開敞式TBM施工隧洞堵水灌漿的應(yīng)用

劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率快，開挖時(shí)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，從而保證破巖、出渣、支護(hù)流水化作業(yè)，但其針對(duì)性較強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)多變的地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。其中使用開敞式TBM掘進(jìn)機(jī)在面對(duì)涌水段情況處理時(shí)較為棘手，涌水較大時(shí)易損壞、淹沒設(shè)備，嚴(yán)重影響TBM的掘進(jìn)速度，甚至威脅設(shè)備和人員的安全［1］。

施工期間，遇到涌水時(shí)，通常根據(jù)具體情況，用堵、排或兩者結(jié)合的方法進(jìn)行處理。若使用全部抽排的方式解決隧洞涌水，則需要增加的排水設(shè)施較多，一方面隧洞可提供布設(shè)的空間、可提供的電力供應(yīng)有限；另一方面極大增加揚(yáng)水費(fèi)用，加大突發(fā)停電、抽排水設(shè)施故障等情況下作業(yè)人員安全、TBM設(shè)備被淹風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)排水量過(guò)大也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響。故需將堵水灌漿作為主要的處理方式，排水作為輔助處理方式［2-3］。

而不同的堵水灌漿處理方案直接影響了堵水效率及質(zhì)量，且成本控制也是重要因素之一，本文現(xiàn)針對(duì)在建工程中多種堵水灌漿方案在TBM掘進(jìn)隧洞涌水處理的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行說(shuō)明、對(duì)比分析及總結(jié)。

1 工程概況

新疆YE輸水工程是一項(xiàng)長(zhǎng)距離輸水工程，全段為無(wú)壓輸水隧洞。其中SS段Ⅲ標(biāo)隧洞樁號(hào)SD40+495.307～SD52+585.465為TBM施工段，該段主要為凝灰質(zhì)砂巖，以硬巖為主。隧洞掘進(jìn)過(guò)程中揭露地下水文地質(zhì)情況較復(fù)雜，出現(xiàn)洞內(nèi)地下水持續(xù)、大量出露現(xiàn)象。由于隧洞北部張扭性結(jié)構(gòu)面、南側(cè)的斷裂破碎帶及洞線北側(cè)的山前第四系洪積扇形成的蓄水洼地為地下水提供持續(xù)補(bǔ)給，造成在TBM掘進(jìn)施工過(guò)程中，多處洞身沿圍巖裂隙不斷出現(xiàn)股狀射流、刀盤涌水，掌子面出現(xiàn)過(guò)涌水瞬時(shí)流量高達(dá)650m3/h的情況，每千米出水量在600～1900m3/h之間，TBM被迫多次停機(jī)啟動(dòng)應(yīng)急排水系統(tǒng)并進(jìn)行堵水。

涌水洞段出水情況具有隨機(jī)性較強(qiáng)、流量大及水流形態(tài)多樣的特點(diǎn)。主要水流形態(tài)有股狀涌水、線狀流水、大面積集中涌水、大面積集中滲水（含裂隙水）。掌子面出水具有突發(fā)性、水量大、壓力高、無(wú)衰減的特點(diǎn)。

為保證TBM施工順利進(jìn)行，研究確定隧洞滲、涌水處理遵循“以堵為主、限量排放”的處理原則，在經(jīng)過(guò)堵水、抽排水后使得掌子面的水不影響隧洞的正常掘進(jìn)，并保持一定的富余抽排水能力，來(lái)應(yīng)對(duì)隧洞段突發(fā)涌水。針對(duì)TBM設(shè)備的特點(diǎn)，堵水要求在有限空間、高效率地限制內(nèi)完成且保證灌漿質(zhì)量，故需制定并采取切實(shí)可靠的堵水灌漿施工方案，以達(dá)到堵水可靠、排水通暢、經(jīng)濟(jì)合理的目的［4］。

2 堵水方案及應(yīng)用

堵水灌漿技術(shù)的核心是材料和工藝，灌漿材料、灌漿方法、灌漿量、灌漿壓力、灌漿材料反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)滲涌水灌漿效果均有大的影響，圍巖地質(zhì)特性、水流形態(tài)及水壓對(duì)灌漿材料及施工方法的選用也有極大關(guān)系。結(jié)合堵水灌漿各方面因素的考慮，經(jīng)研究分析后形成以下堵水方案并進(jìn)行實(shí)施應(yīng)用［5］。

2.1 水泥單漿液配套堵水灌漿方案

水泥單漿液配套堵水灌漿方案在樁號(hào)SD52+160.8處進(jìn)行實(shí)施，該處出水點(diǎn)主要來(lái)自隧洞掌子面4條大裂隙，水流形態(tài)為集中股狀涌水、有壓、無(wú)衰減。為減少集中封堵的難度，采用“分而治之”的方法先在裂隙頂部周圍1～2m范圍內(nèi)進(jìn)行泄壓泄流，再對(duì)集中出露區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)行封堵，最后對(duì)泄壓泄流進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)封堵。掌子面巖石較為薄弱區(qū)域采用低壓限流的方法進(jìn)行灌注，先對(duì)裂隙頂部泄壓孔進(jìn)行灌注，有效地封堵裂隙涌水，減小裂隙涌水后封堵縫隙表面，待縫隙有效封堵完成后進(jìn)行超前灌漿，從而形成止水帷幕，有效封堵帷幕圈外側(cè)涌水。

灌漿沿4條裂隙左右側(cè)穿縫布孔，灌漿孔孔深為0.7，1m，全孔一次性灌漿。鉆孔采用YT-28手風(fēng)鉆，孔徑56mm。漿液比級(jí)以42.5#水泥漿液為主，開灌水灰比為0.5∶1。灌漿采用0.5MPa+涌水壓力的低壓力灌注，可根據(jù)注漿效果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況控制。

由于掌子面涌水流量大、流速大，堵水效果不太明顯，僅能封堵住部分較小的裂隙及散水，涌水集中至4條大裂隙，水泥單漿液無(wú)法解決大裂隙的涌水處理問題，需配合其他灌漿材料使用。如圖1。

圖1 水泥單液漿掌子面灌漿孔位布置

2.2 水泥+水玻璃雙漿液配套堵水灌漿方案

水泥+水玻璃雙漿液配套堵水灌漿方案分別在樁號(hào)SD52+270.5及樁號(hào)SD51+960～SD52+170處實(shí)施，分別為超前預(yù)注漿及全斷面系統(tǒng)灌漿，灌漿材料采用42.5#中抗硫袋裝水泥和波美度35～37水玻璃。

其中SD52+270.5出水點(diǎn)位于掌子面左側(cè)7點(diǎn)鐘和1點(diǎn)鐘方向，股狀涌水，涌水量約600m3/h，如圖2。為滿足超前預(yù)注漿施工需要，需先將TBM后退4.5m，拆除刀盤6#和8#刀，讓小型設(shè)備和人員進(jìn)入刀盤前掌子面，同時(shí)在刀盤前架設(shè)2臺(tái)7.5kW潛水泵，進(jìn)行抽排水；后搭設(shè)雙層腳手架，制作臨時(shí)施工平臺(tái)進(jìn)行鉆孔，并及時(shí)采用封孔器進(jìn)行孔口處理，后進(jìn)行超前預(yù)灌漿。

圖2 水泥+水玻璃雙漿液掌子面封堵及超前預(yù)注漿灌漿孔位布置

超前灌漿沿涌水點(diǎn)左右側(cè)穿縫布孔，超前帷幕鉆孔與隧洞軸線呈15°角向外輻射。超前灌漿孔孔深為9～30m，采用100型潛孔鉆鉆孔，鉆孔孔徑76mm，全孔一次性灌漿。42.5#水泥與水玻璃雙漿液配比為0.5∶1，開灌水灰比采用1∶1的漿液比級(jí)。灌漿采用0.5MPa加外水壓力的低壓力灌注，終孔的灌漿壓力不宜小于1.5MPa，最終壓力可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況控制。

樁號(hào)SD51+960～SD52+170洞段以大面積線狀流水為主，滲水具有分散面廣、局部有壓、無(wú)衰減的特點(diǎn)。針對(duì)該段裂隙發(fā)育、出水點(diǎn)分散的出水特點(diǎn)，采用全斷面系統(tǒng)堵水灌漿的方法進(jìn)行灌注。在富水區(qū)兩端先做孔深6～10m的類似帷幕灌漿的阻水環(huán)，隔斷來(lái)水通道，后在阻水環(huán)之間，作系統(tǒng)灌漿。

該段沿徑向全斷面布孔，呈放射狀，梅花型布置，環(huán)間距1.5m，孔間距1.4m，孔深4.5m，如圖3。始、末端樁號(hào)各打一環(huán)類似帷幕灌漿的阻水封閉環(huán)，孔間距1.4m，孔深6～10m。阻水環(huán)灌漿孔孔深為6～10m，孔徑76，90mm，采用地質(zhì)鉆鉆孔，全孔一次性灌漿。系統(tǒng)堵水灌漿采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，孔深為2～4.5m，孔徑42，50mm，全孔一次性灌漿。系統(tǒng)灌漿以42.5#水泥漿液為主，根據(jù)情況添置水玻璃漿液，開灌水灰比為2∶1，閉漿水灰比為0.5∶1。灌漿采用0.5MPa加外水壓力的低壓力灌注，終孔的灌漿壓力不宜小于1.5MPa，最終壓力可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況控制。

圖3 水泥+水玻璃雙漿液全斷面系統(tǒng)灌漿孔位布置

2.3 化學(xué)灌漿配套堵水灌漿方案

化學(xué)灌漿配套堵水灌漿方案分別在樁號(hào)SD51+273～SD52+161、SD52+050～SD52+160洞段處實(shí)施。

其中樁號(hào)SD51+273～SD52+161洞段灌漿材料采用高聚物（改性異氰酸酯+組合聚醚），灌漿部位為隧洞掌子面及洞身段全斷面。先對(duì)底部裂隙進(jìn)行處理，在距離裂隙2m處鉆φ60孔，孔深4.5m，孔間距為1m，保證鉆孔與突涌水連通，后用纏繞麻絲的木楔封堵底部裂隙，在泄壓孔安裝1.5m長(zhǎng)雙導(dǎo)管膜袋，膜袋內(nèi)注入雙組分材料，材料在膜袋內(nèi)迅速膨脹，形成注漿塞，穩(wěn)固后向長(zhǎng)管內(nèi)注漿。底部裂隙封堵完畢后，對(duì)掌子面施作的第二環(huán)超前注漿帷幕泄壓孔進(jìn)行注漿，加強(qiáng)首環(huán)超前帷幕注漿，后進(jìn)行高聚物帷幕注漿，以30°角向外施作10個(gè)帷幕注漿孔，逐孔進(jìn)行注漿堵水。注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整，A∶B類高聚物化學(xué)原液體積比1∶1。

樁號(hào)SD51+273～SD52+160.8洞段采用聚氨酯（組合聚醚多元醇）對(duì)隧洞掌子面和洞身段全斷面進(jìn)行灌漿。先對(duì)掌子面進(jìn)行水泥+水玻璃灌漿處理，后對(duì)護(hù)盾后側(cè)超前注漿孔（泄壓孔）進(jìn)行超前注漿封堵處理。在裂隙較為發(fā)育、涌水較為集中的區(qū)域，采用25S起泡反應(yīng)、30S終凝固化的雙組分聚氨酯進(jìn)行化學(xué)灌漿，在壓力滿足達(dá)到注漿效果良好且流量每分鐘小于1L即可結(jié)束該孔灌注，打一孔灌注一孔，孔深1.5～2m，當(dāng)孔內(nèi)涌水較大或出現(xiàn)卡鉆時(shí)，可停鉆并及時(shí)灌注，按孔序從小到大實(shí)施。如圖4，圖5。

圖4 高聚物帷幕灌漿孔位布置

圖5 高聚物帷幕灌漿孔位布置

高聚物與聚氨酯化學(xué)灌漿對(duì)于洞身段的堵水方法基本一致。對(duì)單點(diǎn)出水量不太大的股狀涌水在出水點(diǎn)約0.5m處打注漿孔，注漿孔直徑16mm，深度0.6～1.2m，將注漿管楔入注漿孔內(nèi)，利用棉紗等物按壓出水點(diǎn)，臨時(shí)減小出水量，減少隨涌水流出的化學(xué)材料，如圖6。由于隧洞內(nèi)大面積線狀流水區(qū)域一般位于圍巖破碎段，節(jié)理發(fā)育且裂隙相互貫通，需對(duì)整個(gè)破碎區(qū)域進(jìn)行注漿才能達(dá)到良好堵水效果，因此采用在巖面上覆蓋土工布，土工布表層安裝專用網(wǎng)片，利用膨脹螺栓固定在巖面上后，施作貫穿整個(gè)破碎節(jié)理的注漿孔，隨機(jī)布置，注漿孔長(zhǎng)度約4m，距巖石表面1～1.5m（斜插），沿注漿孔注漿直至封堵全部裂隙。

圖6 高聚物化學(xué)灌漿堵水前后對(duì)比

3 各堵水灌漿方案綜合對(duì)比分析

因水泥單液漿方案在單獨(dú)使用時(shí)針對(duì)性強(qiáng)，針對(duì)大裂隙的涌水堵水效果差，這里不單獨(dú)列表進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。其余堵水灌漿方案在不同情況下的適應(yīng)性各不相同，通過(guò)合理選擇應(yīng)用TBM掘進(jìn)隧洞涌水封堵起到良好作用，具體對(duì)比分析情況如表1。

表1 各堵水灌漿方案對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)對(duì)各堵水方案的對(duì)比分析及現(xiàn)場(chǎng)施工的分析，目前制定出一套方案，隧洞富水區(qū)段應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出水情況限量采用高聚物化學(xué)淺層注漿，滿足TBM正常掘進(jìn)即可，當(dāng)TBM后配套通過(guò)出水點(diǎn)后進(jìn)行水泥+水玻璃深孔系統(tǒng)注漿堵水，這樣既可滿足TBM正常施工，又盡可能地節(jié)省堵水灌漿增加的工程造價(jià)，該思路方案可較為合理地解決TBM施工隧洞涌水段的封堵困難問題。