某輸水隧洞工程不良地質洞段施工處理

閔建忠

(中國葛洲壩集團第三工程有限公司，陜西 西安 710065)

某輸水隧洞工程，全長41.823km，進口段約9km采用鉆爆法施工，其余約32km由2臺開敞式TBM施工，TBM開挖直徑6.5～6.8m。TBM施工隧洞巖石抗壓強度30～180MPa，III類圍巖占比約53%，IV類及V類圍巖占比約29%。隧洞最大埋深約2300m，縱坡坡度為0.18%；洞徑5.3m，圓形斷面，無壓流，現澆鋼筋混凝土襯砌，采用開敞式TBM掘進和鉆爆法相結合的施工方式，一次開挖及支護完成后再進行二次襯砌，特殊地質洞段根據設計要求進行二次襯砌。

大埋深、大坡度、長洞段是該隧洞典型的工程條件特征。該隧洞施工難度大，工程地質條件復雜，存在大變形、高地壓、高承壓水、突涌水等施工風險，需穿越斷層破碎帶、蝕變帶等不良地質洞段。本文就TBM掘進洞段遇蝕變帶不良地質條件采取的施工措施及取得的效果進行簡要論述。

1 工程地質條件

1.1 設計地質

根據設計圖紙可知該段屬山間壓陷盆地，地形起伏大，物探測試此段為高阻區，構造帶處視電阻率明顯較低，大部分洞段蝕變巖不發育，破碎帶附近存在蝕變巖問題；存在一處英安斑巖(英安質晶屑熔巖)與二長花崗巖(花崗閃長巖)的不整合接觸帶，此段為Ⅳ-Ⅴ類圍巖。

1.2 揭露工程地質

圍巖巖性為花崗巖，灰白色，巖體破碎，夾雜大量的較大石塊，石塊強度較高，石塊間充填大量松散體，松散體以巖屑、砂、泥等細顆粒為主，穩定性差，受掘進擾動隨滲水大量涌出后，石塊形成鑲嵌結構。

此段不良地質洞段圍巖整體出水嚴重，出水以線流、股狀為主，隧洞出水主要分布于頂拱及右側，最大出水量達141.3m3/h，目前水量穩定至50～70m3/h。

1.3 超前地質預報情況

隧洞掌子面前方段存在斷層破碎區，圍巖整體逐漸變差，存在較大的斷層導水突泥風險。

1.4 地表踏勘情況

通過對掌子面地表一帶地質踏勘，出露地層情況復雜，北側為灰白色中細粒花崗閃長巖，巖石地貌上呈高山，巖體較為完整，向南變為淺肉紅色中粒二長花崗巖，二長花崗巖內破碎程度大于花崗閃長巖，且在接觸部位存在有蝕變現象。灰黑色英安斑巖主要呈脈狀侵入于北側二長花崗巖與南側大理巖之中，英安斑巖工程性質較好，巖石硬度大，抗風化侵蝕能力強。地表有溪流經過，與隧道軸線方向幾乎垂直，流量約為0.2m3/s，與隧道交叉處下游約2km處地表徑流消失，根據地表徑流情況，洞內出水疑受地表水補給。

1.5 不良地質洞段預測

根據采用三維地震與激發極化法探測結果及TRT方法、單孔聲波檢測法、全孔壁數字成像法等超前地質預報檢測手段的預報結果，結合現場施工情況，綜合認為前方不良地質長度在60m以上。

2 采用管棚施工方法

2.1 第一循環

自進入不良地質洞段開始，TBM掘進過程中從人孔處涌出的泥石混合物數量急劇增加，期間多次啟動刀盤時人孔均流出大量混合物，并將TBM主機區域1號皮帶壓停，其中，某日凌晨啟動刀盤過程中(尚未推進，轉速為0.2rpm)主梁人孔瞬間涌出約80m3泥石混合物(如泥石流)，將主梁下部填滿。采用正常模式啟動刀盤時，人孔瞬間涌出大量泥水混合物，約150m3，TBM掘進被迫停止。為保障施工安全，防止出現大面積坍塌，開始進行管棚施工。

采用化學灌漿和HC注漿材料對護盾尾部圍巖加固完成后，對護盾尾部的隧洞進行擴挖，擴挖后安裝DMY- 135頂錘式管棚鉆機打設長8mΦ51自進式管棚35根，進行護盾及刀盤上部圍巖化灌固結，固結完成后打設Φ76自進式管棚36根，并進行HC灌漿施工，施工完成后對擴挖段進行回填，TBM設備掘進通過。

2.2 第二循環

在護盾尾部擴挖長3.5m鉆機工作室，采用阿特拉斯1838鑿巖機沿隧洞上半圓，按間距70cm，施做11根長8mΦ25自進式中空注漿錨桿，注化學漿液，起到保護刀盤和護盾作用。

采用ZM- 90鉆機依次施做11根，長8m，Φ146跟管，間距70cm，外插角2°，完成后依次穿過跟管向前鉆進，每段長6m，分段進行灌漿加固，反復掃孔和灌漿，直至加固范圍到達40m左右。

根據注漿完成后探測孔的檢查情況，施作Φ146跟管，跟管長度為30m，跟管施工完成后插入Φ108管棚，拔出Φ146跟管后對Φ108管棚進行注漿。

2.3 第三循環

第二循環掘進過程中揭示圍巖情況為：圍巖巖性主要為花崗巖，并伴有不同程度蝕變現象，巖石顯性節理和隱性節理極發育，且雜亂無章，自穩能力極差，強度較高的小塊孤石、飄石較第一循環圍巖數量減少，巖石間空隙由大量小顆粒物質填充，根據顆分報告顯示，渣樣的基本均在10mm以下。

掘進過程中刀盤內局部位置有線狀和股狀出水現象，但幾乎沒有出現水流引起的涌泥、涌砂現象，證明第二循環注漿起到一定固結圍巖和止水并改變水路的作用。

通過總結第一、第二循環經驗，繼續調整施工方法，采用阿特拉斯1838鉆機鉆孔對護盾上方與刀盤部位采用化學灌漿進行固結，采用ZM- 90管棚鉆機施工管棚，管棚安裝完成后進行大循環注漿施工，施工完成后對擴挖段進行回填，TBM設備掘進通過，根據情況重復進行此項施工。

3 施工總結

3.1 第一循環

管棚注漿共分7次施工完成，施工中采用間隔注漿方式，共計施工Φ76管棚22根，Φ42管棚13根，共計注入HC材料75.65t，其中最大注入量為9.5t，最小注入量為0.45t，注漿施工共計耗時38.5h，其中最長、最短耗時分別為：330min、13min，最大注漿壓力為5.6Mpa，管棚施工注漿情況如圖1所示。

圖1 第一循環管棚施工注漿量分布(單位：m3)

根據護盾后方圍巖情況，原12點與1點半位置均滲水嚴重，均為股狀出水，其中12點位置滲水大于1點半，注漿施工完成后滲水得到了明顯的封堵，緊貼護盾后方基本無滲水，滲水較多地出現于擴挖段位置。管棚施工完成后掘進時人孔無石渣流出，拱頂掉塊塌落深度較管棚施工前出現明顯改善，盾尾出漏圍巖可以見明顯的漿液固結圍巖情況。

上述情況說明：采用HC雙液漿進行灌注，達到堵水、改變水流路徑的目的，采用的柱塞泵+計量泵設備和相配合的灌漿工藝很適合巖層破碎并伴有出涌水的地質加固；高壓注漿達到了預期效果。第一循環管棚施工總耗時63d，掘進11.7m。

3.2 第二循環

第二循環管棚施工共計完成鉆孔41根，其中：護盾與刀盤上部固結鉆孔11根(Φ25自進式中空注漿錨桿，共88.5m)、超前圍巖改良預注漿鉆孔11根(成孔445.5m，其中Φ146跟管82.5m，Φ100裸孔363m，加上反復掃孔共計鉆進1518m)、探測孔8根(共212m，Φ146跟管15m，Φ100裸孔197m)、管棚鉆孔11根(共309m，Φ146跟管108m，Φ108跟管54m，Φ108裸孔(內插108鋼管24m)147m)，累計注入化學灌漿材料5.87t、HC材料78.64t(47.18m3)、水泥5.85t(4.1m3)。

圖2 第二循環化學灌漿注漿量分布

管棚施工完成后在TBM掘進過程中刀盤主梁人孔基本無石渣流出，掘進完成后可看到漿液擴散的痕跡，施工中仍出現護盾頂部管棚下部圍巖塌落后形成的三角區域，同時掘進過程中刀盤內出現管棚鋼管。第二循環管棚施工共計耗時55d，完成掘進18.3m。

3.3 第三循環

(1)第三循環管棚施工共計完成鉆孔39根，其中：護盾與刀盤上部固結鉆孔20根(Φ25自進式中空注漿錨桿，共210m)、超前圍巖改良預注漿鉆孔19根(成孔585.2m，Φ130裸孔431.2m，Φ146裸孔154m，孔內插入Φ108跟管570m)、探測孔3根(共71.6m，Φ130裸孔10m長1根，30.8m長2根)、累計注入化學灌漿材料16.05t(其中護盾上部圍巖固結14.85t、管棚與裸孔間隙封孔1.2t)、HC材料99.825t(59.9m3)。

圖3 第三循環化學灌漿注漿量分布

圖4 第三循環管棚注漿量統計

(2)與第一、二循環管棚施工對比。①化學灌漿。根據化學灌漿量與第一、二循環管棚施工對比(化學灌漿對比如下表)，結合護盾上部裸孔鉆進情況，化灌錨桿間距縮小后，護盾上部化學灌漿固結總體有所增強，見表1。②管棚注漿。第一循環管棚施工HC注漿總量為75.65t，加固長度為30m，平均2.52t/m；第二循環管棚施工共計注入HC材料與水泥漿84.49t，加固長度為40m，平均2.11t/m；第三循環管棚施工共計注入HC材料99.825t，加固長度為30m，平均3.33t/m。在灌漿過程中多次出現串漿現象，因此初步推斷第三循環管棚注漿施工效果較好，后續將根據施工情況實時調整管棚方案，直至通過不良地質洞段，恢復正常掘進。

表1 第一循環與第二循環化學灌漿對比

4 結論及建議

實際施工情況證明，管棚施工方法能夠保證在安全的前提下使TBM機通過不良地質洞段，但施工工期較長，成本較高，需對地質變化情況實時監測，并根據實際情況總結經驗教訓，及時調整施工方法，加強各施工工序之間的配合，在保證施工質量安全的前提下，盡量縮短施工工期和減少施工成本。