TBM超前化學固結灌漿在引紅濟石工程中的應用

秦菡

（陜西省石頭河水庫灌溉管理局 陜西 楊凌 712100）

1 工程概況

引紅濟石調水工程位于陜西省寶雞市太白縣境內，是引長江水系褒河支流紅巖河水通過橫穿秦嶺的隧洞自流調入黃河水系渭河南岸支流石頭河，經石頭河水庫調節后向西安、咸陽、楊凌等城市供水，是陜西省的“南水北調”工程，也是陜西省“十一五”期間重點水利工程。

引紅濟石調水工程由低壩引水樞紐和引水隧洞組成，其中引水隧洞全長19795m，采用鉆爆法+TBM法施工的聯合施工方案。鉆爆法施工段8700m，斷面為城門洞形，成洞尺寸為2.8m（寬）×3.0m（高）；TBM施工段長11095m，斷面為圓形，成洞直徑3.0m。隧洞設計縱坡1/890，最大引水流量為13.5m3/s，年調入石頭河水量9210萬m3。

2 施工中存在的問題

TBM施工段設計巖石以中硬質巖為主，適合TBM掘進機施工，但從已掘進段穿過洞室地質情況來看，該段圍巖以角閃片巖為主，角閃片巖夾片麻巖、斜長片巖、云母石英片巖、綠泥石片巖等。實際取巖芯試驗單軸飽和抗壓強度最高只達到45MPa，破碎圍巖段無法有效取出巖芯。因雙護盾施工暴露的圍巖非常有限，巖層走向與洞軸線夾角觀察統計不系統，巖層走向不能精確測量，目測巖層走向與隧洞交角在40°以內，有的巖層走向與隧洞交角目測在20°以內，也有幾乎與洞軸線平行的情況。地質構造裂隙和伴生斷層發育，地下水局部發育，多呈線狀或股狀流水，巖層產狀錯亂，軟弱夾層發育，多有泥質充填物，軟硬巖相間，巖體破碎，自穩性較差，在地下水的作用下易發生拱頂塌方掉塊。雙護盾TBM在這種硬質巖中夾軟質巖、軟弱夾層和擠壓破碎帶地層中的適應性很差，TBM開挖后掌子面自穩時間短，極易發生坍塌，大量坍塌松散碴體擁堵在刀盤前方及頂部造成TBM刀盤被卡，掌子面脫困施工過程中因長時間停機。加之圍巖收斂速度快,圍巖作用在盾殼上進而出現TBM換步困難，掘進推力增大，姿態不易控制，管片安裝困難，后配套凈空受限無法通過等一些列惡性循環，給施工生產組織帶來了很大的困難。

3 解決的方案

針對該工程在不良地質段中無法發揮雙護盾TBM快速掘進優勢的特點，在TBM未掘進段施工中，綜合考慮HSP超前地質預報和深距離地表物探中探明的詳細地質構造和TBM施工特點，認為本工程不具備傳統鉆爆法施工中采用的水泥漿、水泥-水玻璃施工條件，最終采用聚氨酯類（PUR）灌漿材料，及時主動地對斷層、破碎帶、涌水等不良地質地段實施化學固結灌漿。目的是超前改良地質情況，封堵地下涌水，使圍巖具有較好的整體穩定性，從而避免TBM掘進中掌子面坍塌后的被動脫困施工中引發支撐盾、尾盾、前盾卡機等一些惡性循環的發生，提高TBM掘進能力。

4 施工方法與技術要求

在探明TBM施工前方出現不良地質地段需要進行化學灌漿時,在掌子面前方布置8個深度為10m～15m的深注漿孔。在這8個深孔外圍，再密布10個～12個4m～5m深度的淺孔。注漿時先注淺孔，待漿液在掌子面表面有溢出時停注，目的是先封閉住掌子面淺層的裂隙，然后深孔可以采用反應速度稍慢（5min左右）的漿液進行一次全孔控制注漿，使漿液的擴散和滲透范圍增大，最終達到加固段全段有效加固改良圍巖。

4.1 造孔

深灌漿孔一般在掌子面前方洞軸線上布置1孔，鉆孔方向沿洞軸線向前；靠近隧洞開挖輪廓線布置其余7孔，其中洞軸線水平面以上布置3孔，以下左右兩側各布置2孔。洞軸線以下最下部的緊靠隧洞軸線垂直面左右兩側各1孔的鉆孔方向是向前上方且稍遠離洞軸線，終孔位置在隧洞開挖輪廓線內，此兩孔與洞軸線上的1孔主要承擔隧洞輪廓線內的固結灌漿任務。洞軸線水平面稍偏下方的左右兩孔的鉆孔方向為前方稍向上方且遠離洞軸線，洞軸線水平面以上的3孔的鉆孔方向均向前方且徑向遠離隧洞縱向軸線。以上5孔的具體鉆孔深度以終孔位置與隧洞開挖輪廓線的距離不超過5m為原則確定。

深孔鉆孔在掌子面沿刀盤人孔轉動輪廓線全斷面范圍內，通過人工點動刀盤確定孔位，由于鉆孔外插角受刀盤空間限制，每個孔的鉆孔外插角均不同。

深孔注漿鉆孔采用天風YG40導軌式鑿巖機鉆孔，導軌根據刀盤空間情況適度改造，鉆孔直徑為φ50mm，釬桿長度1m/節，采用R32波形螺紋連接方式連接。鉆深孔順序采用由下往上施工，施工好后及時下PVC注漿管，并采取保護措施保護好成孔。

淺孔在隧洞軸線水平面及以上范圍內沿隧洞開挖輪廓線內縮約50cm的位置均布5個～7個，在水平面以下左右側各布置1孔，通過滾刀刀孔或刮板孔人工點動刀盤確定孔位。隧洞軸線水平面以上鉆孔方向均向前且徑向偏離縱軸線約60°，以下左右各1孔水平向前且向左或向右偏離縱向軸線60°，在隧洞開挖線中間位置再布置3個孔。

淺孔注漿孔采用YT28風鉆；鉆淺孔順序采用每次成孔上下左右4個孔，然后注漿。鉆孔原則為根據孔位布置圖，孔間距盡量拉大，一個孔注漿時不影響其他成孔。

淺孔注漿時，掌子面具備成孔條件的，YT28風鉆配φ42mm鉆頭，采用1.5m、2.5m、3.5m、4m和5m的鉆桿進行套鉆施工鉆孔，成孔后孔內下PVC注漿管灌漿。因圍巖破碎，成孔困難的，開孔在TBM開挖輪廓線外的，采用φ25mm自進式錨桿鉆孔，按1m/節采用波形螺紋連接套連接鉆孔；開孔在TBM開挖輪廓線內的，采用φ32mm自進式玻璃鋼鉆桿，仍按1m/節采用波形螺紋連接套連接鉆孔。

鉆機所需高壓風源和水源由TBM配備的空壓機和施工供水系統提供。

4.2 安裝注射管路

淺孔注漿時，底部鉆桿梅花型開孔最大長度不大于2m，花孔間距30cm～50cm；深孔注漿時，撤出鉆桿后，全孔插入PVC注漿管，底部注漿管桿體上按30cm～50cm間距梅花布孔，長度不大于全孔長度的1/2，花孔用錫紙封堵好。

淺孔注漿時孔內封孔器的放置在距孔口1.0m～1.5m位置；深孔注漿時孔內封孔器放置在距孔口約2m～3m位置處。

封孔器與PVC管連接好后連接可曲撓管，管路連接好后孔口至封口器長度范圍內用錨固劑或帶混合漿液的棉紗進行堵塞，待此封堵段完全凝固后方可開始注漿。

雙液注漿管路做好A、B料標記，始終做到每次管路與泵出漿口對應連接。

4.3 注射灌漿

現場安裝好氣動注漿泵后，先進行試運行，檢查氣動二聯件、空氣凝結器、油霧化器等是否工作正常，檢查進風軟管是否干凈，待各系統正常工作后方可開始灌漿。

本工程采用的化灌材料為中英合資企業——北京瑞琪米諾樺合成材料有限公司生產的瑞米系列。

分別把A料缸和B料缸的進料管和出料管置于各自的料桶內。慢慢開啟氣動注漿泵進風控制閥，開始工作，此時 A、B（1：1）兩種液料分別在兩個料桶中循環。盡量使A、B進料管中的氣泡排凈，檢查進料系統和進料配比，確保整個系統正常。

系統正常后，停泵，按規定的連接方式組裝槍頭，管路連接到混合器，開始注漿。灌漿先低速，工作面未出現跑、漏漿等異常情況時根據實際情況提高灌漿速度，達到閉漿條件時再放低速度，直至閉漿停泵。

出現以下情況之一，均達到閉漿條件。掌子面表面有漿液溢出；注漿壓力大幅度升高；單孔每延米灌漿量達到0.2m3。

注漿結束后，用A組份料沖洗混合器與出料口，約10s左右；然后用清質機油清洗氣動注漿泵及其配件，檢查清點附件數量及其功能。

4.4 封孔

由于該化灌材料完全固化反應時間非常快，采用自進式鉆桿作為孔內灌漿管時，無需專用的封孔設備，停止灌漿后拆除可曲撓管即可。采用PVC塑料管作為孔內灌漿管時，其采用孔內自封孔技術，封孔器在下管路時安放，一次使用，不再周轉。

表1 銳米堵水/加固1號產品的基本性能參數

4.5 施工記錄

裝料桶為準確稱量，施工過程中記錄好以下要素：灌注孔位、單孔深度、單孔灌漿量、開灌壓力、閉漿壓力、灌漿起止時間及施工過程中的其他需要記錄的事項。

5 施工技術保證措施

（1）鉆眼前應檢查鉆具是否完好，風路、水路、油路是否暢通，工作面有無危險情況，以上情況都達到完好要求時，才準許鉆眼。

（2）開眼時，應把風鉆操縱閥開到輕運轉位置，待眼位穩固并鉆進20～30mm后，再把操縱把手扳到中運轉位置鉆進，直至鉆頭不易脫離眼口時，再全速鉆進。

（3）鉆眼時，風鉆、鉆桿與鉆眼方向要保持方向一致，推力要均勻適當，鉆架升降要隱，導軌固定要牢固，以防折斷鉆桿、夾鉆桿或拐丟鉆頭。

（4）鉆眼布置應盡量與巖石層、節理方向成一定的夾角，盡量避免沿層、節理方向鉆眼。

（5）淺孔注漿時漿液反應速度應有意識提高，施工現場反應時間約1min～2min左右，使其及早凝固后形成簡易止漿墻；深孔采用反應速度減慢（5min左右）的漿液進行控制注漿，使漿液的擴散和滲透范圍增大。

（6）操作泵的人員和倒料添料人員應時刻注意兩種漿液(A、B料)的進漿速度相同，同時觀察壓力變化，一般壓力升高可能由于漿液凝固、管路堵塞或由于漿液逐漸充填裂縫，此時應立即停止灌漿。壓力穩定上升，但仍在預定壓力之內，此時是正常的，有時出現壓力下降情況，這可能是由于孔隙被沖開，漿液大量進入裂縫深部所致，此時可以持續灌漿。隨著大量漿液進入裂縫，壓力會逐漸上升并穩定。壓力降低的另一個原因是由于封縫或管路接頭漏漿造成的，則需及時停止灌漿，進行處理。有時由于泵壓力增大，將漿液壓入裂縫深處，使大量漿液流失，這時可調節漿液配合比，使之縮短凝結時間，或采用間歇灌漿的方法來減少漿液損失。

6 結論

經過實踐證明：引紅濟石隧洞工程TBM施工段所采用的聚氨酯類化學漿材是合適和有效的，直接在孔內止漿的注漿方式也是非常先進的。漿液包裹松散圍巖形成厚度大約5m的固結巖體，這種固結巖體有相當的強度，有效地防止了掌子面圍巖的坍塌，并阻隔大量地下涌水進入TBM機頭，使TBM掘進機能在軟弱地層中緩慢前行，基本解決的卡機問題，保證了開挖進度。陜西水利