引紅濟石調水工程TBM脫困超前固結化學灌漿施工技術初探

劉建春

（陜西引紅濟石工程建設有限公司 陜西 楊凌 712100）

1 引紅濟石調水工程概況

引紅濟石調水工程位于太白縣內，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、楊凌等城市提供生活飲用水。引紅濟石調水工程引水隧洞全長19795m，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。采用雙護盾TBM+鉆爆法施工的聯合施工方案，其中雙護盾TBM承擔隧洞施工任務11095m，由隧洞出口向上游方向獨頭掘進，隧洞施工范圍為K19+795～K8+700。工程采用一臺美國Robbins公司制造，直徑為3.655m的轉場雙護盾TBM獨頭掘進，C40預制混凝土管片同步襯砌，管片為四邊形，螺栓連接，管片外徑3.5m，內徑3.0m，厚度0.25m，環寬1.1m，每環由五塊組成，管片設計全為標準形，無轉彎環管片設計。

2 TBM施工“6.29”卡機情況簡述

TBM施工自2009年6月25日開始出現坍塌（施工里程為16+842.9），圍巖節理裂隙發育，掘進推力僅為80t左右，掌子面掉塊嚴重，伸縮盾渣體較多，導致換步困難（采用超高壓換步），但仍可以順利掘進。施工方在施工過程中一直采取低速掘進，輔以人工清渣，超高壓換步的方式組織施工，日進度緩慢。6月29日零晨3點，TBM掘進過程中，掌子面發生較大規模坍塌，轉動刀盤時大量石渣將1＃皮帶機卡死，無法繼續掘進，TBM被困。

3 處理方案選擇

根據以往的掘進經驗，判斷其坍塌規模較小，認為只要將刀盤前方的渣體清除即可恢復掘進。首先施工項目部采用人工在刀盤處向外掏運石渣，出約300m3碎石，但由于掌子面地下水豐富，在點動刀盤清渣過程中，塌腔不斷增大，頂部及刀盤前方全部被渣體充填，無法有效觀察到塌腔的規模，通過出渣估計，預計塌腔形狀為11m（長）×11m（高）×7m（寬），采用常規方案不可行。

經組織相關專家多次研究，準備采用化學材料進行灌漿地層加固，具體計劃為：

（1）選用化學材料——“瑞米充填/密封1號”產品對TBM掘進機上方已經冒頂的空穴進行充填，目的是防止圍巖體經過震動再次冒落，出現危險。

（2）選用化學材料——“瑞米堵水/加固1號”對TBM掘進機前方破碎、松散破碎的圍巖進行充填堵水/加固，目的是超前對圍巖體進行加固/堵水，防止冒頂、垮落的險情再次發生。

表1 瑞米充填/密封1號性能參數

表2 瑞米堵水/加固1號產品性能參數

表3 5倍發泡瑞米加固/堵水1號主要性能指標表

瑞米充填/密封1號產品、瑞米堵水/加固1號產品的基本性能如表1、表2。

對比研究后選用了瑞米堵水/加固1號。

本工程使用的化學灌漿材料由中英合資企業北京瑞琪米諾樺合成材料有限公司生產并施工。該化灌材料是屬于聚氨酯類（PUR）和硅酸鹽改性聚氨酯類（Silicatemodified PUR）灌漿材料，由A、B兩組份組成，施用配比為固定體積比1∶1。產品包裝為1份A料配1份B料，不用現場稱量配料。其主要性能特點如下：①粘度低（100mPa·s～200MPa·s），可灌性和滲透性好，最小可灌裂縫寬度為0.14mm；②100%樹脂含量，無任何揮發性（VOC）物質，幾乎沒有任何異味，通過國家建材環保認證，阻燃性好，對于地下工程應用安全可靠；③凝結時間可實現十幾秒到30min～40min，可以根據工程條件實現可控灌漿，方便易行；④抗壓強度高（最大可達到50MPa以上），壓縮變形大（＞50%），粘結力高（＞5MPa）；⑤反應特性可調節，可以是不發泡的硬質樹脂，也可以調節到一定發泡膨脹特性，從2倍～3倍發泡倍數，到自由膨脹可達20倍以上。發泡體韌性大，受壓下不破壞。一定的發泡特性可以適用于松散破碎層灌注加固，保證更好的粘結性，并具有較高的抗壓強度。配套的施工注漿泵為固定進料配比（1∶1體積比）、自動混料和輸出，輸出壓力最高可達20mPa～25MPa，可以實現自動封孔技術，施工操作簡便易行，配套技術先進成熟。

4 化學灌漿施工技術

4.1 施工工藝

“瑞米”灌漿技術配套的施工泵及其附屬配件技術，直接引進國內先進技術制造，是根據材料工程需求的性能特點而研制出來的專用配套設備，施用性強。其應用施用工藝簡圖如圖1所示。

4.2 施工方法

4.2.1 鉆孔

鉆孔采用手持式氣動鉆機或經改造減弱沖擊力后的氣腿式鑿巖機。

由于本工程洞徑小，刀盤空間更加狹小，在刀盤內施工其鉆孔方向受限制比較大，其施鉆位置只能根據刀孔和刮板孔位置在現場予以確定，選擇可以向前偏上的位置施鉆。施鉆角度同樣難以按預先設計的角度控制，也是確定施工原則后在現場確定，鉆孔深度以鑿巖機的最大施工能力而定，盡可能的增加鉆孔深度。

坍塌段固結灌漿以穩定巖體為主，掌子面方向及徑向均進行鉆孔，在圍巖破碎帶只需通過人孔在掌子面左右兩側斜向上施鉆兩個孔即可。其鉆孔示意圖分別如圖2所示。

4.2.2 漿液制備

本工程結合實際地質情況，選擇了5倍發泡的“瑞米加固/堵水1號”作為超前固結灌漿加固的材料。該產品A組分為淺褐色粘稠液體，B組分為深褐色粘稠液體，A、B組分按體積比1∶1稱量包裝（以小包裝塑料桶包裝，A組分21kg/桶，B組分24kg/桶），現場無需要再配制漿液，直接使用即可。其性能指標如表3所示。

4.2.3 安裝注射管路

采用自進式玻璃鋼鉆桿鉆孔完成后，安裝注射管路的順序為：安裝灌漿變接頭——連接可曲撓管——安裝混合器——連接注漿管路。

采用風鉆桿造成完成后，其安裝注射管路的順序為：撤出鉆桿，插入帶梅花孔PVC塑料注漿管，長度與孔深度匹配——連接注漿封孔器——連接可曲撓管——安裝混合器——連接注漿管路。

4.2.4 灌漿

該漿液無需專用計量的儲漿設備，以其包裝桶作為儲漿進料、計量桶即可。注漿泵采用3ZBQS-12/20型氣動注漿泵，該型號泵其進氣壓力為0.4mPa～0.63MPa，由一臺3m3/min的空壓機即可帶動使用。自動實現1∶1體積進料、混料和輸出，輸出壓力最高可達20MPa～25MPa。

（1）現場安裝好氣動注漿泵，灌漿前試運行，檢查漿輸出管路、氣動二聯件、空氣凝結器、油霧化器、然后連接好進風軟管是否干凈。

（2）分別把A料桶和B料桶的進料管和出料管置于各自的料桶內。

（3）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。

（4）系統正常后，停泵，按規定的連接方式組裝槍頭，開始灌漿。通常情況下，開灌速度選擇中低速，即灌漿泵活塞往復次數在60次/分鐘左右，確認掌子面工作正常、無返漿現象時可適當提高灌漿速度，灌漿泵活塞往復次數可提高到80次/分鐘～100次/分鐘。當灌漿壓力升高和有返漿現象時，根據施工情況逐步降低灌漿速度，直到最后達到閉漿條件，停止灌漿。

（5）灌漿過程中，注漿司機與掌子面注漿操作手應建立實時通訊對講系統。注漿司機要隨時向注漿操作手報告灌漿速度和灌漿壓力，注漿操作手根據掌子面的灌漿情況決定提高還是降低灌漿速度。

（6）灌漿過程中出現異常情況時及時停止施工。灌漿結束的標準是在低速灌漿情況下（活塞往復次數約30次/分鐘），漿液從掌子面的裂隙和注漿管四周滲流返回時，停止灌漿（此時，灌漿壓力通常回急劇上升，也有部分情況下灌漿壓力無明顯變化的情況），該灌注孔灌漿完成。

（7）灌漿結束后（施工異常停止施工時），用A組份料沖洗混合器與出料口，約10s左右。

（8）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。

（9）封孔。由于該化灌材料完全固化反應時間非常快，因此無需專用的封孔設備，停止灌漿后拆除可曲撓管即可。由于裝料桶已有準確稱量，現場記錄主要包括：灌注孔位、孔深、單孔灌漿量（記錄以“桶”為單位）、開灌壓力、閉漿壓力、灌漿起止時間。

5 結語

經過以上化學灌漿后，TBM刀盤前圍巖及周邊圍巖凝結一塊整體，強度明顯增加，后采用人工慢慢清理刀盤四周漿液，點動刀盤開始旋轉，TBM刀盤脫困掘進恢復正常。

化學灌漿材料進行超前固結灌漿，有效地加固了刀盤上方、正前方松散坍體，成功實現了TBM刀盤脫困。利用這一成功經驗，在后續施工中，曾兩次在不良地質段時實施超前預注漿加固拱部圍巖，TBM成功通過。這一有益的探索為后續TBM在不良地質段的施工積累了寶貴的施工經驗，可在同類工程中予以推廣使用。