開敞式TBM不良地質段超前預處理技術研究及應用

文敬

摘要：隨著TBM設備在各施工領域的應用越來越廣泛，在其施工過程中不可避免地遭遇各種不良地質段，若不能及時處理，則可能造成TBM卡機、垮塌、人員設備傷亡等。

本文基于新疆北部某引水隧洞TBM施工項目，為保證TBM掘進施工安全，避免出現大規模塌方、TBM主機被埋等情況，保證TBM通過沖溝段層破碎帶時，設備和人員能夠安全施工，針對沖溝斷層不良地質段，采用地表注漿加固的方法進行超前處理，針對施工過程中遇到的軟巖塌腔、斷層帶、涌水等各種不良地質段，總結了相應的施工處理措施。

關鍵詞：開敞式TBM;引水隧洞;不良地質段;地表注漿

1、前言

新疆北部某引水隧洞采用一臺開敞式TBM進行施工，該段隧洞位于剝蝕構造低山丘區，地形開闊、略起伏，TBM施工段長21.5km，開挖洞徑7.8m。隧洞分布埋深6～127m，平均埋深34m，為淺埋隧洞。沿線穿越18條淺埋沖溝和9條大規模斷層破碎帶，沖溝底寬約6～70m，沖溝規模較大，斷層破碎帶寬度10～35m，洞內地下水以基巖裂隙水為主，斷層破碎帶洞壁會產生線狀水流現象，估算隧洞段總涌水量456～2450m3/h，施工應加強排水措施，在TBM掘進遇到的各種不良地質可能引起的安全、質量、施工風險，以及造成的嚴重后果。本文針對該項目TBM掘進施工過程中遇到的不良地質地段，總結了一些處理施工經驗，采取相應的處理措施以提高TBM掘進效率和施工安全性。

2、地表灌漿施工規劃

2.1 灌漿規劃

通過現場施工總結，提前判別不良地質段，在被揭露之前根據地質資料和地表勘探孔，再結合超前地質預報結果進行綜合研判，提前采取相應的處理措施，判別圍巖斷層和涌水等不良地質段。將水泥漿液注入TBM將要掘進的隧洞洞底2m，洞身7.8m，洞頂5m，總注漿長度14.8m，注漿使巖石裂隙連成一個整體。

2.2 施工準備

（1）灌漿施工前，對施工人員進行詳細的技術交底和技術培訓;

（2）做好人員組織和機械設備配備、材料準備等工作，做到分工明確，職責分明，人員穩定，保證施工順利有序進行;

（3）灌漿地點一般處于沖溝段和斷層帶，在灌漿設備進場前，需要在灌漿地點進行場地平整，填筑進場道路，進場道路主要由隧洞廢渣鋪筑;

（4）施工前由測量工程師將隧道導線引至地表注漿處對隧道淺埋區進行原地面地形測量，測設出隧道中線里程、高程，根據中線放樣，測設隧道邊線及需注漿邊線，按設計放樣注漿寬度;

（5）利用挖掘機、裝載機將施工面清理干凈，排水系統形成及施工輔助設施完成并經檢查驗收合格后方可鉆灌施工。

2.3 施工原理

地表注漿的原理首先是地表鉆孔，然后讓注漿機通過孔和地下裂隙，使其水泥漿液充填地下裂隙，并產生硬化。地表注漿的作用主要有兩個，第一個是將原有的裂隙水和地下水從節理裂隙中擠壓出來，另一方面是將破碎巖石連成一個整體，提高TBM穿越不良地質段減少施工風險，提高施工效率。[1]

3、地表灌漿

3.1 布孔鉆孔

（1）孔位放樣采用GPS測量儀進行，分序。孔位與設計孔位的偏差值不得大于10cm，孔深應符合設計規定。實際孔位、孔深做好詳實記錄。

（2）注漿孔應進行孔斜測量。孔底的偏差不得大于0.25m。

（3）注漿孔采用地質鉆鉆進。鉆孔過程中，遇巖層、巖性變化，發生掉鉆、坍孔、鉆速變化、回水變色、失水、涌水等異常情況，應詳細進行記錄。

（4）鉆孔遇有洞穴、塌孔或掉塊難以鉆進時，可先進行注漿處理，再行鉆進。如發現集中漏水或涌水，應查明情況、分析原因，經處理后再行鉆進。

（5）注漿孔（段）在鉆進結束后，進行鉆孔沖洗，孔底沉積厚度不得超過20cm。

（6）鉆孔施工作業暫時中止時，孔口應妥加保護，防止流進污水和落入異物。

（7）注漿孔按分序加密的原則進行鉆進。注漿孔排與排之間和同一排孔內孔與孔之間，分為二序施工。

3.2 鉆孔沖洗

鉆孔沖洗：采用自孔底向孔外大水量敞開沖洗及壓力風沖洗或風水聯合沖洗，鉆孔沖洗方法根據不同的地質條件，通過現場注漿試驗確定。

裂隙沖洗：根據不同的地質條件采用壓力水沖洗、壓力風沖洗、風水輪換沖洗的方法進行裂隙沖洗。

沖洗壓力：沖洗水壓采用80%的注漿壓力，壓力超過1MPa，則采用1MPa;沖洗風壓可為注漿壓力的50%，壓力超過0.5MPa，采用0.5MPa。

裂隙沖洗沖至回水清凈后結束，且總的時間要求，單孔不少于20min，串通孔不少于2h。對回水達不到清凈要求的孔段，繼續進行沖洗，孔內殘存的沉積物厚度不超過20cm。

當鄰近有正在注漿的孔或鄰近注漿孔結束不足24h時，不得進行裂隙沖洗。

注漿孔（段）裂隙沖洗后，該孔（段）立即進行注漿作業，因故中斷時間間隔超過24h者，在注漿前重新進行裂隙沖洗。

特殊地段：對于地質構造帶（特別是斷層破碎帶、遇水泥化帶），采用自孔底向孔外進行壓力風沖洗的方式，避免用水沖洗使破碎巖體遇水泥化造成對裂隙的堵塞，從而影響注漿質量。

3.3 壓水試驗

各灌漿孔在鉆孔沖洗和裂隙沖洗后進行壓水試驗，壓水試驗采用單點法對孔底段做簡易壓水試驗，其余各段在灌漿前一般不進行裂隙沖洗和簡易壓水試驗，以免影響前一段灌注漿液的凝固，對灌漿質量不利。

“單點法”簡易壓水的壓力為注漿壓力的80%，若大于1MPa時，采用1MPa，遇到特殊情況則按設計通知執行。

簡易壓水試驗壓水時間為20min，每5min測讀一次壓水流量，取最后的流量值作為計算值，其成果以透水率表示。

單點法壓水試驗穩定標準：在穩定壓力下每2min～5min測讀一次壓水流量，連續四次讀數中最大值與最小值之差小于最終值的10%;或最大值與最小值之差小于1L/min時即可結束，取最終值作為計算值。

3.4 注漿

3.4.1 注漿參數

注漿段在洗孔壓水結束后應及時進行注漿作業，因故中斷時間間隔超過24小時，灌前應重新進行裂隙沖洗、壓水試驗。本方案采用分段注漿法，分三段進行，各段灌漿長度根據灌漿塞封堵位置可適當調整，各注漿段注漿結束后一般不待凝。分段注漿孔采用自下而上、孔內循環分段注漿法。注漿塞置于該段段頂0.5m處，射漿管距孔底不大于0.5m。注漿結束待加深或鉆孔結束待注漿時，注漿孔孔口應妥善保護，嚴防污水，污物流入孔內。

注漿阻塞：本方案采用無蓋重注漿一次成孔、自下而上分段方式進行。各段應控制段長3～8m左右，各注漿段射漿管應保證其距注漿段段底不應大于0.5 m，否則應重新配置射漿管。

注漿孔注漿結束后一般不待凝，可直接進行下一段鉆灌作業。當遇斷層破碎帶等特殊情況時，注漿結束后應進行待凝處理，待凝時間依據實際情況確定。

如果鉆孔過程中成孔困難，發生塌孔、卡鉆、涌水，則采用自上而下、孔內循環分段注漿法，分段長度根據鉆孔情況確定。

3.4.2 注漿設備及材料

BW150注漿泵，ZJ-800型制漿機，ZSQ-42型液（氣）止漿塞、三參數大循環注漿自動記錄儀。水泥采用42.5MPa抗硫酸鹽水泥或42.5MPa普通硅酸鹽水泥。水泥漿液采用2：1、1：1、0.5：1三個比級。

3.4.3 變漿標準：

① 當注漿壓力保持不變，注入率持續減少，或當注入率保持不變而注漿壓力持續升高時，不能改變水灰比。

② 當某一比級漿液注入量已達300L以上、或灌注時間已達30min，而注漿壓力和注入率均無顯著改變時，換濃一級水灰比漿液灌注。

③ 當注入率大于30L/min時，可視具體情況越級變濃水灰比。

注漿過程中，漿液變換及注漿結束時必須測記漿液密度，其測值應反映在注漿原始記錄中。

注漿壓力根據現場注漿試驗成果確定后報請監理工程師批準或由監理工程師確定。

當注漿開始后盡快使壓力達到設計值，接觸段和注入率大的孔段逐級升壓。

為防止巖石面抬動，注漿原則上一泵灌一孔，當相互串漿時，如串漿孔具備注漿條件，一泵一孔同時進行灌注。否則，塞住串漿孔，待注漿孔注漿結束后，再對串漿孔進行掃孔、沖洗，而后進行鉆進或注漿。

3.5 封孔

當注漿壓力達到規定值時，注入率小于或者等于1L/min，繼續灌注30min，即可結束注漿。當長時間達不到結束標準時報請監理工程師研究處理措施。

注漿封孔應采用 “導管注漿封孔法”，封孔采用漿液水灰比為0.5：1的濃漿，灌漿結束后，安設孔口管，使用水灰比為0.5的濃漿從孔口管內注入，自管外孔口管返出，固定孔口管待凝。待凝24小時后清除孔內污水、浮漿，脫空處采用干硬性水泥砂漿封填密實。

3.6 注漿效果檢查

灌漿質量檢查應以檢查孔壓水試驗成果為主，灌漿檢查孔應布置在以下位置;

（1）巖體破碎、斷層、有塌孔等地質條件不良段;

（2）鉆孔偏斜過大，灌漿情況不正常等，對灌漿質量有影響部位;

灌漿過程中，周邊各孔灌漿量大的部位，檢查孔采用單點法做簡易壓水試驗，數量為灌漿孔總數的5%，檢查孔應采取鉆芯法進行觀察，檢查時間可在灌漿結束后3d或7d后進行，灌漿質量合格標準為：各段的合格率應達到85%，不合格孔段的透水率值不超過150%。

4、質量控制

4.1 材料質量控制措施

（1）水泥經由指定廠家供應，材質檢驗合格后方可使用。每批次水泥須有檢驗合格證，并送中心試驗室進行物理、力學性質檢測;各類施工材料應附有生產廠家的質量證明書和產品使用說明書，杜絕不合格材料用于工程。

（2）施工現場設置專用的注漿水泥倉庫，水泥的標號、細度、有機物含量等指標滿足技術要求和規范要求，水泥的儲存距出廠日期不超過三個月;嚴禁使用受潮結塊等不符合質量要求的水泥。

（3）同一部位的注漿水泥盡量使用同一品種、同一類型、同一強度等級的水泥。砂的細度模數、含泥量等指標滿足規范要求。拌漿用水、外加劑的質量需符合規范有關規定。

（4）漿液使用前過篩，從開始制備至用完的時間不超過3h;漿液溫度保持在5℃～40℃間。

4.2 設備控制措施

（1）鉆孔機械各施工參數，滿足其相應的技術要求，能方便定位，保證孔位和孔向。取芯孔能達到芯樣獲得率要求，鉆機的深度滿足孔深的要求，氣動鉆機具備消音、除塵裝置。制漿設備采用高速制漿機，配置相應的過濾裝置。注漿設備采用三缸柱塞泵，其壓力滿足技術要求需要，三缸運行穩定，擺動范圍小，輸漿過程中活塞不漏漿。

（2）注漿記錄儀器設備采用由監理工程師批準的、經過國家有關部門鑒定的、可測記注漿壓力、注入率和水灰比等施工參數的三參數大循環注漿自動記錄儀，并能反映注漿壓力和流量過程曲線。施工前準備足夠的流量計、壓力表、壓力軟管、供水管及閥門等備品。

（3）鉆孔注漿設備數量滿足高峰期施工強度要求和質量、進度控制的要求，杜絕采用超壓鉆進、不符合要求的多孔并聯灌注現象。

（4）所有注漿設備、儀器、儀表等均要經常維護保養，使其保持正常的工作狀態，另外還根據需要配備一定的備用量，保證施工順利進行。

4.3 施工人員控制措施

（1）對負責注漿施工的員工進行進場培訓，進行全面技術、質量交底;講解圖紙、作業程序及質量要求，使作業人員熟知作業內容及質量要求;提高作業人員的質量意識和保證施工質量的能力。

（2）特殊作業人員持證上崗，上崗前在現場進行培訓考核，合格后方能上崗作業。

4.4 施工控制措施

鉆孔孔位與設計圖紙一致，開孔孔位與設計位置的偏差不大于10cm。鉆孔孔斜控制在2.5%以內。鉆孔過程中的地質缺陷情況、孔內事故情況認真記錄、仔細分析。取芯孔的巖芯獲得率要求滿足80%以上的技術規范要求。

注漿孔段的沖洗方法、沖洗壓力、阻塞位置、分段長度、射漿管距孔底距離、注漿分序、注漿方式、注漿壓力、變漿標準、結束標準、封孔方式及封孔質量滿足有關技術要求。注漿監測和注漿記錄滿足自動化控制標準。注漿質量檢查達到相應的合格標準;否則，主動采取補救措施。

4.5 注漿效果檢查和評價

灌漿質量檢查應以檢查孔壓水試驗成果為主，灌漿檢查孔應布置在以下位置;巖體破碎、斷層、有塌孔等地質條件不良段;鉆孔偏斜過大，灌漿情況不正常等，對灌漿質量有影響部位;灌漿過程中，周邊各孔灌漿量大的部位，檢查孔采用單點法做簡易壓水試驗，數量為灌漿孔總數的5%，檢查孔應采取鉆芯法進行觀察，檢查時間可在灌漿結束后3d或7d后進行，灌漿質量合格標準為：各段的合格率應達到85%，不合格孔段的透水率值不超過150%。同時，通過提前對不良地質段進行注漿，TBM在穿越該段時只體現出圍巖不完整，并無明顯的塌腔，TBM穿越該段所用時間也有明顯的減少，提高了TBM施工效率。

5、結語

（1）不良地質段灌漿段經過提前的判別，通過制定的孔位布置、鉆孔深度、灌漿壓力以及灌漿材料的選擇，符合現場條件，滿足灌漿要求。

（2）地表灌漿的灌漿孔在鉆孔沖洗和裂隙沖洗后要進行壓水試驗，壓水試驗采用單點法對孔底段做簡易壓水試驗。

（3）對于個別不良地質段，灌漿孔位分布可根據地質條件適當加密或適當放大，通過此次處理方式，建議灌漿段洞底1～2m，洞身全部灌漿，洞頂4～5m段灌漿，在該段注漿既可以節省材料也具有良好的效果。

（4）開敞式TBM在不良地質段經過地表注漿，可有效的達到預期的效果，使TBM在隧洞掘進過程中安全，同時避免出現大規模塌方、TBM主機被埋等情況。

（5）通過對不良地質段提前地表注漿，有效的避免了TBM穿越不良地質段引起的塌腔、停機等事故，預處理后TBM安全高效通過并且良好效果。

參考文獻：

[1]王麗瑤 王成 王春曉. 地表注漿技術在隧道淺埋偏壓破碎帶中的應用[B]. 中國公路工程咨詢集團有限公司，北京.