松散型圍巖化學灌漿固結技術在TBM施工中的應用

馬俊彬

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110015）

松散型圍巖化學灌漿固結技術在TBM施工中的應用

馬俊彬

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110015）

文章基于大伙房水庫輸水工程六河標段的工程實例，通過數值模型計算以及實際工程效果，證明聚氨酯化學灌漿固結技術對提高松散型圍巖的力學性能具有顯著作用，結論對該技術的推廣應用具有重要理論和實際價值。

TBM施工；松散型圍巖；化學灌漿

雙護盾TBM已經廣泛應用于隧工開挖施工，并取得了良好的施工效果和經濟效益。在長大埋深的隧洞開挖過程中，一旦遇到斷層破碎地段，極易由于施工擾動造成巖石的松動與坍塌。這不僅會給洞室的穩定性造成極大影響，同時巖石松動與坍塌產生的松動壓力也將直接作用于TBM的刀盤與護盾，從而影響施工的正常進行。化學灌漿固結處理可以有效改善松散巖層的力學性能，增強巖體本身的強度與剛度，提高自身的承載力，以保證TBM的順利通過。

1 工程概況

1.1 項目簡介

大伙房水庫輸水工程是我國南水北調項目的支持工程，同時也是遼寧省“十五”和“十一五”規劃的重點供水工程項目［1］。項目的建成可以有效緩解遼寧省中部工業發達地區核心城市的工業與生活用水問題。這一超大型跨流域調水工程的起點為遼寧省鳳嗚水庫，終點為大伙房水庫。其中輸水隧洞全長85.3km，項目設計輸水流量為70m3/s，年平均輸水量約為17億m3，工程預算總投資為52.2億元。該工程為國內乃至世界第一長輸水隧洞，沿線地質條件復雜多變，施工難度較大［2］。

1.2 六河標段的地質環境

大伙房輸水工程的六河標段地質構造異常復雜。該標段具有明顯的斷裂構造發育，主要表現為元古代與中生代脆性斷層，而絕大多數斷裂構造又歷經多次構造運動的改造，而呈現出斷承性與復合性特征。據工程設計階段的地質勘查資料，共有F13和F14兩條壓扭型中型斷層穿越主洞線。由于強烈的構造應力作用，不僅在兩條斷層間形成與之基本平行的背斜構造，同時還在其間孕育了數量眾多、規模較小、性質不同的次級構造斷層。隧洞沿線地層的巖性比較古老，主要由遠古代砂質板巖、泥質板巖以及石英砂巖組成。由于隧洞的洞線穿越六河河谷，該河的年平均徑流量大約為1.9億m3。受到地質構造的影響，六河標段的水文地質條件也十分復雜。地下水與地表水相互作用、聯系密切，在施工過程中曾經多次發生涌沙、涌水現象，對洞體的穩定極為不利。

2 松散性圍巖化學灌漿固結技術的適用性

2.1 松散性軟巖對TBM施工的影響

大伙房輸水工程的六河標段隧洞區的巖層十分古老，同時又在各個地質時期受到多次構造運動的不同作用，產生了數量眾多的大小裂隙斷層，因此巖體極為破碎。按照我國相關的工程技術標準，該標段已經實際開挖部分的圍巖屬于Ⅲ類的占 6%、屬于Ⅳ類的為 72%、屬于Ⅴ類的為22%。在實際開挖過程中共遭遇斷層21個，累計厚度為413m，這一數值幾乎是全部已開挖長度的13%。

該標段的巖層中的泥質板巖和砂質板巖等屬于變質巖，但是存在變質不徹底和變質較輕的情況。因此經過巖層裂隙水的長期作用，部分巖層出現了明顯的軟化現象。地層中的石英巖由于巖性較脆，因此在長期構造作用下，產生了十分密集的裂隙。此外，在該標段的巖層中還經常出現一些糜棱巖，這些含水量較高的巖體在開挖過程中極易坍塌，造成大量的巖碴涌入TBM的機頭和出碴槽。一旦出現上述情況，就必須長時間停機進行人工清碴，嚴重影響了 TBM工作效率的發揮。總之，要保證施工的順利、正常進行，必須要采取技術措施對松散圍巖快速加固。

2.2 聚氨酯化學灌漿固結技術的優勢

為了消除六河標段松散圍巖對施工造成的不利影響，在施工中擬利用聚氨酯化學灌漿加固技術。

聚氨酯是近年來用于圍巖加固的一種新型化學材料［3］。這種材料水溶性良好，在水溶之后可以形成一種彈性固體，其伸長率可達 120%至 150%。聚氨酯的混合溶劑在遇水之后可以迅速分散、乳化并凝固，其凝固時間與施工環境的多種因素以及具體配方有關。在六河標段對隧洞的松散巖層進行的試驗顯示，其凝固時間為50s左右。

聚氨酯混合溶劑可以將周圍比較松散巖體予以有效包裹，并隨著其快速凝固而形成具有一定強度和厚度的固結巖層［4］。灌漿施工開始前，工程技術人員在施工現場的松散巖層中進行了一次簡易試驗。待巖層固化完畢后，取下了一塊直徑約25cm的固結巖塊，不借助其他工具，一個成年人并不能將其掰裂。試驗顯示，原來粒徑在15mm以下的松散巖粒，經過聚氨酯化學灌漿固結之后，可以形成最小粒徑在12cm以上的較大巖體。因此這種化學灌漿加固技術能夠明顯提升松散巖層的強度，有效防止圍巖的坍塌。

聚氨酯化學灌漿技術不僅可以迅速固結松散圍巖，同時還有優良的遇水膨脹特性。通過聚氨酯化學灌漿技術處理，能夠迅速形成厚達幾米的固結巖體防水墻，有效減小 TBM機頭的涌水。因此，該技術具有加固與止水的雙重功能，將其用于大伙房輸水工程的六河標段松散圍巖加固無疑是適合的。

3 聚氨酯化學灌漿固結技術的數值模擬計算

3.1 數值計算模型的建立與參數設計

3.1.1 計算模型

根據工程實際，數值模型的尺寸設計為40m× 40m×1m，隧洞埋深為150m，直徑為3.65m，幾何模型的簡圖如圖1所示。

圖1 數值計算模型簡圖

3.1.2 屈服準則與邊界條件

在模擬計算過程中采用Drucker一Prager彈塑性材料模擬經過聚氨酯化學灌漿處理后的圍巖，利用ANSYS線彈性材料模擬TBM護盾的力學特性［5］。根據具體施工過程中的隧洞情況，假定計算模型上部僅考慮由于巖層重力作用而產生的初應力效應，因此設計為巖層自重產生的均布荷載，計算模型的兩側均為限制水平移動的可滑動支承，而底部則為固定支座。

3.1.3 加固后的圍巖力學參數

根據工程實際，在模擬計算中采用如表1所示的力學參數。

表1 隧洞圍巖加固力學參數

3.1.4 網格剖分

利用ANSYS10.0軟件進行網格自動剖分，基于編好的數據文件，加入模型參數和邊界條件可以自動生成數值模型。數值模型均選擇平面應變特性，共剖分為 5421個單元，18535個網格節點。

3.2 計算結果及分析

按照上述數值模型進行計算，其結果顯示經過聚氨酯化學灌漿處理后的圍巖應力明顯改善。隧洞兩側的局部區域第一主應力較大，其最大值為2.33MPa，其他區域均在2.00MPa以內。拉應力出現在洞壁表面，其最大值為-0.012MPa。

從計算結果來看，護盾兩側區域所受的壓應力較大，最大壓力為0.003MPa。拉應力出現在護盾的頂底內表面，其最大值為-0.002MPa，上述數值對厚度達50mm的護盾來說，應該是微不足道，對護盾本身不會產生任何危害。

對計算結果的分析可以看出，經過聚氨酯化學灌漿加固之后，隧洞周圍的松散圍巖穩定性可以得到顯著提高，在短期內可以承擔全部的圍巖壓力，幾乎可以完全消除松散圍巖對TBM護盾的壓力。所以，在不考慮其它因素的前提下，聚氨酯化學灌漿固化松散圍巖技術，對該工段的斷層破碎帶具有明顯效果，可以極大改善 TBM施工環境和施工條件。

3.3 化學灌漿固結層厚度的確定

當施工面前方的斷層破碎帶具有較大范圍時，顯然并不能也不需要將全部破碎帶進行灌漿加固。如果加固的厚度過大，不僅不利于施工成本控制，同時也不利于提高施工效率。如果加固厚度過小，又難以起到應有的作用。合理確定灌漿固結厚度是聚氨酯化學灌漿施工中的重要問題。

由于經過化學灌漿處理的圍巖可以形成比較穩定的結構，其內聚力、內摩擦角以及抗壓強度均有明顯提高，因此可以將固結后的圍巖視為滿足Hoek-Brown強度準則的巖體。所以，可以根據公式（1）計算灌漿處理之后的最大塑性半徑，再減去TBM開挖半徑，即可得到固化層的合理厚度。

其中r0為隧洞的開挖半徑，取1.83m；mp、sp為固結圍巖的材料常數，取 mp為 1.230，sp為0.00291；σci為單軸抗壓強度，取4.0MPa；p0為固結前的原巖應力值N為支護壓力折減系數。

在計算過程中可以依據數值模型試驗與地質調查結果，將灌漿前后的最大主應力差作為P0-N的值，將上述與圍巖相關的參數代入公式計算得出Rmax的值為6.34m。因此，化學灌漿固結層的合理厚度B=6.34-1.83=4.51m。但是考慮到工程地質環境比較復雜，在施工過程中可能會遇到某些不可預知的因素，因此將實際施工中的圍巖合理厚度值確定為5.0m。

4 圍巖化學灌漿的施工與效果分析

4.1 化學灌漿的施工工藝

在化學灌漿開始之前，應先將直徑12mm，長2.5m帶有小側孔的鋼管插入巖體之中。在距TBM開挖掌子面5～15m的位置，利用化學灌漿的專用灌漿機將黑、白兩種聚氨酯水溶劑利用兩條不同的管路進行輸送，并在兩個管路的出口分別安裝壓力表，以實時顯示輸出壓力。每一個輸送管路均與口徑為14mm的灌漿專用軟管相連，并將聚氨酯溶劑輸送入灌漿孔口的混合裝置。而后經由預先插入圍巖的鋼管進行灌漿作業。具體的施工參數如表2所示，灌漿施工示意圖如圖3所示。

表2 化學灌漿施工參數

圖2 灌漿施工示意圖

4.2 工程效果

首先，在施工掌子面進行化學灌漿處理之后，地下水的涌出量減少了60%左右，地下水對TBM設備的影響得到了有效控制。其次，隧洞圍巖經過化學灌漿處理之后，使原本松散的巖石層變為體積較大的固結巖石，掌子面的坍塌問題得到了根本遏制，人工清渣的強度與工作量也大為減少。最后，在經過化學灌漿處理后，原本松散的巖體可以為TBM的支撐靴提供足夠的支撐力，因此在后續施工中 TBM設備可以順利通過所有地質不良地段。總之，聚氨酯化學灌漿技術的使用，有效改善了TBM施工環境，達到了模擬設想要求。

5 結語

通過數值模型計算與實際工程驗證，聚氨酯化學灌漿技術的應用可以極大改善松散圍巖的力學特征。灌漿固結后，地下水涌出量明顯減少，施工掌子面坍塌問題得到了有效遏制，為TBM施工提供了良好的工作環境。但是聚氨酯屬于易燃材料，同時燃燒過程中還會釋放有毒有害氣體，因此施工過程中必須要注意施工區域的防火和通風工作。此外，在施工過程中，會有部分聚氨酯隨水流進入自然環境，從而造成一定的環境污染，今后還有必要在這方面進行深入的理論和實踐研究。

［1］李瑞，姜政同，丁子棟.大伙房水庫輸水應急入連工程建設綜述［J］.水利建設與管理，2012（S1）：1-2.

［2］毛文莉.TBM在大伙房水庫輸水工程隧洞施工中的應用［J］.水利建設與管理，2010（09）：4-5+12.

［3］馬哲，龐浩，楊元龍，徐宇亮.化學灌漿材料的研究進展綜述［J］.廣州化學，2014（01）：9-13.

［4］劉廣建，陳沖沖，陳國富.新型聚氨酯灌漿材料的研制［J］.塑料，2012（04）：38-39+105.

［5］高勤生，趙鵬濤，崔團峰.新型化學灌漿技術在TBM圍巖加固中的應用［J］.人民黃河，2010（06）：137-138+141.

［6］楊建明.新疆達坂隧洞不良地質洞段TBM施工新型化學灌漿技術應用 ［J］.水利規劃與設計，2009（01）：57-58+60.

［7］秦菡.TBM超前化學固結灌漿在引紅濟石工程中的應用 ［J］.陜西水利，2012（06）：83-84.

［8］劉建春.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 ［J］.陜西水利，2013（01）：81-82.

TV543+.2

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1672-2469（2017）02-0150-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.044

2015-12-23

馬俊彬（1986年—），男，工程師。