盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶超前預(yù)注漿加固研究

龔 斌，王誠(chéng)文，劉曉麗，許 清，高平安

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510030；2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

1 概述

近幾十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，城市水資源短缺成為一大亟待解決的問(wèn)題。為此，我國(guó)修建了一批引水輸水工程[1- 4]，以緩解水資源短缺與水資源分布不均的問(wèn)題，其中，輸水隧道作為引水輸水工程的重要形式被越來(lái)越普遍采用，然而，隨著輸水隧道的發(fā)展和大量建設(shè)，隧道建設(shè)所面臨的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，比如隧道穿越河流[5- 6]、巖溶區(qū)[7- 8]、斷裂帶[9- 10]等。

穿越斷裂帶是隧道施工中面臨的最大挑戰(zhàn)之一，通過(guò)斷裂帶可能導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)、刀盤(pán)卡阻、盾體包裹、盾構(gòu)卡機(jī)、地表塌陷以及突水突泥等災(zāi)害[11- 12]，嚴(yán)重危害施工安全，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。目前，隧道穿越斷裂帶常用的方法有優(yōu)化掘進(jìn)方案和預(yù)加固處理。李翔等[13]結(jié)合膠州灣第二海底隧道對(duì)盾構(gòu)法穿越大錯(cuò)動(dòng)量斷層帶的抗錯(cuò)方案進(jìn)行了研究；曾偉華[14]以廣州市軌道交通三號(hào)線(xiàn)為例，詳細(xì)闡述了盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶過(guò)程中遇到的建筑物保護(hù)、結(jié)泥餅、噴涌、土倉(cāng)壓力控制空難以及刀具破壞等難題和解決思路。王淑娟[15]以跨海隧道穿越斷裂帶為例，采用數(shù)值模擬的方法，評(píng)估了管棚法和徑向注漿法兩種加固措施的加固效果。馬騰飛[16]以大連某地鐵工程為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了穿越不同斷層的盾構(gòu)隧道的位移、應(yīng)力變化規(guī)律及斷層對(duì)隧道的影響范圍。為了減少斷裂帶對(duì)隧道施工的影響，確保施工安全，通常采用先進(jìn)的支護(hù)手段和提高支護(hù)強(qiáng)度解決該問(wèn)題，比如帷幕灌漿技術(shù)、管棚、注漿以及雙層一次支護(hù)[17- 20]。目前的研究主要針對(duì)于淺埋地鐵隧道或敞開(kāi)式TBM隧道，而對(duì)于珠三角水資源配置工程這種深埋泥水盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶加固方法的研究比較少，急需提出合理的加固方案已解決類(lèi)似工程問(wèn)題。

本文依托珠江三角洲水資源配置工程A2標(biāo)段，對(duì)大埋深、高水壓盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶的預(yù)加固方案進(jìn)行研究，比較了地面鉆孔預(yù)注漿加固、預(yù)注漿填倉(cāng)加固、超前孔預(yù)注漿加固3種預(yù)加固方法，詳細(xì)闡述了超前孔預(yù)注漿加固方案的施工要點(diǎn)，對(duì)預(yù)加固效果進(jìn)行了評(píng)估，為將來(lái)類(lèi)似盾構(gòu)隧道穿越斷裂帶工程安全、高效、經(jīng)濟(jì)地施工提供參考。

2 項(xiàng)目概況

2.1 工程背景

珠江三角洲水資源配置工程由輸水干線(xiàn)(鯉魚(yú)洲取水口至羅田水庫(kù))、深圳分干線(xiàn)(羅田水庫(kù)至公明水庫(kù))、東莞分干線(xiàn)(羅田水庫(kù)至松木山水庫(kù))和南沙支線(xiàn)(高新沙水庫(kù)至黃閣水廠)組成，輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)度113.2km。該工程可有效解決受水區(qū)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的缺水矛盾，提高供水安全性和應(yīng)急備用保障能力，適當(dāng)改善東江下游河道枯水期生態(tài)環(huán)境流量，對(duì)維護(hù)廣州市南沙區(qū)、深圳及東莞市供水安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

珠江三角洲水資源配置工程輸水干線(xiàn)，鯉魚(yú)洲取水口至高新沙水庫(kù)段全長(zhǎng)41.0km，A2標(biāo)段為其中的一部分，該標(biāo)段起點(diǎn)為佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)鯉魚(yú)洲島上的高位水池，線(xiàn)路向東北布置，穿過(guò)西江左岔河道、大金山、順德支流、廣州南二環(huán)高速公路后，至杏壇鎮(zhèn)吉佑村。A2標(biāo)總長(zhǎng)為6.452km，其中穿越大金山段長(zhǎng)度達(dá)1.26km，該段為丘陵段，山頂高程25～75m，中部高而南北兩頭低，最大埋深達(dá)120m，地下水豐富，最高水頭為55m。該工程采用Φ6280mm泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行雙線(xiàn)同步施工，雙線(xiàn)最小間距約6m，隧道襯砌段外徑和內(nèi)徑分別為6000、5400mm，全線(xiàn)最大坡度為5%，最小轉(zhuǎn)彎半徑為300m。

2.2 工程地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)勘察表明，盾構(gòu)隧道所穿越的大金山段地表覆蓋層較薄，大部分區(qū)域見(jiàn)基巖出露，該區(qū)段廣泛分布著強(qiáng)風(fēng)化砂巖和弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，從山頂?shù)缴疃?50m的范圍內(nèi)主要分布中地層：粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和花崗巖，其物理力學(xué)性質(zhì)在表1中列出。盾構(gòu)隧道主要位于弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和花崗巖中。

2.3 水文地質(zhì)條件

該區(qū)段位于珠江三角洲地區(qū)，面臨南海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，常年氣候溫和，雨量充沛、空氣濕度大，日照時(shí)間長(zhǎng)，蒸發(fā)量大，臺(tái)風(fēng)頻繁，熱帶氣旋常伴有大暴雨發(fā)生。該地區(qū)年平均氣溫在20～23℃之間。日照時(shí)間長(zhǎng)，年平均日照數(shù)約1900h。多年平均相對(duì)濕度80%，最大相對(duì)濕度接近100%。冬季陸風(fēng)風(fēng)速較強(qiáng)，常達(dá)5m/s左右。夏季海風(fēng)風(fēng)速約3m/s，夏秋臺(tái)風(fēng)風(fēng)速可達(dá)40m/s，并引起風(fēng)暴潮，易造成嚴(yán)重災(zāi)害。珠江三角洲多年平均年降雨量等值線(xiàn)變幅為1600～2600mm，呈現(xiàn)沿海大-腹地小-北沿大的地區(qū)分布特征。珠江三角洲多年平均年蒸發(fā)量890～1120mm，地區(qū)變化趨勢(shì)為由北向南遞增。

表1 隧道沿線(xiàn)地層基本物理力學(xué)參數(shù)

地下水類(lèi)型以孔隙性潛水為主，地表水與地下水互為補(bǔ)排，雨季主要以大氣降水和河流、渠道補(bǔ)給地下水，枯水季地下水補(bǔ)向河流，沿線(xiàn)地下水位普遍埋深較淺，揭露高程約0～2m，受潮汐影響較大。大金山地帶以基巖裂隙水為主，地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，向溝谷排泄，地下水位隨地形變化，一般埋深4.0～10.0m，大多在強(qiáng)風(fēng)化帶底部-弱風(fēng)化帶頂部。

2.4 斷層特點(diǎn)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，坭灣門(mén)斷裂F13在大金山西側(cè)通過(guò)，在樁號(hào)LG2+120附近與洞線(xiàn)大角度相交，主干斷裂總體產(chǎn)狀N30°～40°W/NE∠70°～80°，正斷層，沿?cái)鄬影l(fā)育斷層角礫巖，角礫棱角狀，母巖成分為泥巖、砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)。受此斷裂影響，大金山范圍內(nèi)斷層裂隙極其發(fā)育，如圖1所示，分別在LG2+250、LG2+360、LG2+450、LG2+600、LG2+680、LG2+760、LG2+830、LG3+170、LG3+290、LG3+470等附近發(fā)育斷層，斷層寬度0.5～10m不等，大多為全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖、斷層泥等，斷層普遍膠結(jié)差，風(fēng)化深，形成風(fēng)化深槽，透水性強(qiáng)。

圖1 大金山段斷層分布圖

受斷層發(fā)育影響，基巖風(fēng)化厚度變化大，特別是強(qiáng)風(fēng)化帶厚度變化，風(fēng)化帶頂面起伏大，弱風(fēng)化帶頂面線(xiàn)高程約為-1.99～-47.9m，鉆孔揭露，山體中上部位多為全、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、礫巖，巖石完整性差，透水性強(qiáng)。其中礫巖中溶蝕現(xiàn)象明顯，溶蝕性小孔洞發(fā)育，洞徑一般小于5cm，局部發(fā)育有溶洞，在強(qiáng)風(fēng)化帶揭露多個(gè)溶洞，分別在高程2.6～1.5m、0.9～0.2m、0.2～-2.8m、-3.9～-4.7m，規(guī)模1～3m，充填泥，巖石破碎，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，礫巖中灰?guī)r質(zhì)礫石發(fā)生溶蝕、或全風(fēng)化夾層被地下水潛蝕、淋濾破壞帶等現(xiàn)象，巖溶發(fā)育部位在隧洞以上37～40m。下部主要為弱風(fēng)化礫巖、花崗巖，礫巖以硅質(zhì)膠結(jié)為主，部分鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，巖芯見(jiàn)溶蝕性小孔洞，巖質(zhì)堅(jiān)硬，礫石以砂巖質(zhì)、石英質(zhì)、灰?guī)r質(zhì)、花崗巖質(zhì)為主，直徑2～6cm，局部大于10cm，磨圓較好，次圓狀-渾圓狀；弱風(fēng)化花崗巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，中陡傾角裂隙較發(fā)育，石英充填，膠結(jié)較好，完整性一般-較好，弱-微透水性。

3 預(yù)注漿加固方案

3.1 加固方案比選

預(yù)注漿加固方法主要有地面鉆孔預(yù)注漿加固、預(yù)注漿填倉(cāng)加固、超前孔預(yù)注漿加固3種。①地面鉆孔預(yù)注漿加固是一種通過(guò)在洞內(nèi)施作止水環(huán)，倉(cāng)內(nèi)采用泥漿將渣土置換后，采用錨桿鉆機(jī)在盾構(gòu)停機(jī)位置地面進(jìn)行鉆孔、埋管、注漿的方式進(jìn)行地層加固，待加固強(qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)檢查清理及換刀的施工方法；②盾構(gòu)預(yù)注漿填倉(cāng)加固技術(shù)通過(guò)施作止水環(huán)后向土倉(cāng)內(nèi)注入適量水泥、膨潤(rùn)土水玻璃漿液加固掌子面，強(qiáng)度儲(chǔ)備充足后采用人工將倉(cāng)內(nèi)泥漿清理出來(lái)使倉(cāng)內(nèi)具有一定的空間，然后在常壓狀態(tài)下進(jìn)行刀具更換的施工方法；③超前孔預(yù)注漿加固是一種通過(guò)在洞內(nèi)倒數(shù)3—5環(huán)施作止水環(huán)，倉(cāng)內(nèi)采用泥漿置換后，采用鉆注一體機(jī)利用盾構(gòu)機(jī)盾尾上部4個(gè)超前注入孔進(jìn)行鉆孔、封堵止水、后退式注水泥水玻璃雙液漿，待強(qiáng)度達(dá)到要求后降壓進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)檢查清理及換刀的施工方法。

預(yù)加固方法的選擇主要從幾種方法的可行性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和施工效率4個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，表2列出了3種方法的比較，地面加固處理受地面環(huán)境影響較大，該工程地表為森林，隧洞埋深達(dá)70～120m，交通不便，設(shè)備材料需人工搬運(yùn)，隧洞埋深平均達(dá)90m，鉆孔效率低，工期長(zhǎng)，耗費(fèi)大。注漿填倉(cāng)的加固范圍有限，清倉(cāng)過(guò)程中加固體易漏水失穩(wěn)，有坍塌風(fēng)險(xiǎn)，而且大部分時(shí)間均在進(jìn)行清倉(cāng)，存在需多次填倉(cāng)的可能，效率低。針對(duì)該工程高水頭、深覆土、斷裂帶多，多上軟下硬軟硬不均地質(zhì)的特點(diǎn)，超前孔預(yù)注漿加固方法在可行性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和施工效率4個(gè)方面都展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，因此采用超前孔預(yù)注漿加固方法。

表2 預(yù)注漿加固方法比較

3.2 擬采用加固方案

預(yù)注漿加固技術(shù)一般包括材料設(shè)備準(zhǔn)備、注漿配合比確定、封孔防裹配合比確定、止水環(huán)施作、泥漿置換、鉆孔及封孔注漿、加固效果判斷、進(jìn)倉(cāng)作業(yè)。為解決以往超前預(yù)注漿加固易裹刀盤(pán)盾體、清倉(cāng)困難、加固效果難保證的難題，主要注漿材料及配比、置換用泥漿、封孔防裹材料及配比、鉆孔深度控制、加固效果判斷幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

3.2.1注漿材料

根據(jù)工程需求，超前預(yù)注漿加固需要保證加固強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間，因此采用水泥漿-水玻璃雙液漿，選用的水泥和水玻璃的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 注漿材料基本參數(shù)要求

為了獲取合適配比的雙液漿，首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了水泥漿-水玻璃的配比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用2組水泥漿液，其中一組水泥漿液容重為1250kg/m3，(配比為：水泥375kg/m3∶水825kg/m3)，另一組水泥漿液容重1540kg/m3(配比為：水泥800kg/m3∶水700kg/m3)，水玻璃按原液、水玻摻水方式以不同配比加入，不同配比漿液，初凝時(shí)間、終凝時(shí)間及強(qiáng)度情況見(jiàn)表4。

為保證加固效果，在滿(mǎn)足漿液工作性的前提下盡量加大水泥用量，選擇使用第5組配比，初凝時(shí)間23s，終凝時(shí)間1min24s，1d強(qiáng)度3.1MPa。

表4 注漿材料配比實(shí)驗(yàn)記錄

3.2.2封孔防裹材料

在鉆孔孔深達(dá)到要求后，需注入封孔止水材料，為防裹盾體，本工程中采用磷酸水玻璃雙液漿作為封孔止水材料，其中，主要材料磷酸為三元中強(qiáng)酸，不易揮發(fā)，無(wú)強(qiáng)腐蝕性，屬于較為安全的酸。

為達(dá)到最佳封孔止水效果，預(yù)先對(duì)磷酸-水玻璃雙液漿的配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中，選用濃度為85%的磷酸和波美度38.5Be的水玻璃，按磷酸占比不同加入，隨著磷酸含量的增加，開(kāi)始絮凝和結(jié)塊的時(shí)間越來(lái)越短，但是磷酸摻量過(guò)大，結(jié)塊后為冰渣狀，整體性差。磷酸摻量為50%時(shí)，漿液為果凍狀，整體性好，故選用水玻璃(水玻璃∶水=1∶1)∶磷酸=1∶1的配比。

圖2 不同配比的磷酸-水玻璃雙液漿凝結(jié)效果

3.2.3泥漿置換

為了減少漿液串入，嚴(yán)防倉(cāng)內(nèi)結(jié)泥餅，需要在超前預(yù)注漿加固前進(jìn)行泥漿置換。在泥漿置換前對(duì)倒數(shù)3～5環(huán)施作止水環(huán)及盾體外側(cè)注聚氨酯。止水環(huán)施作采用水泥漿-水玻璃雙液漿進(jìn)行，采用P.C42.5普通硅酸鹽水泥和38.5Be波美度的水玻璃，水泥漿水灰比為1∶1；水泥漿與水玻璃的配比為1∶1(體積比)，注漿壓力控制在0.5～1MPa。止水環(huán)施作24h后，用鋼筋插入注漿孔，無(wú)外流水即合格。

在鉆孔注漿前采用鈉基膨潤(rùn)土、纖維素通過(guò)剪切泵剪切配制粘度在50s以上濃泥漿，置換過(guò)程中，加強(qiáng)泥漿粘度及泥漿質(zhì)量檢查，確保置換后泥漿質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

3.2.4鉆孔及注漿施工

鉆孔設(shè)備采用鉆注一體機(jī)，盾構(gòu)機(jī)盾尾位置處共設(shè)8個(gè)超前注入孔，下部受空間限制，超前注漿設(shè)備架設(shè)困難，因此選用上部4個(gè)超前孔進(jìn)行鉆孔注漿。盾構(gòu)超前注入孔在鉆孔過(guò)程中一次性成孔，如圖3所示，孔徑50mm，孔深16～20m，角度8°。

圖3 超前注漿方案示意圖

鉆進(jìn)過(guò)程切忌嚴(yán)控鉆進(jìn)壓力、速度，遇較硬巖層需嚴(yán)防卡鉆、掉鉆等，根據(jù)鉆進(jìn)情況判斷巖層情況、地下水情況，實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

注漿過(guò)程采用后退式注漿法，嚴(yán)格控制注漿參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)漿液配制采用0.8方桶(350kg水泥/0.8m3注漿液)，注入終止壓力控制在1.5～3MPa，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)倉(cāng)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，倉(cāng)壓不超過(guò)0.55MPa。

3.2.5效果判斷

根據(jù)同等條件養(yǎng)護(hù)情況，一般在24h后強(qiáng)度能達(dá)到3.1MPa左右，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，因此在注漿完成后24h后進(jìn)行降壓嘗試，判斷掌子面穩(wěn)定及來(lái)水情況，降壓分為3級(jí)，每級(jí)觀察時(shí)間為15～20min，觀察期間倉(cāng)壓不上漲或上漲不超過(guò)0.05MPa，當(dāng)倉(cāng)壓降到零不再上漲時(shí)，打開(kāi)倉(cāng)壁排水閥，進(jìn)一步確認(rèn)來(lái)水情況。

在降壓成功后，對(duì)倉(cāng)內(nèi)情況采用微型攝像頭進(jìn)行確認(rèn)，觀察到倉(cāng)內(nèi)情況穩(wěn)定，為順利安全開(kāi)倉(cāng)提供保證。

4 加固效果評(píng)估

本工程穿過(guò)大金山斷層段共成功實(shí)施7次超前預(yù)注加固處理，預(yù)加固后順利完成開(kāi)倉(cāng)換刀工作，基本未出現(xiàn)裹刀盤(pán)盾體情況，具體實(shí)施效果由表5列出。

表5 加固效果記錄

5 結(jié)論與建議

針對(duì)珠三角隨資源配置工程A2標(biāo)盾構(gòu)隧道穿越大金山斷裂帶施工難題，本文提出了一種合理的盾構(gòu)洞內(nèi)超前注漿預(yù)加固方案。通過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)該加固方案的可行性和有效性進(jìn)行了解釋?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

(1)預(yù)加固方案采用水泥漿-水玻璃雙液漿作為注漿材料，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得了最佳配比為水泥漿(水灰比=7∶8)∶水玻璃溶液(水玻璃∶水=1∶1)=1∶1，該材料不僅能滿(mǎn)足斷裂帶加固的要求，并且對(duì)環(huán)境無(wú)不利影響。

(2)預(yù)加固方案采用磷酸-水玻璃溶液作為封孔材料，室內(nèi)試驗(yàn)確定最佳配比為磷酸∶水玻璃溶液(水玻璃∶水=1∶1)=1∶1，該材料不僅滿(mǎn)足封孔止水要求，并且起到有效防裹作用。

(3)預(yù)加固方案在注漿前進(jìn)行泥漿置換，有效減少漿液串入，避免了倉(cāng)內(nèi)結(jié)泥餅。

(4)預(yù)加固方案將鉆孔深度加深至16～20m，增大了加固范圍，提高了加固效果，7次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加固施工表明，該方案具有較好的加固效果，加固后在保證掌子面穩(wěn)定的同時(shí)，可盡量避免裹住盾體和刀盤(pán)，保證盾構(gòu)機(jī)順利通過(guò)斷裂帶。