備注漿條件，一泵一孔同時進行灌注。否則，塞住串漿孔，待注漿孔注漿結(jié)束后，再對串漿孔進行掃孔、沖洗，而后進行鉆進或注漿。

3.5 封孔

當(dāng)注漿壓力達到規(guī)定值時，注入率小于或者等于1L/min，繼續(xù)灌注30min，即可結(jié)束注漿。當(dāng)長時間達不到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時報請監(jiān)理工程師研究處理措施。

注漿封孔應(yīng)采用 “導(dǎo)管注漿封孔法”，封孔采用漿液水灰比為0.5：1的濃漿，灌漿結(jié)束后，安設(shè)孔口管，使用水灰比為0.5的濃漿從孔口管內(nèi)注入，自管外孔口管返出，固定孔口管待凝。待凝24小時后清除孔內(nèi)污水、浮漿，脫空處采用干硬性水泥砂漿封填密實。

3.6 注漿效果檢查

灌漿質(zhì)量檢查應(yīng)以檢查孔壓水試驗成果為主，灌漿檢查孔應(yīng)布置在以下位置;

（1）巖體破碎、斷層、有塌孔等地質(zhì)條件不良段;

（2）鉆孔偏斜過大，灌漿情況不正常等，對灌漿質(zhì)量有影響部位;

灌漿過程中，周邊各孔灌漿量大的部位，檢查孔采用單點法做簡易壓水試驗，數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的5%，檢查孔應(yīng)采取鉆芯法進行觀察，檢查時間可在灌漿結(jié)束后3d或7d后進行，灌漿質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)為：各段的合格率應(yīng)達到85%，不合格孔段的透水率值不超過150%。

4、質(zhì)量控制

4.1 材料質(zhì)量控制措施

（1）水泥經(jīng)由指定廠家供應(yīng)，材質(zhì)檢驗合格后方可使用。每批次水泥須有檢驗合格證，并送中心試驗室進行物理、力學(xué)性質(zhì)檢測;各類施工材料應(yīng)附有生產(chǎn)廠家的質(zhì)量證明書和產(chǎn)品使用說明書，杜絕不合格材料用于工程。

（2）施工現(xiàn)場設(shè)置專用的注漿水泥倉庫，水泥的標(biāo)號、細(xì)度、有機物含量等指標(biāo)滿足技術(shù)要求和規(guī)范要求，水泥的儲存距出廠日期不超過三個月;嚴(yán)禁使用受潮結(jié)塊等不符合質(zhì)量要求的水泥。

（3）同一部位的注漿水泥盡量使用同一品種、同一類型、同一強度等級的水泥。砂的細(xì)度模數(shù)、含泥量等指標(biāo)滿足規(guī)范要求。拌漿用水、外加劑的質(zhì)量需符合規(guī)范有關(guān)規(guī)定。

（4）漿液使用前過篩，從開始制備至用完的時間不超過3h;漿液溫度保持在5℃～40℃間。

4.2 設(shè)備控制措施

（1）鉆孔機械各施工參數(shù)，滿足其相應(yīng)的技術(shù)要求，能方便定位，保證孔位和孔向。取芯孔能達到芯樣獲得率要求，鉆機的深度滿足孔深的要求，氣動鉆機具備消音、除塵裝置。制漿設(shè)備采用高速制漿機，配置相應(yīng)的過濾裝置。注漿設(shè)備采用三缸柱塞泵，其壓力滿足技術(shù)要求需要，三缸運行穩(wěn)定，擺動范圍小，輸漿過程中活塞不漏漿。

（2）注漿記錄儀器設(shè)備采用由監(jiān)理工程師批準(zhǔn)的、經(jīng)過國家有關(guān)部門鑒定的、可測記注漿壓力、注入率和水灰比等施工參數(shù)的三參數(shù)大循環(huán)注漿自動記錄儀，并能反映注漿壓力和流量過程曲線。施工前準(zhǔn)備足夠的流量計、壓力表、壓力軟管、供水管及閥門等備品。

（3）鉆孔注漿設(shè)備數(shù)量滿足高峰期施工強度要求和質(zhì)量、進度控制的要求，杜絕采用超壓鉆進、不符合要求的多孔并聯(lián)灌注現(xiàn)象。

（4）所有注漿設(shè)備、儀器、儀表等均要經(jīng)常維護保養(yǎng)，使其保持正常的工作狀態(tài)，另外還根據(jù)需要配備一定的備用量，保證施工順利進行。

4.3 施工人員控制措施

（1）對負(fù)責(zé)注漿施工的員工進行進場培訓(xùn)，進行全面技術(shù)、質(zhì)量交底;講解圖紙、作業(yè)程序及質(zhì)量要求，使作業(yè)人員熟知作業(yè)內(nèi)容及質(zhì)量要求;提高作業(yè)人員的質(zhì)量意識和保證施工質(zhì)量的能力。

（2）特殊作業(yè)人員持證上崗，上崗前在現(xiàn)場進行培訓(xùn)考核，合格后方能上崗作業(yè)。

4.4 施工控制措施

鉆孔孔位與設(shè)計圖紙一致，開孔孔位與設(shè)計位置的偏差不大于10cm。鉆孔孔斜控制在2.5%以內(nèi)。鉆孔過程中的地質(zhì)缺陷情況、孔內(nèi)事故情況認(rèn)真記錄、仔細(xì)分析。取芯孔的巖芯獲得率要求滿足80%以上的技術(shù)規(guī)范要求。

注漿孔段的沖洗方法、沖洗壓力、阻塞位置、分段長度、射漿管距孔底距離、注漿分序、注漿方式、注漿壓力、變漿標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、封孔方式及封孔質(zhì)量滿足有關(guān)技術(shù)要求。注漿監(jiān)測和注漿記錄滿足自動化控制標(biāo)準(zhǔn)。注漿質(zhì)量檢查達到相應(yīng)的合格標(biāo)準(zhǔn);否則，主動采取補救措施。

4.5 注漿效果檢查和評價

灌漿質(zhì)量檢查應(yīng)以檢查孔壓水試驗成果為主，灌漿檢查孔應(yīng)布置在以下位置;巖體破碎、斷層、有塌孔等地質(zhì)條件不良段;鉆孔偏斜過大，灌漿情況不正常等，對灌漿質(zhì)量有影響部位;灌漿過程中，周邊各孔灌漿量大的部位，檢查孔采用單點法做簡易壓水試驗，數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的5%，檢查孔應(yīng)采取鉆芯法進行觀察，檢查時間可在灌漿結(jié)束后3d或7d后進行，灌漿質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)為：各段的合格率應(yīng)達到85%，不合格孔段的透水率值不超過150%。同時，通過提前對不良地質(zhì)段進行注漿，TBM在穿越該段時只體現(xiàn)出圍巖不完整，并無明顯的塌腔，TBM穿越該段所用時間也有明顯的減少，提高了TBM施工效率。

5、結(jié)語

（1）不良地質(zhì)段灌漿段經(jīng)過提前的判別，通過制定的孔位布置、鉆孔深度、灌漿壓力以及灌漿材料的選擇，符合現(xiàn)場條件，滿足灌漿要求。

（2）地表灌漿的灌漿孔在鉆孔沖洗和裂隙沖洗后要進行壓水試驗，壓水試驗采用單點法對孔底段做簡易壓水試驗。

（3）對于個別不良地質(zhì)段，灌漿孔位分布可根據(jù)地質(zhì)條件適當(dāng)加密或適當(dāng)放大，通過此次處理方式，建議灌漿段洞底1～2m，洞身全部灌漿，洞頂4～5m段灌漿，在該段注漿既可以節(jié)省材料也具有良好的效果。

（4）開敞式TBM在不良地質(zhì)段經(jīng)過地表注漿，可有效的達到預(yù)期的效果，使TBM在隧洞掘進過程中安全，同時避免出現(xiàn)大規(guī)模塌方、TBM主機被埋等情況。

（5）通過對不良地質(zhì)段提前地表注漿，有效的避免了TBM穿越不良地質(zhì)段引起的塌腔、停機等事故，預(yù)處理后TBM安全高效通過并且良好效果。

參考文獻：

[1]王麗瑤 王成 王春曉. 地表注漿技術(shù)在隧道淺埋偏壓破碎帶中的應(yīng)用[B]. 中國公路工程咨詢集團有限公司，北京.