萬安溪引水工程TBM通過突涌水構造帶處置措施

陳泓騰

(福建省龍巖市水利電力工程有限公司，福建 龍巖 364000)

1 工程及TBM選型概述

龍巖市萬安溪引水工程是為解決龍巖主城區中遠期供水需求、保障城市供水安全的重大民生工程，工程輸水線路線路中有15km平均埋藏深600m，采用鉆爆沒有條件設計支洞，故采用TBM法施工，剩余近20km采用鉆爆或埋地管道型式施工。綜合工程的實際情況和國內、外已有的TBM的實踐經驗，結合隧洞圍巖、水文地質條件，以及隧洞段中黑云母花崗巖段長達9.5km，試驗抗壓強度高達226MPa等特性，選取了開敞式TBM，并創造性地采用了高壓水力射流與傳統TBM滾刀相耦合，“水刀+滾刀”的“雙刀破巖”，以降低TBM設備推力，刀具耗損，解決超硬巖石“破巖難、效率低”等問題。

2 突遇突涌水現場處置、卡機情況簡述

2020年12月3日2點4分，TBM掘進至D25+532.3時刀盤扭矩達1300kNm，轉速20.3r/min，推力6000kN，刀盤扭矩過大，刀盤被卡、自動保護停機，經檢查及查看地層情況后，采用加大刀盤扭矩至1600kN·m嘗試脫困，脫困失敗后為減少刀盤阻力，多次嘗試推進、后退操作后，TBM仍無法進入正常的操作與掘進狀態。3點50分，準備再次進刀盤檢查卡機情況，退1#主機皮帶時發現前部護盾處突現涌水及落石現象，隨即TBM整機被動后退達3m，設備橋下已安裝軌道被反推擠壓變形嚴重，為避免發生人員及設備安全事故，施工單位及時啟動應急預案，TBM緊急停機，切斷洞內高壓電源，撤離作業人員。

3 處理方案分析

3.1 突涌水形成機理分析及地質條件描述

經采用三維地震波法探測破碎帶規模，結合現場實際地質情況初步推測D25+532.5m-D25+522.5m段裂隙較發育，局部巖體破碎，為掌子面構造破碎帶影響范圍。

經綜合分析，該段為地殼構造活動形成張性富水構造帶，邊界近直立和平直的。由于掌子面圍巖失去了刀盤支撐力，地下水擊穿掌子面隔水層，同時造成掌子面與頂拱圍巖塌方，塌方體立即堵塞住刀盤，地下水壓力無處泄壓，推動TBM整機后退。

涌水塌方段情況為：掌子面巖性為灰黑色奧陶-志留系(O-S)變質砂巖；塌方巖體初估約40m3；穩定涌水量每小時約600-700m3,水流清澈，水溫約25℃，水量及水壓長時間未見明顯衰減；圍巖類別為Ⅴ類，圍巖極不穩定；涌水塌方段未見斷層特征，判斷涌水塌方段為一強富水構造破碎帶。

3.2 設備檢查維護

1)經過連續5d觀測，涌水量無明顯衰減，在保證安全的前提下，恢復洞內低壓照明，安排人員進洞排查TBM受損情況，制定恢復高壓通電、增加排水設備排水等一系列措施，在12月11日恢復了高壓通電。

2)組織專業人員對電氣系統、液壓系統、流體系統、機械系統等進行逐一排查故障并處理，通過對壁兩側開泄水槽工作、后退刀盤、拆1#皮帶等措施泄壓，清理內凱、刀盤及主機段下積渣、進入刀盤觀察刀盤前方涌水情況，修復安裝1#皮帶、油脂閥塊安裝、修復主驅動電機、主機皮帶機、主驅動齒輪油等，設備能夠基本正常運行，具備恢復掘進處理涌水斷層破碎帶條件。

3.3 涌水斷層破碎帶處理方案

根據地質超前預報結果，經過各參建單位綜合分析，確定了采用超前支護+超前預注漿+環氧預注漿固結+徑向注漿固結+加強支護+TBM掘進的處置方案

3.3.1 超前支護

超前支護采用雙層Φ32自進式中空錨桿，長短桿結合，長桿8m、外插角15°，短桿6m、外插角10-15°。首環打設位置在護盾后面，范圍135-180°，環向間距40cm，縱向每1m打設一環，注漿材料為化學預注漿堵水、環氧預注漿固結。

3.3.2 超前化學預注漿

利用超前中空錨桿注漿，注漿以化學(聚氨酯)注漿堵水為主，配合環氧注漿固結方案。化學預注漿在內層超前中空錨桿中注漿。

化學(聚氨酯)灌漿法就是利用機械的高壓動力(高壓灌注機)，將化學灌漿材料注入松散、破碎帶及巖體裂隙中，注漿最高壓力為10MPa，當雙組份高聚物材料高壓輸送到注漿孔后，聚氨酯材料快速發生反應，體積膨脹固化，自行填充脫空和滲漏水病害區域，壓實周圍松散介質，達到治理脫空或滲漏水病害的目的，從而達到堵水的目的。

聚氨酯材料為雙組份聚氨酯材料，組份A為專用樹脂，組份B為硬化劑。兩種材料的體積配比暫定為1∶1，具體以現場施工情況進行調整。實施聚氨酯注漿時，壓力達到10MPa不吸漿或施工部位不再發生漏水現象即可結束。

3.3.3 環氧預注漿固結

因聚氨酯化學預注漿以堵水為目的，凝結強度低，對軟弱、破碎、松散地質起不到固結作用，所以在進行超前化學預注漿后，再進行環氧漿液注漿，環氧預注漿在外層超前中空錨桿中注漿，采用水性環氧漿液，由水性環氧樹脂和水性環氧固化劑組成，以達到固結地質的目的。

3.3.4 徑向注漿固結

掘進完成后進行徑向注漿固結，采用φ32自進式中空錨桿，長度3m，環向間距40cm，縱向間距50cm，注漿范圍暫定240°，根據現場揭露圍巖情況進行調整。采用水泥-水玻璃雙液漿，P.O.42.5早強水泥，水灰比0.8∶1-1∶1；水玻璃模數2.6-2.8,波美度35Be；摻配比CS=0.6-1.0(體積比)。

3.3.5 TBM掘進

超前中空錨桿注漿完成后，停止12h以后，TBM低速低壓試掘進，經觀察確認無異常情況后，正常掘進施工，每循環進尺為1m左右，對護盾后方范圍采用立架、掛網、系統中空錨桿及注漿加固、噴射混凝土進行支護和加固，加固完成后方可進行下一循環。

3.3.6 護盾后方加強支護

當破碎圍巖暴露至護盾后方時，及時采取加固支護。主要為架立鋼拱架，采用HW125工字鋼，拱架間距30cm到50cm；拱架外采用鋼筋排布置，結合現場松散、破碎范圍加密布置；注漿加固；噴射C25混凝土，厚度15cm，利用TBM自帶噴漿系統進行噴射施工，因TBM前方無法進行噴混凝土作業，待TBM掘進推進后適當位置再進行噴混凝土封閉；對局部松散、破碎及易坍塌部位采用人工澆筑C30混凝土，厚度20cm，防止局部坍塌擴大；在撐靴位置澆筑C30鋼筋混凝土，混凝土內設Φ25雙層鋼筋網。

圖2 斷層處理方案施工流程圖

4 破碎帶塌腔回填及堵水施工

4.1 塌腔回填

TBM掘進通過破碎帶時，先期僅在掌子面注漿一部分，臨時支護后緩慢通過，隨著TBM通過破碎帶，整個塌腔暴露在臨時支護上方，由于TBM前方空間狹小，施工機械無法展開對塌腔進行灌漿回填加固，故在保證安全的前提下，繼續掘進，待塌腔移至后配套處，再開展灌注聚氨酯材料施工，對塌腔部分進行回填加固、堵水施工[1]。

4.2 破碎帶堵水施工

由于該段破碎帶涌水量一直沒有呈現明顯衰減現象，為減少洞內涌水對施工影響，待TBM掘進至錯車平臺處再進行堵水施工。

4.2.1 測量放樣，精確將鉆孔位置標注在引水洞洞壁上，利用人工搭設的腳手架平臺架設好H-100型潛孔鉆，測設好偏離角度，按照序號依次進行鉆孔作業。(注漿、泄水鉆孔順序按設計進行)

圖3 泄水孔布置圖

圖4 注漿孔斷面圖

圖5 注漿孔布置、施工順序圖

4.2.2 注漿

利用鉆孔注漿，先將注漿鋼管伸入已鉆好的鉆孔前方，注漿以化學(聚氨酯)注漿堵水為主，水泥-水玻璃雙液漿為輔。化學(聚氨酯)灌漿法就是利用機械的高壓動力(高壓灌注機)，將化學灌漿材料注入松散、破碎帶及巖體裂隙中，當漿液遇到裂隙中的水分會迅速分散、乳化、膨脹、固結，形成膠凝體達到堵水的目的[2]。

堵水施工完后，涌水量減少約30%左右，剩余水量通過自流及集中引排方式處理。

5 結 語

隧洞內出現突涌水是比較常見的地質災害，在TBM法施工的隧洞，遇見不良地質條件，對施工安全、質量、進度、費用都將造成較大影響。萬安溪引水工程TBM工區是控制性工程，文章闡述的約8m的突涌水破碎帶處置前后施工了5個多月，通過此段的涌水處理，為后續TBM 施工突遇不良地質條件積累了處理經驗：①突遇險情要及時采取應急措施，停機、撤離人員、穩定觀測，以及應急搶險等，將損失控制到最小；②施工過程要做好預案措施，要認真分析隧洞的區域地質情況及當前施工段的工程地質、水文地質情況，為下一步施工方案提供依據；③做好應對措施，制定處理涌水的施工方案，通過對各種可行的施工方案判斷風險程度，選定相對可靠、對施工進度影響最小的方案，同時能使施工安全得到保障，投資得到有效控制。