TBM穿越淺埋砂卵石涌水洞段時(shí)各類灌漿技術(shù)的應(yīng)用

謝洪

（山西東山供水工程建設(shè)管理有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

TBM 掘進(jìn)機(jī)由于具有掘進(jìn)效率高、可連續(xù)開挖等優(yōu)點(diǎn)，在水利水電工程和隧洞交通工程中有著廣泛的應(yīng)用[1]。然而，TBM 對不良地質(zhì)條件適應(yīng)性較差，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，因此，有必要對TBM 掘進(jìn)機(jī)在各類地質(zhì)條件下的施工措施進(jìn)行總結(jié)歸納。

劉海波[2，3]總結(jié)了TBM 面對涌水隧洞時(shí)，超前探水預(yù)報(bào)、鉆孔設(shè)備選型、堵水灌漿材料與工藝三大關(guān)鍵技術(shù)問題，對比分析了各類堵水灌漿方案，為TBM 施工時(shí)隧洞涌水段的封堵提供了解決思路；胡新朋[4]建立了TBM 在富水砂化斷層破碎帶掘進(jìn)施工時(shí)的預(yù)警模型，并總結(jié)出TBM 面對這種地質(zhì)條件下可采取的措施有化學(xué)灌漿、循環(huán)管棚、導(dǎo)洞開挖、迂回導(dǎo)坑，為解決TBM 通過類似地質(zhì)條件時(shí)的難題提供了良好經(jīng)驗(yàn)借鑒；秦銀平[5]研制了適用于極端復(fù)雜地質(zhì)下的TBM 掘進(jìn)機(jī)的刀盤和支護(hù)，新型掘進(jìn)機(jī)結(jié)合小導(dǎo)管化學(xué)灌漿技術(shù)提高了TBM 通過復(fù)雜地質(zhì)的可靠性；劉傳信[6]針對富水洞段提出了超前預(yù)注漿堵水的施工方法，快速有效地減少了富水洞段的涌水量，使TBM 掘進(jìn)機(jī)順利通過了富水洞段；姜彪[7]對TBM 通過斷層破碎地段時(shí)的加固方案作對比，得出化學(xué)灌漿加固方案雖然在材料成本上略高，但其加固效果較好，綜合施工成本更低；熊小瑞[8]對軟弱圍巖上的固結(jié)灌漿技術(shù)作了全面介紹，提出的隧洞固結(jié)灌漿施工方案為類似工程提供了參考。

在實(shí)際工程中，TBM 遭遇砂卵石層洞段、涌水洞段等不良地質(zhì)較為常見，但同時(shí)遭遇淺埋砂卵石與涌水洞段的情況比較少，如何快速且安全地通過此不良地質(zhì)段需同時(shí)解決涌水與圍巖破碎的問題。下文以TBM 穿越東魚溝工程為例，總結(jié)了在面對涌水與圍巖破碎問題時(shí)所采取的各類灌漿技術(shù)。

1 工程概況

東魚溝位于東山供水工程十一標(biāo)9 號隧洞，樁號YD27+470.00～YD27+070.00，影響TBM 掘進(jìn)施工的洞段主要位于樁號YD27+479.00～YD27+437.00，埋深約30.0 m。TBM 掘進(jìn)至樁號YD27+474.00～YD27+470.00 時(shí)，掌子面附近出現(xiàn)大量涌水，且底部刀盤內(nèi)出現(xiàn)大量泥沙。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，樁號YD27+483.70 洞頂為巖石；樁號YD27+479.93 掌子面右側(cè)頂部有滲水，皮帶上出現(xiàn)少量砂卵石；樁號YD27+473.80 用水量增大，掌子面右側(cè)為弧長1.5 m、厚0.8 m 的砂卵石，估測用水量144 m3/h；樁號YD27+470.86 處，掌子面右側(cè)為弧長3.8 m、厚1.5 m 的砂卵石，估測用水量250 m3/h；從樁號YD27+462.35 開始，洞身基本為巖石，但其上部圍巖較薄。

目前TBM 停機(jī)，樁號YD27+470.10，刀盤中心（洞中心）以上約0.5 m 為巖石，掌子面右側(cè)部位為弧長約4.3 m、厚2.0 m 砂卵石。為經(jīng)濟(jì)地通過此不良地質(zhì)段需同時(shí)解決涌水與圍巖破碎的問題，采用地面高壓旋噴注漿配合截水井對洞內(nèi)涌水進(jìn)行封堵及排水，采用地面化學(xué)灌漿和掌子面化學(xué)灌漿進(jìn)行加固圍巖，利用TBM自身性能進(jìn)行脫困施工。

2 高壓旋噴灌漿

地面高壓旋噴注漿的主要作用是對砂卵石涌水洞段內(nèi)的涌水進(jìn)行封堵，配合截水井的使用可以最大程度減少洞內(nèi)的后續(xù)涌水量。

該工程施工范圍8.0 m×28.0 m，建議征地范圍為施工范圍每邊外擴(kuò)5.0 m，即18.0 m×38.0 m。在機(jī)器設(shè)備正式進(jìn)場施工前，清除施工場地地表植被及下部樹根，然后整平、壓實(shí)，保障施工場地的供水、排水、供電等，提前準(zhǔn)備好旋噴施工所需的灰漿，灌漿漿液為水泥漿液，主要由水、水泥、外加劑組成。施工時(shí)先用全站儀測定控制點(diǎn)，再根據(jù)提前設(shè)計(jì)的樁位進(jìn)行放樣，保證樁孔中心移位偏差小于50 mm；然后用鉆機(jī)對測放樁位進(jìn)行鉆孔，在鉆進(jìn)過程中會產(chǎn)生10%～20%的返漿量，產(chǎn)生的廢漿通過管道系統(tǒng)排入提前設(shè)置好的沉淀池中，經(jīng)正規(guī)處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后排放。旋噴樁施工采用三管法旋噴，按照分序加密的原則布置，分別為Ⅰ序、Ⅱ序，高壓旋噴樁布置在長26.0 m 和寬8.5 m 的范圍，外圍孔成樁直徑0.8 m，樁間距0.7 m；內(nèi)部孔成樁直徑1.0 m，樁間距0.9 m，具體布置見圖1。

圖1 旋噴樁平面布置圖（單位：mm）

高壓旋噴灌漿施工主要包括鉆機(jī)鉆孔、拔出巖芯管、插入注漿管、旋噴灌漿、逐步提升旋噴管、鉆機(jī)移位等步驟，在具體施工時(shí)要在保證各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)符合規(guī)范要求之后，方可進(jìn)行下一步的工作，旋噴灌漿具體的工作流程見圖2，旋噴樁的施工技術(shù)要求見表1。

表1 旋噴樁施工技術(shù)檢查表

圖2 旋噴樁施工作業(yè)流程圖

3 地面化學(xué)灌漿

化學(xué)灌漿能固結(jié)已經(jīng)被水流流失掉砂土的松散砂卵石圍巖，從而能使TBM 正常掘進(jìn)，不發(fā)生圍巖坍塌卡機(jī)卡盾事故；其次，能快速封堵住砂卵石圍巖富含水段繼續(xù)往洞內(nèi)滲漏；最后，再對該段松散破碎圍巖的洞內(nèi)管片襯砌進(jìn)行注漿錨固，提高管片襯砌的有效支護(hù)效果。

根據(jù)化學(xué)灌漿單孔輻射范圍大（孔間距可控制在2.5～3.0 m 之間），造孔數(shù)量大大減少，且作業(yè)時(shí)間短，建議首先采用化學(xué)發(fā)泡灌漿（發(fā)泡比例控制在15～25 倍）加固處理，隨后采用TBM 掘進(jìn)通過。根據(jù)工期的需求，洞外化學(xué)灌漿加固范圍初步定為長×寬×高=10.0 m×7.5 m×5.0 m。橫向3 孔，縱向4 孔，初步加固12 孔，鉆機(jī)造孔平均單孔速度約為2 h，各孔編號由縱橫排、列號組成（例如A 排1 列，編號為A-1，以此類推）。結(jié)合化學(xué)灌漿流動性大的特點(diǎn)，為充分提高鉆機(jī)鉆進(jìn)速度，可采用跳孔鉆孔，第一批先鉆6 孔，待化學(xué)灌漿完成后，再鉆第二批孔，每孔按40%孔隙率，單孔灌漿量約0.8 t。另外，由于管片外松散料和側(cè)向塌空腔的存在，砂礫石地層安裝的管片有偏壓失穩(wěn)的可能，為了保證管片襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，TBM 通過后，應(yīng)及時(shí)采取限量化學(xué)灌漿回填加固圍巖，每環(huán)灌漿量限制在3組120 kg左右。為保證砂礫石地層洞段的長期穩(wěn)定運(yùn)行，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求適時(shí)進(jìn)行固結(jié)灌漿和堵水灌漿?；瘜W(xué)注漿孔布置見圖3。

圖3 化學(xué)注漿孔布置示意圖（俯視圖）（單位：mm）

地面化學(xué)灌漿是從地面旋噴鉆孔實(shí)施注漿封堵隧洞上部砂卵石滲漏水通道，采用的材料和相應(yīng)技術(shù)為瑞諾系列堵水材料和配套的注漿設(shè)備工藝。材料的具體性能參數(shù)見表2。

表2 瑞諾堵水材料性能參數(shù)表

瑞諾堵水材料由于不易被水分散，所配套的注漿設(shè)備可以把漿液較好地滲透到較小的縫隙中，且固結(jié)后體積不易收縮，因此對滲漏水通道的封堵能力較強(qiáng)。

按照注漿控制隧洞上部滲漏水圍巖范圍（以隧洞軸中心線）：寬7.5 m、長10.0 m。注漿孔孔間距和排間距定位2.5 m 左右。注漿孔內(nèi)注漿管連接方式：距離隧洞上部5.0 m 左右放封孔器，封孔器以里采用塑料注漿管（注漿管每隔5 cm 有出漿孔、注漿管端頭密封不出料），封孔器以外采用高壓無縫鋼管（4 分管及DN10 管），直到地表連接到注漿槍和注漿泵。

4 洞內(nèi)化學(xué)灌漿

為加固掌子面，提高掩體完整性，保證TBM的正常掘進(jìn)，進(jìn)行洞內(nèi)化學(xué)灌漿是必要的。洞內(nèi)灌漿包括掌子面化學(xué)灌漿施工和洞內(nèi)圍巖加固灌漿。

對TBM 刀盤處鉆孔進(jìn)行化學(xué)灌漿以固定掌子面，鉆孔設(shè)備采用風(fēng)鎬頂進(jìn)或采用YT28 手風(fēng)鉆鉆孔，化學(xué)灌漿管采用DN15 無縫鋼管、DN10 玻璃鋼管或PVC 管，要求前部做成花管，采用限量灌漿，達(dá)到掌子面穩(wěn)定即可。由于管片外松散料和側(cè)向塌空腔的存在，砂礫石地層安裝的管片有偏壓失穩(wěn)的可能，為了保證管片襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，TBM 通過后，應(yīng)及時(shí)采取限量化學(xué)灌漿回填加固圍巖，保證洞內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

上文結(jié)合實(shí)際工程案例，總結(jié)了TBM 穿越淺埋砂卵石涌水洞段所采取的各類灌漿技術(shù)。通過利用高壓旋噴樁注漿進(jìn)行封堵，其中高壓旋噴樁的布置是封堵水的關(guān)鍵；通過地面化學(xué)灌漿與洞內(nèi)掌子面化學(xué)灌漿加固圍巖，其技術(shù)關(guān)鍵是化學(xué)灌漿既要達(dá)到加固圍巖的作用，還必須保證機(jī)頭不被粘住。各類灌漿技術(shù)的合理利用，保證了TBM 掘進(jìn)機(jī)安全順利地通過此不良地質(zhì)段，該工程施工過程中所使用的灌漿方法及灌漿孔布置方法對同類型工程的灌漿施工具有一定的參考價(jià)值。