截水井結(jié)合化學(xué)灌漿在TBM掘進(jìn)施工中的應(yīng)用

任力強(qiáng)

（山西中部引黃工程建設(shè)管理有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

隧道工程可以按照施工的環(huán)境分為山體隧道（用于溝通陸上兩地的交通）、水下隧道（為穿越水體溝通兩地交通而在水下施工）及城市隧道（使交通不影響城市設(shè)施），其中山體隧道數(shù)量最多。隧道可以方便兩地的交通運(yùn)輸，縮短路程，但施工難度較大、工期較長，尤其是長隧道投資巨大[1]。

現(xiàn)代隧道工程的主要施工方法有鉆爆法、盾構(gòu)法、襯砌法及全斷面掘進(jìn)機(jī)法（TBM）。其中，TBM法較為高效、穩(wěn)定，近年來發(fā)展迅速。但在TBM法施工的過程中，一些不良地質(zhì)條件所引發(fā)的工程地質(zhì)問題會被一定程度地放大[2，3]，因此，TBM法在隧道工程施工應(yīng)用時(shí)往往需要靈活改變方案，針對不同工程地質(zhì)問題采取相應(yīng)的解決措施。山西省萬家寨引黃工程的泥灰?guī)r段進(jìn)行TBM隧道工程施工時(shí)，遇到過溶洞引發(fā)掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)從而造成一定損失[4]；陜西省桃花鋪1號隧道在TBM施工時(shí)遇到圍巖坍塌事故[5]；上海市地鐵1號線在建設(shè)過程中，其TBM施工段遇到滲水[6]。在TBM隧道工程施工中多種不良地質(zhì)引發(fā)的工程地質(zhì)問題的案例中，對于圍巖坍塌、掘進(jìn)卡機(jī)等事故的應(yīng)急處理措施已相對完善，但針對涌水事故的處理方式卻有一定差別[7]。

桂中治旱樂灘水庫的長距離石灰?guī)r隧道施工中遇到了較大壓力的涌水且涌水中挾帶了砂卵石，施工中采取了TBM掘進(jìn)機(jī)后退而留出灌漿作業(yè)空間的全斷面超前注漿處理方法，灌漿采用水泥砂漿與純水泥漿[8]；吉林省中部城市引松供水工程的長距離石灰?guī)r淺埋涌水段涌水量較大，但并非高壓涌水，施工中采取了TBM掘進(jìn)機(jī)后退而留出排水作業(yè)空間的方法[9]：北疆供水二期工程中多次在灰質(zhì)砂巖地質(zhì)條件下突發(fā)大型涌水，施工中采用超前注漿處理方法，灌注高聚物、水玻璃等化學(xué)灌漿[10]；陜西省引漢濟(jì)渭工程的TBM掘進(jìn)需要跨越多個(gè)斷層帶，地質(zhì)條件較差，且伴有大型涌水、涌泥，施工中采取掘進(jìn)機(jī)后退的全斷面超前注漿處理方法[11]。

綜上所述，在TBM掘進(jìn)施工過程中遇到涌水事故時(shí)，現(xiàn)階段采取掘進(jìn)機(jī)后退的全斷面超前注漿/堵水處理方法較為普遍。但全斷面超前注漿處理也存在著一些問題[12]：隧洞內(nèi)排水較慢，注漿質(zhì)量易受涌水影響。東山供水工程在進(jìn)行TBM施工時(shí)遇到大型涌水事故，采用截水井技術(shù)后進(jìn)行化學(xué)灌漿。截水井可以快速有效匯集涌水，減少隧洞內(nèi)的積水，使化學(xué)灌漿處理不易受涌水影響，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過截水井與化學(xué)灌漿處理后，TBM機(jī)可繼續(xù)進(jìn)行施工。由于截水井技術(shù)在TBM施工中的應(yīng)用較少，本文可為TBM施工中遇到涌水的隧道工程提供一定參考意義。

1 施工背景

東山供水工程中東漁溝段位于東山供水隧道工程9號隧洞，長度約400.0 m；影響TBM掘進(jìn)施工的洞段埋深約30.0 m。當(dāng)TBM掘進(jìn)機(jī)在9號隧洞掘進(jìn)至該段時(shí)，機(jī)體刀盤頂部的右方出現(xiàn)砂卵石層，掌子面的厚度從0.8 m增大至1.5 m，并出現(xiàn)大量涌水，涌水量由144 m3/h增大至250 m3/h；在刀盤內(nèi)部發(fā)現(xiàn)大量泥沙，機(jī)身底部4根主推油缸幾乎完全被泥沙覆蓋，為確保施工安全，TBM掘進(jìn)機(jī)停止掘進(jìn)作業(yè)。

針對涌水問題，確定采用旋噴灌漿加固的施工方案?；謴?fù)掘進(jìn)后，采取地面化學(xué)灌漿深層加固，TBM僅掘進(jìn)10 cm就發(fā)生大量涌泥、涌沙，伸縮護(hù)盾內(nèi)一半以上被泥沙充填，連接橋段也全部被泥沙充填，TBM因環(huán)境惡劣而無法前進(jìn)。對涌泥、涌沙比較嚴(yán)重部位進(jìn)行地面補(bǔ)充鉆孔，并灌注水泥漿加固，但涌泥、涌沙情況并未得到遏制。

根據(jù)TBM機(jī)頭附近涌水點(diǎn)分析，TBM可能位于古河道的三岔口，河水的流動(dòng)導(dǎo)致灌漿材料難以實(shí)現(xiàn)加固和堵水的作用，應(yīng)從源頭上對涌水進(jìn)行有效遏制，洞內(nèi)涌水必定會大大減少。經(jīng)研究，決定采用截水井施工，鉆井安裝排水泵，洞內(nèi)涌水轉(zhuǎn)變成滲流，TBM掘進(jìn)環(huán)境得到有效改善。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 截水井施工概況

截水井按水源方向進(jìn)行布置，通過截水井的抽排達(dá)到截?cái)嘤克哪康?。以TBM機(jī)刀盤中心點(diǎn)為圓心，截水井布置在半徑為20.0 m的圓弧處，間隔15°布置，全部集中在涌水的來流方向，見圖1。截水井施工中投入液壓地質(zhì)鉆機(jī)、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)和深井潛水泵等，其中深井潛水泵的抽水額定流量根據(jù)截水井的涌水量大小分別設(shè)置，以達(dá)到能遏制洞內(nèi)涌水為目標(biāo)。

圖1 截水井布置圖

2.2 隧道內(nèi)掌子面化灌施工

2.2.1 掌子面鉆孔處理

對于TBM刀盤，在其內(nèi)部腰線以上、位于正面和刀盤上的半圓周邊為固接掌子面，依照一定次序從刀座、邊刀和鏟刀的鉆孔處布設(shè)花管，進(jìn)行化學(xué)灌漿。固結(jié)灌漿孔布置如圖2所示。

圖2 固結(jié)灌漿孔布置圖

2.2.2 灌漿材料

采用瑞諾系列堵水材料和配套的注漿設(shè)備工藝加固掌子面處圍巖。瑞諾堵水材料具有：1）其比重比水大（大于1.4 cm3/g），注入到流動(dòng)水中不易被水分散；2）該材料有A，B兩種組分，混合后發(fā)泡膨脹反應(yīng)迅速，能較及時(shí)地封堵較大滲漏水通道；3）固結(jié)后體積不收縮，基于線性膨脹的條件下材料膨脹倍數(shù)減小強(qiáng)度提高；4）配套的注漿設(shè)備輸出壓力高，可以提高漿料的滲透范圍。

2.2.3 注漿量與化學(xué)灌漿方法

采用限量灌漿，達(dá)到掌子面穩(wěn)定即可。灌漿壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行選定，較短時(shí)間內(nèi)使灌漿壓力上升到此次灌漿施工所規(guī)定的最大允許壓力，以保證灌漿的有效擴(kuò)散范圍，每孔達(dá)到規(guī)定灌漿量即停止灌漿。

2.2.4 特殊情況處理及注意事項(xiàng)

在開放灌漿系統(tǒng)和閥門時(shí)開始加壓，待漿液從排水閥流出后關(guān)閉排水閥門，繼續(xù)加壓進(jìn)行正常灌漿，化學(xué)灌漿采用專用容器進(jìn)行計(jì)量。每次灌漿結(jié)束后，必須及時(shí)清洗所有設(shè)備和管路，采用專用封孔器封孔。

2.3 TBM脫困施工

2.3.1 施工前準(zhǔn)備

在TBM脫困施工前，需要進(jìn)行兩步準(zhǔn)備工作：1）參照地質(zhì)圖施工，初步判斷可能的地質(zhì)條件；對于地質(zhì)圖施工中的可疑區(qū)域，利用測量裝置采用高密度電阻率法或TSP生成圖像，用于規(guī)劃TBM脫困施工的具體措施與路線。2）為應(yīng)對不良地質(zhì)段可能突發(fā)的問題，挖掘機(jī)必須在到達(dá)不良地質(zhì)隧道前50.0 m對TBM掘進(jìn)機(jī)電液機(jī)械噴射系統(tǒng)（包括化學(xué)噴射系統(tǒng)和水泥噴射系統(tǒng)）進(jìn)行維修或改進(jìn)，以便掘進(jìn)機(jī)在通過不良地質(zhì)段能夠快速脫困。

2.3.2 施工措施

當(dāng)TBM掘進(jìn)到段有水洞段時(shí)，首先在機(jī)頭設(shè)排水設(shè)施，同時(shí)加強(qiáng)對水量的監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)大量涌水時(shí)立即采取措施：加強(qiáng)排水，防止泥水淹沒油泵，導(dǎo)致油泵不能正常工作甚至引起損壞；加強(qiáng)電氣設(shè)備的防護(hù)，防止因水導(dǎo)致漏電或發(fā)生接觸不良甚至損壞；當(dāng)因滲水和涌水而導(dǎo)致在泥巖和粉質(zhì)砂巖地段頻繁發(fā)生泥裹刀事件，甚至導(dǎo)致停機(jī)時(shí)，應(yīng)及時(shí)清理裹刀泥，迅速恢復(fù)掘進(jìn)。由于水的長期浸泡會導(dǎo)致地質(zhì)情況惡化，引起管片環(huán)周圍圍巖、土體膨脹和塌落，產(chǎn)生管片裂縫甚至位移，因此通過該地質(zhì)段后應(yīng)對其加強(qiáng)監(jiān)測；為了減少TBM施工掌子面涌水，改善TBM掌子面施工作業(yè)環(huán)境，截水井應(yīng)持續(xù)排水；為保證隧洞的施工安全，對該地質(zhì)洞段應(yīng)采取固結(jié)灌漿措施；完成固結(jié)灌漿后，在規(guī)范允許期限內(nèi)及時(shí)進(jìn)行堵水，對少量滲水可采用水玻璃堵水；對大的涌水應(yīng)采用化學(xué)灌漿堵水。

2.4 TBM前方探測

針對不同的工程地質(zhì)條件，TBM設(shè)備配置的超前鉆機(jī)一般有沖擊鉆機(jī)或取芯鉆機(jī)。沖擊鉆機(jī)在鉆孔過程中，由于圍巖的破碎經(jīng)常不能成孔，鉆頭和鉆桿部位塌落的渣料會堵塞鉆頭的出渣通道，造成鉆頭不能繼續(xù)前進(jìn)，由于沖擊鉆機(jī)配置的功率和扭矩一般偏小（只有18.5 kW），嚴(yán)重的會造成夾鉆桿的事件，對圍巖的探測僅僅根據(jù)鉆孔的感覺，實(shí)際使用效果很差。取芯鉆機(jī)在鉆孔過程中可以進(jìn)行地質(zhì)描述，由于取芯鉆機(jī)配置功率和扭矩一般都很大（功率達(dá)到45.0 kW），可適應(yīng)各種不良地質(zhì)情況。

3 施工方法對比

在上述工程條件下，采用截水井進(jìn)行排水與直接排水兩種方法的排水效率不同。排水的主要目標(biāo)是將隧洞內(nèi)地表的積水排走，為接下來的化學(xué)灌漿做準(zhǔn)備。為了證明截水井對地表積水的排水效率更高，對該工程的兩種處理方法進(jìn)行計(jì)算說明。為簡化計(jì)算過程，引入排水系數(shù)衡量兩種方法的排水能力。排水系數(shù)定義為從隧洞內(nèi)地表積水排出的流量與涌水最大流量之比：

3.1 截水井排水

截水井排水時(shí)，截水井與潛水泵對地表排水都有貢獻(xiàn)，根據(jù)截水井是否蓄滿可以分為兩階段：第一階段，隧洞內(nèi)地表積水首先涌入到截水井中，這時(shí)的地表排水量等于7個(gè)截水井的泄流量；第二階段截水井蓄滿水，地表排水量等于潛水泵的排水流量。

第一階段：假設(shè)地表積水排出到截水井的這一過程可視為斷面突然縮小的流動(dòng)，流動(dòng)所取控制體的上下游斷面僅在截水井入口不遠(yuǎn)處，在這一較短范圍內(nèi)可忽略壓強(qiáng)變化與沿程水頭損失并忽略位置水頭變化。閘孔出流公式：

式中：ε為閘孔流量系數(shù)，此情況可認(rèn)為相對開度為0，查表取為0.6；e為孔口寬度，m，約為0.2/π；B為水體寬度，約為10.0 m；H0為水面高度，約為1.0 m。

則此時(shí)7個(gè)截水井排出流量約為3 044 m3/h，η=Q排/Q涌=3044/250≈12.18。

第二階段：根據(jù)7個(gè)深井潛水泵型號的額定最大抽水功率直接相加可得排出流量約為400 m3/h，則η=Q排/Q涌≈400/250=1.6。

3.2 直接排水

直接排水時(shí)，隧洞內(nèi)地表積水的排出一般依靠潛水泵直接抽取，因此，直接排水的排水流量可以認(rèn)為是潛水泵的排水流量，η≈1.6。

對比兩種排水方法的簡化計(jì)算結(jié)果可知，采用截水井排水比直接排水的排水能力強(qiáng)約6.6倍，所以截水井排水的效率遠(yuǎn)高于直接排水。

4 結(jié)語

綜上所述，對于TBM掘進(jìn)機(jī)在砂卵石地質(zhì)等不良地質(zhì)條件下，涌水問題的處理措施可以選用截水井與化學(xué)灌漿相結(jié)合的方式，可以有效地將涌水轉(zhuǎn)變?yōu)闈B流，達(dá)到繼續(xù)施工的標(biāo)準(zhǔn)。截水井這種涌水處理方式相比于直接排水，可以在涌水隧洞段較快排出積水。對于TBM掘進(jìn)機(jī)在不良地質(zhì)段遇到涌水時(shí)，建議采用在涌水來流方向距離機(jī)體一定范圍布置截水井的方式進(jìn)行排水，可以為接下來的化學(xué)灌漿過程進(jìn)行較快準(zhǔn)備，進(jìn)而使得施工更有效率。截水井結(jié)合化學(xué)灌漿的施工措施在處理TBM施工涌水問題時(shí)效果較好，可以為實(shí)際TBM施工中的類似地質(zhì)條件下的涌水問題處理提供一定參考。