基于TBM工法施工用堵漏漿液研制

翟梁皓， 陳 晨， 吳景華， 張 晗

(1.吉林大學建設工程學院，吉林 長春 130012； 2.自然資源部復雜條件鉆采技術重點實驗室，吉林 長春 130012； 3.吉林大學極地研究中心，吉林 長春 130012； 4.長春工程學院，吉林 長春 130012)

0 引言

TBM在掘進中能夠根據圍巖變化不斷調整掘進姿態和參數，掘進速度極快，一般可達同等條件下鉆爆法的4～6倍。還具有全斷面開挖、精確超欠挖控制以及對環境影響小等優勢[1]。

TBM工法可以實現在掘進的同時完成支護，但是該工法作為一種全新的隧道施工方式卻存在著無法逾越的“瓶頸”[2]。(1)開敞式TBM對硬巖有很強的適應性，但在軟弱圍巖中由于開敞式TBM無法對暴露的巖壁進行足夠的支撐，出現由于圍巖變形而失穩；(2)由于其為全斷面開挖，無法對掌子面進行直接處理，因此TBM工法處理工程地質災害的靈活性遠不如傳統鉆爆法[3]。

吉林省內某隧道施工項目中，根據前期勘測資料表明，在隧道沿線的低洼淺埋段，易與地表水發生連通，可能會存在涌水問題。實際調研中發現，涌水災害是該工程面臨的主要地質問題。

涌水災害洞段施工對本項目造成的影響主要包括：(1)在動水壓力作用下，掌子面巖體失穩，刀盤滾刀的貫入度瞬間增大，造成刀具非正常磨損加劇和驅動電機的超負荷運轉，進而使得TBM頻繁停機[5]；(2)淹沒機體，當涌水量超過自身攜帶設備的排水極限時，會威脅洞內工作人員的生命安全[6]；(3)TBM掘進的動力來自于巖壁的反作用力，圍巖與水接觸浸泡后軟化，TBM撐靴系統不能為掘進系統提供足夠的支撐反力，使得TBM極易被困[7]。

實地調研發現，現場灌漿多采用純水泥漿液，注漿量大且效果不好，經常出現竄漿等現象導致漿液流失浪費嚴重。此外，無可控性純水泥漿液注入后不能及時開始工作，在動水力作用下純水泥漿液的穩定性也無法保證。因此，該調研項目急需一種可控漿液，該漿液可滿足在預定時間失去流動性而迅速凝固，具有良好的水穩定性和低滲性，達到堵塞涌水通道，減少漿液用量的目的。

1 堵漏漿液研制

開敞式TBM工法施工時，(1)堵漏漿液采用洞外拌合，洞內運輸的方式，到達工作面后，再進行漿液的注入，因此，漿液運輸期間需要保證一定的流動性即可泵期的要求[10]，根據工程實際情況，漿液拌和后運輸時間約為30 min；(2)漿液泵入后希望能盡快失去流動性，封堵周圍地下水的補給通道，減少因封堵涌水而停機的時間，因此，漿液需要在可泵期的基礎上，滿足初凝時間盡量短的要求[11]；(3)由于開敞式TBM工法掘進和襯砌施工是獨立進行的兩個不同階段，兩個階段一般間隔時間較長[12]，堵漏漿液形成的結石體需具有一定的抗壓強度，否則，形成的結石體極易破壞。

1.1 漿液配方研制

初步選定的配方有3組：第一組：水泥、粉煤灰、水、硫酸鐵[Fe2(SO4)3]、鋁酸鈉(NaAlO2)；第二組：水泥、粉煤灰、水、磷酸氫二鉀(K2HPO4)、鋁酸鈉(NaAlO2)；第三組：水泥、水、酒石酸(C4H6O6)、鋁酸鈉(NaAlO2)、水解聚丙烯酰胺(PHP)。在固定水灰比為0.59，以可泵期30 min來確定可控堵漏漿液的初選配方。

1.1.1 配方一的可泵期、初凝時間的測試

第一組配方通過調節不同組分的含量，可得配方一的初選配方為：水泥、粉煤灰、水、Fe2(SO4)3、NaAlO2，嘗試進行多組試驗后，該組配方的可泵期約為30 min，初凝時間約為326 min。

1.1.2 配方二的可泵期、初凝時間的測試

第二組配方通過調節不同組分的含量，可得配方二的初選配方為：水泥、粉煤灰、水、K2HPO4、NaAlO2，嘗試進行多組試驗后，該配方的可泵期約為33 min，初凝時間約為455 min。

1.1.3 配方三的可泵期、初凝時間的測試

第三組配方通過調節不同組分的含量，可得配方三的初選配方為：水泥、水、C4H6O6、PHP、NaAlO2，嘗試進行多組試驗后，該配方的可泵期約為30 min，初凝時間約為109 min。

1.1.4 初選配方

根據上述數據可知，配方一和配方三的可泵期為30 min，滿足工程施工的要求。同時，配方三的初凝時間為109 min，配方一的初凝時間為326 min，配方三漿液注入后2 h內即可實現對涌水通道的封堵，減少停機時間。因此，確定配方三為初選配方。

1.1.5 正交試驗

為獲得優化配方，采取正交試驗對組分含量進行優化。正交試驗設計為三因素三水平試驗，根據初選配方確定正交試驗因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平

對表1中所示的配方進行正交試驗，正交試驗及試驗結果如表2所示。

根據各因素對可泵期時間的影響進行極差分析，確定主次因素。極差分析結果如表3所示。

表2 正交試驗及試驗結果

表3 各組分對可泵期影響的極差分析

由表3可知，各組分對初凝時間影響的主次因素依次為：PHP、酒石酸(C4H6O6)、鋁酸鈉(NaAlO2)，根據上文所述，將可泵期時間暫定為30 min，因此可得配方為C3A3B2。

同理，根據各因素對初凝時間的影響進行極差分析，確定因素的主次因素。極差分析結果如表4所示。

表4 各組分對初凝時間影響的極差分析

由表4可知，各組分對可泵期時間影響的主次因素依次為：鋁酸鈉(NaAlO2)、酒石酸(C4H6O6)、PHP，根據上文所述，擬定漿液過可泵期后盡快達到初凝，因而取初凝時間最短為優，可得配方為B1A1C3。

1.1.6 確定該配方漿液的最優配方

以可泵期和初凝時間為標準對兩組配方進行測試，結果如表5所示。

表5 配方性能比較

由表5可得，配方B1A1C3測得的可泵期為15 min，不能滿足現場的運輸條件，在抵達工作面之前該漿液就因失去流動性而無法泵注。因此，對比分析兩組配方后可能配方C3A3B2為該治理漿液的最優配方。最優配方為：水灰比0.59、酒石酸(C4H6O6)0.25%、PHP溶液3.0%、鋁酸鈉(NaAlO2)1.6%。

1.2 最優配方漿液的性能評估

1.2.1 配方漿液的析水率測試

漿液材料按照配方混合后進行攪拌，固體顆粒呈懸浮的狀態，當漿液進入洞內長時間運輸或運輸過程中罐車攪拌不充分時，固體顆粒會逐漸沉淀。為了保證漿液運輸過程中的穩定性以及保證漿液注入后能夠充分填充巖體內的軟弱結構面，需要對研制的配方漿液進行析水率測試。如果漿液析水率<5%時，該漿液為穩定性漿液，否則為非穩定性漿液[14]。

將各組分按照優選的配方進行混合并充分攪拌后倒入量筒中，將量筒放在水平處30 min，觀察并測量量筒內析出水的體積。測得配方漿液的析水率為1.5%，析水率<5%，為穩定性漿液。

1.2.2 配方漿液終凝后抗壓強度測試

為了提高研制的可控水泥漿液對實際工程的適應性，測試配方漿液凝固后的強度，防止由于結石體強度過低而產生其他次生災害，對達到終凝狀態的漿液結石體抗壓強度進行測試。與現場工作人員交流后，得知工程現場發生突涌水災害洞段的埋深較淺，地應力較小，要求配方漿液終凝時抗壓強度至少為0.70 MPa。抗壓強度測定采用萬能材料試驗機進行，試塊的尺寸為7.7 cm×7.7 cm×7.7 cm，脫模并養護，對其終凝狀態、7 d、28 d時的抗壓強度進行測量。

配方漿液達到終凝狀態后測試的壓力曲線如圖1所示。結合試塊的實際尺寸，求得配方漿液終凝時的抗壓強度為0.84 MPa。

配方漿液結石體養護7 d后測試的壓力曲線如圖2所示。結合試塊的實際尺寸，求得配方漿液7 d后的抗壓強度為17.12 MPa。

圖1 配方漿液終凝時抗壓強度曲線

圖2 配方漿液結石體養護7 d后抗壓強度曲線

配方漿液結石體養護28 d后測試的壓力曲線如圖3所示。結合試塊的實際尺寸，求得配方漿液28 d的抗壓強度為17.70 MPa。

圖3 試塊養護28 d后抗壓強度試驗曲線

對抗壓強度試驗結果分析可得：試塊終凝時的抗壓強度為0.84 MPa，最終的抗壓強度維持在17 MPa左右。研制的漿液終凝時結石體的抗壓強度>0.70 MPa，因此，該漿液可以滿足實際工程的要求。

1.2.3 漿液結石體滲透系數測試

為了測試配方漿液結石體的透水性，提高對涌水災害的治理效果，需要測試漿液結石體的滲透系數。根據TBM工法實際情況，采用注漿止水后，需要較長的時間才能進行最終襯砌的施工，因此，漿液結石體的滲透系數決定了研制漿液的治理效果，因此，要求終凝狀態下的配方漿液結石體滲透系數<9.9×10-6cm/s。

試驗采用FWP-B 型柔壁滲透儀進行測試。測試時，試樣高度為12 cm，直徑為6.4 cm，圍壓為253.71 kPa，滲透壓為220.25 kPa。為了保證測試結果的準確及延長試驗器材的使用壽命，試驗用水均為蒸餾水。最終測得漿液終凝后的滲透系數為7.19×10-6cm/s<9.9×10-6cm/s，本次試驗選取的是終凝時的漿液結石體，隨著漿材進一步凝結和硬化，結石體的滲透系數會持續減小，最終維持在更低的水平。因此，該配方漿液結石體的滲透系數能夠滿足工程現場的需求。

2 配方漿液堵漏性能室內模擬試驗研究

2.1 進行室內模擬試驗的目的與變量選取

調研的項目中多數需要在隧道拱頂進行注漿，結構面傾角多以陡傾角為主，揭露的結構面平均寬度>10 mm[15]。為了提高研制漿液與工程的適應性，對漿液進行模擬試驗。選取結構面寬度為12 mm,傾角分別為70°和90°的情況進行室內模擬試驗，測試配方漿液的實際堵漏效果[16]。

模擬試驗預采用高溫高壓動靜態堵漏試驗儀如圖4所示。

圖4 堵漏試驗儀設備組成

高溫高壓動靜態堵漏試驗儀的物理模型由兩塊鋼制材料拼接而成，且能夠隨時拆卸。兩塊鋼材中間設置不同形狀和寬度的縫隙，用以模擬真實地層中的裂縫。堵漏試驗儀的物理模塊如圖5所示。

圖5 堵漏試驗儀的物理模塊

2.2 模擬試驗結果及分析

如圖6所示，第一組試驗選取的物理模塊中裂縫寬度12 mm，模擬傾角為70°第一組試驗的封堵效果、濾失量、進口壓力如圖7～9所示。

圖6 第一組模擬試驗

圖7 第一組試驗堵漏效果

圖8 第一組試驗的濾失量曲線

圖9 第一組試驗進口壓力曲線

第一組試驗中，漿液的成型長度為12.50 cm。從圖8可以得出，當模擬試驗開始注漿30 s后，總濾失量維持在一個穩定的水平。從圖9可以看出，當注漿時間為44 min時，進口壓力曲線陡增，上述情況均表明已將物理模塊成功封堵。

如圖10所示，第二組試驗選取的物理模塊中裂縫寬度12 mm，模擬傾角為90°。

圖10 第二組模擬試驗

第二組試驗的堵漏效果、濾失量、進口壓力如圖11～13所示。

圖11 第二組試驗堵漏效果

第二組試驗中，漿液的成型長度為13.00 cm。從圖12可以得出，當模擬試驗開始注漿70 s后，總濾失量維持在一個穩定的水平。從圖13中可以看出，在該組試驗中，當注漿時間為39 min時，進口壓力曲線陡增，上述情況均表明已將物理模塊成功封堵。

圖12 第二組試驗濾失量曲線

圖13 第二組試驗進口壓力曲線

2.3 室內模擬試驗結果分析

在進行的兩組試驗中，第一組試驗開始注漿30 s(第二組70 s)后，濾失量便維持在穩定水平，表明漿液已經在物理模塊內逐漸成型；隨著時間增加，當第一組試驗進行44 min(第二組試驗39 min)時，物理模塊注入口壓力陡增，表明物理模塊縫隙已被漿液完全填充和封堵；結合圖7和圖11，將物理模塊打開后，內部成型長度分別為12.5 cm和13 cm。因此，以上兩組試驗結果均表明研制的漿液已經成果將物理模塊成功封堵，配方漿液對大角度裂隙有良好的封堵效果，可以滿足實際工程的要求。

3 研制漿液工程現場實際應用情況

由于研制的涌水災害治理漿液并沒有在工程項目上進行普遍的應用，因此，為了驗證所研制漿液的實際應用效果，與現場施工人員進行溝通后，將治理漿液在洞內指定的出水點進行小型的灌注測試。在現場將研制的漿液灌入孔內約50 min后，注漿壓力達到0.5 MPa，注漿率<1 L/min，已經達到停泵條件，表明研制漿液已經對該涌水點進行了成功封堵。此外，與該涌水點附近采用傳統漿液進行處理的注漿孔相比，漿液用量大幅降低，因此，該配方漿液對調研工程涉及的涌水災害治理具有一定的使用價值和經濟價值。注漿前后的封堵效果如圖14所示。

圖14 研制漿液注漿前后封堵效果

4 結論

本文針對純水泥漿治理工程現場涌水事故效果不佳的問題，研制了一種具有良好可控性的堵漏漿液。根據現場漿液采用洞外拌和、洞內運輸的情況，將30 min作為可泵期對配方進行初選，利用正交試驗獲得了最終優選配方，并對其進行了性能測試和模擬試驗，最終在工程現場某涌水點進行封堵后取得了良好的效果。得到的結論如下：

(1)根據正交試驗，獲得該組配方漿液的最優配方為：水灰比0.59、酒石酸(C4H6O6)0.25%、PHP溶液3.00%、鋁酸鈉(NaAlO2)1.60%。

(2)對配方漿液的性能進行了測試，配方漿液的析水率為1.5%，為穩定型漿液；漿液結石體終凝、7 d、28 d的抗壓強度分別為0.84、17.12、17.70 MPa；配方漿液終凝后的滲透系數為7.19×10-6cm/s。為進一步驗證研制漿液的封堵效果，對配方漿液進行了模擬試驗，從模擬實驗物理模型中測量配方漿液成型長度、濾失曲線及進口壓力曲線表明，所研制的漿液對物理模型具有良好的封堵效果。

綜合性能測試和模擬試驗結果，可以說明所研制的漿液對該項目中的突涌水災害的治理具有良好的適用性，可以滿足實際工程的需要。

(3)從現場堵漏效果可以看出，由于該出水點后期涌水量突然增大，導致洞壁坍塌，因此，選擇注漿的基礎上進行了鋼拱架的施工。從圖14中可以看出，對該出水點進行注入本文研制的漿液后，短時間達到停泵條件，對出水點進行成功封堵，漿液結石體與圍巖形成共同的承重結構，阻止了圍巖進一步變形。封堵效果表面該漿液能夠滿足該工程需要，具有一定的工程應用價值。