輸水隧洞TBM 超前預(yù)注漿堵水施工技術(shù)研究

陳小龍

（山西中部引黃工程建設(shè)管理有限公司 山西太原 030001）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提速增質(zhì)，隧道掘進(jìn)機(jī)TBM（Tunnel Boring Machine）以其高效、安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地被應(yīng)用于大型引調(diào)水工程。但在實(shí)踐過(guò)程中，地形地質(zhì)條件等對(duì)TBM 施工適用性造成一定限制。如在山西省萬(wàn)家寨引黃工程國(guó)際V 標(biāo)，曾創(chuàng)造平均月進(jìn)尺1 352 m、最高日進(jìn)尺113 m的輝煌，但在滇中引水香爐山隧道和引漢濟(jì)渭嶺南隧道施工過(guò)程中，出現(xiàn)了圍巖破碎帶卡機(jī)、突發(fā)涌水、巖爆等困難。如何拓展和選擇適當(dāng)?shù)腡BM 施工法來(lái)應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)條件帶來(lái)的種種問(wèn)題，以提高TBM 施工效率，是目前國(guó)內(nèi)外TBM 施工時(shí)需要討論和研究的課題。

本文以某水利項(xiàng)目TBM 施工段為研究對(duì)象，深入剖析小斷面雙護(hù)盾TBM 在空間狹小的富水環(huán)境下進(jìn)行超前預(yù)注漿堵水的困難和技術(shù)特點(diǎn)，提出在掌子面應(yīng)用超前預(yù)注漿堵水施工技術(shù)，取得了不錯(cuò)的效果。

1 工程概況

1.1 TBM 工程簡(jiǎn)介

本工程承擔(dān)樁號(hào)9+700～28+762.89 洞段TBM 掘進(jìn)任務(wù)，全長(zhǎng)19.063 km，另外包含TBM 進(jìn)洞支洞3.5 km的TBM 掘進(jìn)及TBM 通風(fēng)支洞1.3 km 鉆爆施工。TBM開(kāi)挖直徑4.11 m，斷面為圓形，預(yù)制C45 混凝土管片襯砌，管片外徑3.9 m，管片厚度25 cm，管片內(nèi)徑3.4 m，四片管片組成一環(huán)，管片型式為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，管片與圍巖之間的空隙，用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿。

1.2 水文地質(zhì)情況

樁號(hào)9+700～17+621.87 段處于某泉域，穿過(guò)碳酸鹽巖地層，涌水量較大。地下水類型為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。

根據(jù)前期勘察資料，該段地下水位位于洞頂以上。根據(jù)物探測(cè)試結(jié)果，樁號(hào)10+510 附近存在低阻條帶，推測(cè)裂隙發(fā)育，為枝柯向斜核部，富水性好。其余洞段均處于泉域內(nèi)，穿過(guò)碳酸鹽巖地層，隧洞開(kāi)挖時(shí)可能發(fā)生突涌水。

1.3 工程前期涌水情況

在已完成的主洞段，遇到6 次大規(guī)模突發(fā)涌水險(xiǎn)情，平均每次處理險(xiǎn)情時(shí)間超過(guò)3 個(gè)月。突涌水是制約工程進(jìn)度的關(guān)鍵，如何有效應(yīng)對(duì)突涌水等地質(zhì)災(zāi)害是工程難點(diǎn)。最近3 次掌子面突發(fā)涌水情況為：1）2020 年9 月27 日，掌子面突發(fā)涌水，涌水量約500 m3/h，出水點(diǎn)主要集中在頂部，裂隙發(fā)育，涌水量大且分散，堵水耗時(shí)63 d。2）2021 年11 月28 日，掌子面突發(fā)涌水，涌水量約320 m3/h，出水點(diǎn)在左邊墻靠掌子面位置，出水點(diǎn)集中，壓力大、流速快，堵水耗時(shí)111 d。3）2022 年5 月17日，掌子面突發(fā)涌水，涌水量約700 m3/h，出水點(diǎn)在掌子面7 點(diǎn)位置附近及洞頂溶腔處，分析為巖溶水，堵水耗時(shí)123 d。

2 超前預(yù)注漿堵水施工技術(shù)方案

2.1 超前預(yù)注漿堵水施工前期準(zhǔn)備工作

根據(jù)工程前期試驗(yàn)總結(jié)，TBM 設(shè)備出廠配置的超前鉆機(jī)不具有可操作性，故在超前預(yù)注漿堵水施工中不采用。因TBM 設(shè)計(jì)開(kāi)挖洞徑小，伸縮護(hù)盾內(nèi)部空間局限，不具備架設(shè)鉆機(jī)的條件，只能拆除管片，將TBM設(shè)備后退，在掌子面與刀盤之間形成鉆孔、注漿作業(yè)空間。

1）TBM 設(shè)備后退：為使掌子面與刀盤之間形成滿足超前預(yù)注漿的最小作業(yè)空間，需拆除3 環(huán)管片，將TBM 設(shè)備后退3.6 m。各項(xiàng)工作開(kāi)展前需提前檢查臺(tái)車尾部延伸的給排水管、電纜以及連接橋處的軌道是否影響TBM 整機(jī)后退，若有影響將延伸的最后一節(jié)水管更換為橡膠軟管，繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)再恢復(fù)管路延伸；將延伸的電纜掛起，臺(tái)車后退過(guò)程中繞至電纜卷線盤；將軌道拆除或做割斷處理，繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)再重新安裝。

2）掌子面排水及清淤：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，TBM后退之后，刀盤前方3.6 m 空間水深高達(dá)2 m，不具備施工條件，為保證掌子面人員施工安全，在管片拼裝機(jī)附近加裝一臺(tái)45 kW 單級(jí)單吸離心泵（ISW200-315A，流量374 m3/h），通過(guò)8 寸橡膠管將進(jìn)水口延伸至TBM 刀倉(cāng)附近，同時(shí)在TBM 后配套上布置一趟10 寸聚丙烯管路，將涌水抽排至TBM 尾部。為避免涌水回流，在TBM 尾部用沙袋修筑一道高0.8 m 的堵水圍堰。待掌子面水位降低后進(jìn)行人工清理淤砂，并在鉆孔注漿期間要隨時(shí)清除淤砂，保持掌子面內(nèi)施工工作面處于無(wú)淹埋狀態(tài)。

3）頂拱堵水灌漿施工：通過(guò)刀盤上的人孔對(duì)掌子面及頂拱圍巖情況進(jìn)行觀察，掌子面底部為紫紅色砂巖，泥質(zhì)含量較高；中上部為灰黃色石英巖狀砂巖；頂部為灰色夾有深色條紋石英巖狀砂巖；頂拱節(jié)理裂隙較為發(fā)育，所有裂隙都出水，而且有壓。因此，將掌子面水位降低之后，必須考慮對(duì)刀盤前方3.6 m 臨空面頂拱區(qū)域進(jìn)行堵水灌漿施工。鑒于施工人員不能貿(mào)然通過(guò)人孔進(jìn)入刀盤前方，從安全和技術(shù)雙重考慮，采用柱架式液壓鉆（ZYJ-1000/180）使用撐靴盾預(yù)留的專用通道來(lái)進(jìn)行不同角度鉆孔，鉆孔深度15 m 左右，可直達(dá)刀盤前方頂拱區(qū)域，之后采用改性聚氨酯實(shí)施堵水灌漿施工。

4）圍巖加固：待頂拱涌水得到有效封堵之后，必須在掌子面堵水灌漿之前對(duì)3.6 m 的臨空面進(jìn)行加固，以確保施工安全。在3.6 m 空間布設(shè)7 榀I18 環(huán)形鋼拱架，由于TBM 設(shè)備上運(yùn)輸困難，鋼拱架按1.3 m分段加工，各段連接板之間采用M16 螺栓連接，鋼拱架通過(guò)Φ25 錨桿固定在洞壁上。同時(shí)在鋼拱架上布置3 mm 厚的EVA 防水板（3.6 m×4.5 m），將頂拱剩余涌水引流至隧洞兩側(cè)，給掌子面超前預(yù)注漿施工提供較好的施工條件。

2.2 技術(shù)方案

此方案首先進(jìn)行化學(xué)灌漿或速凝水泥漿堵水施工，對(duì)掌子面進(jìn)行淺層堵水，其次沿掌子面輪廓線輻射超前預(yù)注漿孔由淺至深灌漿封堵圍巖裂隙水。

1）掌子面淺層堵水

在節(jié)理、裂隙較發(fā)育，已揭露巖石有明顯線狀流水、股狀涌水的掌子面，采用化學(xué)（改性聚氨酯）灌漿或速凝水泥漿進(jìn)行淺層灌漿堵水，為超前預(yù)注漿提供注漿條件。

工藝流程：裂隙分析→腳手架搭設(shè)→手風(fēng)鉆鉆孔→洗孔→安裝注漿管→注漿→結(jié)束注漿（裂隙不出水）→清理→進(jìn)入下一孔灌注。

注意事項(xiàng)：（1）掌子面跑漿的處理方法：采用合理的注漿量控制或間歇性注漿處理即可。（2）串漿：注漿過(guò)程中，漿液從其它鉆孔內(nèi)流出，主要是由于巖層間裂隙互通。當(dāng)串漿發(fā)生時(shí)，應(yīng)繼續(xù)加大注漿量，使?jié){液填滿串漿孔。（3）注漿量異常變大：注漿時(shí)漿液壓力擊穿了導(dǎo)水裂隙所致，應(yīng)采用縮短漿液凝結(jié)時(shí)間或間歇灌注的措施。（4）注漿結(jié)束后，拆卸各注漿器件，全部清洗干凈，并對(duì)注漿泵進(jìn)行檢查保養(yǎng)。

2）超前預(yù)注水泥漿施工方案

掌子面淺層堵水完成后，搭設(shè)腳手架臨時(shí)工作平臺(tái)，沿隧洞掌子面輪廓線邊緣均勻布置12 個(gè)超前預(yù)注漿孔，采用普通水泥漿進(jìn)行超前預(yù)注漿，實(shí)現(xiàn)掌子面前部30 m 范圍封堵涌水的目的。

超前預(yù)注漿完成后，撤除掌子面工作平臺(tái)和鉆機(jī)，恢復(fù)TBM 掘進(jìn)。后續(xù)掘進(jìn)中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況判斷是否進(jìn)行下一循環(huán)超前預(yù)注漿，若要進(jìn)行下一循環(huán)超前預(yù)注漿，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)，剩余段作為下一循環(huán)的止?jié){巖盤。

（1）孔位布置

沿掌子面輪廓線邊緣均勻輻射狀布置10～12 個(gè)超前預(yù)注漿孔，輻射角度控制在5～10°以內(nèi)，孔深L=30.0 m，孔徑Φ=65 mm。具體示意如圖1。

圖1 掌子面超前預(yù)注漿孔位布置示意圖

圖2 掌子面超前預(yù)注漿施工示意圖

（2）鉆機(jī)安裝

根據(jù)掌子面與刀盤間空間合理布置鉆機(jī)。

（3）鉆孔

鉆孔前，先進(jìn)行掌子面定位，做好標(biāo)記，一次性鉆進(jìn)，遇到出水時(shí)灌漿后重新掃孔鉆進(jìn)。

（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 min，孔內(nèi)有涌水的鉆孔不進(jìn)行沖洗。

（5）灌漿

注漿阻塞：采用與淺層注漿相同的膠囊注水式高壓注漿塞。

灌漿順序：根據(jù)鉆孔編號(hào)，沿掌子面輪廓徑向?qū)ΨQ順序灌注。

進(jìn)漿管：進(jìn)漿管距孔底距離不大于50 cm。

灌漿方式：采用純壓式灌漿法，材料選用單液水泥漿或水泥水玻璃雙液漿，根據(jù)情況確定。

灌漿分段：根據(jù)鉆孔出水情況，水量較小時(shí)采取一次性灌漿，水量較大或特大時(shí)采用每6 m 一段由外向內(nèi)的灌漿方式，極端條件下加深鉆孔，先提高灌漿壓力封堵涌水后再掃孔。

（6）漿液比級(jí)

采用P.O 42.5 純水泥漿漿灌注，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)：當(dāng)灌漿壓力不變，單位時(shí)間內(nèi)灌漿量持續(xù)減少時(shí)，或單位時(shí)間內(nèi)注漿量不變而灌漿壓力一直上升時(shí)，不應(yīng)改變水灰比。

灌漿過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)灌漿壓力、漿液流速、和易性等實(shí)際情況，隨時(shí)調(diào)整漿液水灰比。

（7）灌漿壓力

設(shè)計(jì)最大灌漿壓力為：Pmax=3.5×1.5=5.25 MPa；當(dāng)壓力大于4 MPa 時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)注漿量宜小于10 L/min。

結(jié)束條件：在最大設(shè)計(jì)壓力下，單位時(shí)間內(nèi)灌漿量不大于1 L/min 后，繼續(xù)灌注30 min，可結(jié)束灌漿。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜、導(dǎo)水裂隙特別發(fā)育、灌漿壓力持續(xù)較低時(shí)，灌注的時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

（8）封孔

掌子面全部孔位灌漿結(jié)束后，用0.5∶1 新鮮水泥漿置換孔內(nèi)稀漿或積水，進(jìn)行全孔封堵，封孔灌漿壓力采用該孔灌漿壓力，封孔灌漿時(shí)間可為0.5～1 h。

（9）灌漿質(zhì)量檢查

一般掌子面灌漿量較大時(shí)，在灌漿結(jié)束后于掌子面中心打一檢查孔，灌漿合格的標(biāo)志為檢查孔基本不出水或少量滲水。如檢查孔出現(xiàn)大量涌水，須對(duì)檢查孔周邊進(jìn)行加密灌漿處理，然后再進(jìn)行檢查。

3 效果評(píng)價(jià)

本方案經(jīng)實(shí)施后，掌子面涌水量減少95%以上，一個(gè)注漿循環(huán)根據(jù)注漿量不同平均耗時(shí)7～10 d，月進(jìn)尺約80 m，在面對(duì)可能發(fā)生的突發(fā)較大涌水（涌水量500 m3/h 以上）的洞段有較好效果，能保證TBM 順利通過(guò)涌水段。

4 結(jié)論

隨著近年來(lái)我國(guó)水利項(xiàng)目的不斷實(shí)施，TBM 施工法在水利水電工程中的應(yīng)用更加成熟，在面對(duì)穿越不良地質(zhì)區(qū)域等施工技術(shù)難點(diǎn)時(shí)，TBM 設(shè)備的選型和施工方法的選擇也更加科學(xué)經(jīng)濟(jì)合理。

本文以某水利項(xiàng)目TBM 施工段為例，研究在空間有限的富水條件下如何有效解決TBM 安全掘進(jìn)的技術(shù)難題。針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)，全面分析和探討了小斷面雙護(hù)盾TBM 施工中遇到掌子面突發(fā)涌水時(shí)的應(yīng)對(duì)策略，提出了應(yīng)對(duì)灰?guī)r區(qū)域地下裂隙水及巖溶水的圍巖改性治理方案，探討了掌子面超前預(yù)注漿的實(shí)施方法和技術(shù)難點(diǎn)。并在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中成功應(yīng)用，達(dá)到了安全施工、保障工期的目的。