富水段TBM法施工隧洞超前堵水方法

劉傳信

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

1.1 概述

新疆某工程主洞TBM 2-1 段隧洞全長(zhǎng)12 040 m，隧洞直徑5.5 m，該洞為敞開(kāi)式TBM 逆坡掘進(jìn)，順坡排水，坡度為1/5 000。

1.2 水文地質(zhì)條件

該工程主洞TBM 2-1 段隧洞主要處于石炭系地層內(nèi)，尾端處于侏羅系地層內(nèi)，地層巖性為凝灰質(zhì)砂巖和巖屑玻屑凝灰?guī)r，局部夾凝灰質(zhì)粉砂巖、沉凝灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖，巖體呈厚～巨厚層狀。

本標(biāo)段地下水均為基巖裂隙水，沒(méi)有統(tǒng)一的地下水面，埋深一般大于30～50 m，裂隙水主要通過(guò)結(jié)構(gòu)面及強(qiáng)風(fēng)化層滲移富集，主要儲(chǔ)存于斷層破碎帶、裂隙密集帶與不同地層或巖性的接觸帶，新鮮巖體內(nèi)地下水一般較少，隧洞段屬于地下水貧水區(qū)，滲流量小，大多以滲水、滴水為主，局部為線狀流水。

根據(jù)隧洞施工方法及圍巖工程地質(zhì)條件，TBM 2-1 段大致可分為如下兩大段，其水文地質(zhì)條件如下：

1）SD40+495.16～SD49+087 段。該段洞長(zhǎng)約8.592 km，洞頂上覆巖體厚175～210 m，洞身處于新鮮塊狀巖體內(nèi)，以Ⅱ類(lèi)圍巖為主，局部存在Ⅲ類(lèi)圍巖。其中，Ⅱ類(lèi)圍巖長(zhǎng)7.253 km，占該洞段的84.42%；Ⅲ類(lèi)圍巖長(zhǎng)0.480 km（其中，Ⅲa 長(zhǎng)約0.288 km，Ⅲb 長(zhǎng)約0.192 km），占該洞段的5.59%；Ⅳ類(lèi)圍巖長(zhǎng)0.859 km，占該洞段的10%。隧洞施工過(guò)程中沿裂隙會(huì)有滲水、滴水現(xiàn)象，沿?cái)鄬悠扑閹Щ蛄严睹芗瘞?huì)有線狀流水。根據(jù)水文預(yù)測(cè)結(jié)果，SD40+200～SD46+500 段總涌水量1 916～3 213 m3/h；SD46+500～SD49+100 段總涌水量1 326～1 591 m3/h。

2）SD49+087～SD52+585.465 段。該段洞長(zhǎng)約3.498 km，洞頂上覆巖體厚110～180 m，洞身處于新鮮塊狀巖體內(nèi)，巖體大多較完整，局部完整性差，該段主要以Ⅲ類(lèi)圍巖為主。其中，Ⅱ類(lèi)圍巖長(zhǎng)0.340 km，占該洞段的9.7%；Ⅲ類(lèi)圍巖長(zhǎng)2.808 km（其中，Ⅲa 長(zhǎng)約1.685km，Ⅲb 長(zhǎng)約1.123 km），占該洞段80.3%；Ⅳ類(lèi)圍巖長(zhǎng)0.350 km，占該洞段的10%。隧洞施工過(guò)程中沿裂隙會(huì)有滲水、滴水現(xiàn)象，沿?cái)鄬悠扑閹Щ蛄严睹芗瘞?huì)有線狀流水。根據(jù)水文預(yù)測(cè)結(jié)果，SD49+100～SD51+227.062 段總涌水量3 156 m3/h。

2 富水段掌子面超前預(yù)注漿

由于工程所在區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，為保障TBM（全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)）正常掘進(jìn)，擬在TBM 掘進(jìn)至富水洞段，結(jié)合超前探水預(yù)報(bào)在施工過(guò)程中采用超前預(yù)注漿堵水方法。

超前預(yù)注漿分2 種狀況進(jìn)行：一種是掌子面前方圍巖較好（Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖），超前探水預(yù)測(cè)前方含水豐富的情況；一種是掌子面前方圍巖較差（Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖），超前探水預(yù)測(cè)前方含水豐富的情況。

當(dāng)掌子面圍巖破碎造成大量涌水時(shí)，為避免注漿過(guò)程中大量水泥漿流失，加強(qiáng)注漿效果，應(yīng)首先進(jìn)行聚氨酯化學(xué)灌漿堵水施工，對(duì)掌子面進(jìn)行淺層堵水[1]。

1）超前預(yù)灌漿材料

水泥：新疆天山水泥廠生產(chǎn)的42.5#高抗硫袋裝水泥；

水玻璃：濃度為1.31～1.34 g/cm3；

聚氨酯化灌材料。

2）超前預(yù)注漿設(shè)備

超前鉆孔設(shè)備：100B 潛孔鉆；

灌漿設(shè)備：灌漿泵使用SNS130/20 型泥漿泵；

制漿設(shè)備：制漿機(jī)使用ZJ-400 型高速制漿機(jī)；攪拌使用JJS-10 型漿液攪拌機(jī)。

2.1 Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖超前預(yù)注漿

2.1.1 施工準(zhǔn)備

1）進(jìn)行掌子面堵水作業(yè)前，先拆除護(hù)盾尾部已安裝的2 榀鋼拱架（Ⅲb 圍巖），割除已安裝的錨桿外露頭，刀盤(pán)后退5.0 m，拆除部分邊刀和中心刀，作為人員、設(shè)備進(jìn)出通道[2]。

2）在刀盤(pán)至掌子面空間內(nèi)放置18.5 kW 水泵，水泵數(shù)量根據(jù)掌子面涌水量確定，利用水泵將刀盤(pán)前部積水抽排至護(hù)盾尾部。

3）在刀盤(pán)至掌子面的空間內(nèi)搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)，在平臺(tái)上鋪設(shè)5 cm 厚馬道板。作業(yè)平臺(tái)用腳手架管搭設(shè)，立桿間距1.2 m，橫桿間距1.2 m，掌子面超前灌漿平臺(tái)示意圖如圖1 所示。

圖1 掌子面超前灌漿平臺(tái)示意圖

2.1.2 孔位布置

掌子面前方圍巖性質(zhì)較好（Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖），但預(yù)測(cè)前方含水豐富，沿隧洞輪廓線邊緣需均勻布置12 個(gè)超前預(yù)注漿孔，孔深L=20.0 m，孔徑φ=76 mm、90 mm，輻射狀布置，輻射角度控制在10°以?xún)?nèi)。灌漿作業(yè)時(shí)，刀盤(pán)后退5 m，拆除部分邊刀作為人員進(jìn)出通道。刀盤(pán)前方搭設(shè)臨時(shí)工作平臺(tái)，完成超前預(yù)注漿后，無(wú)論掌子面涌水是否完全封堵，撤除掌子面前方工作平臺(tái)和鉆機(jī)，恢復(fù)刀頭后掘進(jìn)。掘進(jìn)至超前預(yù)注漿遠(yuǎn)端剩余3～5 m 時(shí)停止掘進(jìn)，作為下一注漿段的止?jié){巖盤(pán)，按照以上方法進(jìn)行下一循環(huán)超前預(yù)注漿。即超前預(yù)注漿20 m，掘進(jìn)17～15 m，繼續(xù)下一循環(huán)超前預(yù)注漿和掘進(jìn)。掌子面超前預(yù)注漿孔位布置示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 掌子面超前預(yù)灌漿孔位布置示意圖

圖3 Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖掌子面超前預(yù)注漿施工示意圖

2.1.3 鉆孔

鉆孔前，進(jìn)行孔位定位，在掌子面標(biāo)出孔位。鉆孔采用100B 輕型潛孔鉆，鉆孔采用全孔一次鉆孔成孔。若鉆進(jìn)過(guò)程中遇出水情況，暫停鉆孔進(jìn)行灌漿后重新鉆孔。

2.1.4 孔內(nèi)沖洗

每個(gè)鉆孔完成后，進(jìn)行鉆孔沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%，時(shí)間不少于15 m in，孔內(nèi)有涌水的鉆孔不進(jìn)行沖洗。

2.1.5 灌漿

灌漿方式：灌漿方法采用純壓式灌漿，根據(jù)具體情況選用單漿液或雙液漿灌注。

灌漿分段：根據(jù)鉆孔出水情況，當(dāng)出水量較小時(shí)，采取全孔一次灌漿；當(dāng)出水量較大時(shí)，采取由內(nèi)而外或由外向內(nèi)分段灌漿，每段灌漿深度不超過(guò)6 m；當(dāng)鉆孔過(guò)程中出水量極大時(shí)，立即停止鉆孔，開(kāi)始灌漿封堵待封堵完成再進(jìn)一步掃孔、加深鉆孔[3]。

注漿阻塞：采用水壓膨脹橡膠阻塞器，阻塞器卡在孔口或分段注漿部位，阻塞深度以灌漿過(guò)程孔口不移動(dòng)為宜。

進(jìn)漿管：進(jìn)漿管距孔底距離不大于50 cm。

2.1.6 漿液比級(jí)

純水泥漿液的水灰比一般包括4 個(gè)比級(jí)，分別為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1。一般孔采用2∶1 漿液開(kāi)灌，孔內(nèi)涌水量大于30 L/min時(shí)，可用0.5∶1 漿液開(kāi)灌。

漿液比級(jí)變換標(biāo)準(zhǔn)：灌漿時(shí)，當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率均勻減少；或者注入率不變，壓力均勻升高時(shí)，灌漿工作持續(xù)下去，不得改變水灰比。

當(dāng)某一比級(jí)漿液的灌入量已達(dá)300 L 以上時(shí)，灌漿壓力及注入率均無(wú)改變或改變不明顯，可改濃一級(jí)灌注。

灌漿過(guò)程中，出現(xiàn)漏漿、冒漿、串漿時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整灌漿漿液水灰比級(jí)。

2.1.7 灌漿壓力

根據(jù)鉆孔中涌水壓力確定，孔內(nèi)涌水壓力小于0.1 MPa時(shí)，灌漿壓力為0.5 MPa；孔內(nèi)涌水壓力大于0.1 MPa 時(shí)，灌漿壓力為0.5 MPa+涌水壓力，但最大不超過(guò)2.0 MPa。

2.1.8 結(jié)束條件

在規(guī)定的灌漿壓力下，灌漿孔停止吸漿，延續(xù)灌注10 min即可結(jié)束。

全孔灌漿結(jié)束后，用0.5∶1 新鮮水泥漿置換孔內(nèi)稀漿或積水，采用全孔灌漿封堵法封孔，封孔灌漿壓力采用該孔灌漿壓力。

2.1.9 灌漿質(zhì)量檢查

1）鉆孔檢查，通過(guò)出水量判定固結(jié)堵水范圍，有無(wú)注漿空白區(qū)。

掌子面所有孔完成超前灌漿后，進(jìn)行灌漿堵水質(zhì)量檢查，質(zhì)量檢查方式為：在掌子面邊緣輻射狀布置檢查孔、與隧洞軸線呈15°角，檢查孔主要布置在裂隙發(fā)育密集處，檢查孔孔徑φ=76 mm，孔深20 m，每次完成12 個(gè)超前孔灌漿后，進(jìn)行檢查孔施工，檢查孔按照固結(jié)灌漿檢查孔5%的比例，選取1 孔即可。

灌漿合格的標(biāo)志為檢查孔不出水或者少量滲水。假如檢查孔存在大量涌水，對(duì)檢查孔須進(jìn)行超前灌注。檢查孔灌漿方法與超前灌漿孔灌漿方法一樣。

2）開(kāi)挖時(shí)檢查漿液滲透和固結(jié)情況。

3）根據(jù)注漿施工記錄（注漿量、壓力表讀數(shù)）判定注漿效果。

2.2 Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖超前預(yù)注漿

2.2.1 施工準(zhǔn)備

Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖超前預(yù)注漿時(shí)，由于掌子面圍巖破碎，不宜在掌子面進(jìn)行超前處理，具體措施為：在TBM 設(shè)備L1 區(qū)搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)，平臺(tái)上安裝100B 潛孔鉆，進(jìn)行鉆孔，利用TBM 3#/4#臺(tái)車(chē)上的灌漿設(shè)備進(jìn)行超前預(yù)注漿，平臺(tái)用10#槽鋼和∠75 mm×75 mm 角鋼焊接而成，超前預(yù)注漿鉆孔設(shè)備平臺(tái)如圖4 所示。

圖4 超前預(yù)注漿鉆孔設(shè)備平臺(tái)

2.2.2 孔位布置

掌子面前方圍巖較差（Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖），預(yù)測(cè)前方含水豐富。刀盤(pán)不后退，采用100B 潛孔鉆沿護(hù)盾后部輪廓線輻射狀均勻布置12 個(gè)超前預(yù)注漿孔，每孔深20 m，輻射角度控制在10°以?xún)?nèi)[4]。

完成超前預(yù)注漿后，無(wú)論掌子面涌水是否完全封堵恢復(fù)掘進(jìn)。掘進(jìn)至超前預(yù)注漿遠(yuǎn)端剩余3 m 時(shí)停止掘進(jìn)，按照以上方法進(jìn)行下步超前預(yù)注漿。即超前預(yù)注漿20 m，掘進(jìn)17 m，繼續(xù)下一循環(huán)超前預(yù)注漿和掘進(jìn)，孔位布置如圖5 所示。

圖5 Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖掌子面超前預(yù)注漿施工示意圖

注漿方法與掌子面注漿方法相同，在這里不再重復(fù)進(jìn)行敘述。

3 結(jié)語(yǔ)

富水洞段的隧洞掘進(jìn)一直是困擾工程界的難題，富水洞段只有采取“以堵為主、堵排結(jié)合”的綜合手段才能有效控制洞內(nèi)出水量，保證隧洞順利掘進(jìn)。在施工過(guò)程中結(jié)合地質(zhì)勘察和超前探水預(yù)報(bào)進(jìn)行超前堵水灌漿可以有效減少洞內(nèi)出水量，保障施工安全及TBM 的順利掘進(jìn)。