地表預注漿加固TBM 施工隧洞淺埋沖溝段施工效果分析

劉 攀

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊830000)

0 前言

新疆某隧洞引水工程因地質地形等因素的影響，要穿越破碎淺埋區，且淺埋區內斷層、裂隙比較發育，對洞室穩定產生較大影響，存在重大的安全隱患。注漿法是一種利用壓力將可固化水泥基漿液或其他漿液壓入至破碎巖石區或基巖裂隙內，以改善其物理力學性能的處理方法。今年來，該處理方法廣泛應用在圍巖地質條件差、淺埋等隧洞段的圍巖加固[1～3]。

本文結合地表預注漿加固巖體[4～5]在新疆某隧洞引水工程中沖溝淺埋段的應用，通過現場試驗分析其加固效果。

1 工程背景

新疆某隧洞引水工程TBM4 施工隧洞全長12.8 km，埋深為6 m～110 m，平均埋深34 m，共穿過18 個地質斷層帶。該TBM 施工段落位于剝蝕構造低山丘陵區，地形開闊、略起伏，分布高程670 m～780 m，相對高差約110 m。該TBM 開挖直徑為7.8 m。目前，TBM 掘進至樁號109+932 m，距離第一個淺埋沖溝地質段（編號103#沖溝）約230 m。該沖溝段中心點樁號109+703 m，地表至隧洞頂約8.2 m，巖層為黑云母斜長片麻巖，為V 類圍巖，透水率10 Lu～15 Lu。結合現場地質情況和TBM掘進進度，預計到達103#沖溝時間為3 月底，正是當地融雪山洪季節，地表產生洪流，對洞室穩定性影響極大。

為保證人員及TBM 掘進施工安全，避免出現大規模塌方、TBM 主機被埋等情況，決定針對該沖溝段，采用地表注漿加固的方案進行超前處理，以提高圍巖整體性及強度，降低圍巖裂隙的透水性，改善隧洞的成拱效應，進而達到施工安全的目的。

2 地質條件

103#沖溝內主要發育f41 斷層，該斷層規模較大，破碎帶寬度10 m～15 m，產狀為53°NW∠80°～85°，斷層走向與洞線夾角85°～87°，在洞內延伸長度約15 m～18 m，對洞室穩定影響較大，103#沖溝內以黑云母斜長片麻巖、碎裂巖為主，圍巖類別為V 類。洞內地下水以基巖裂隙水為主，斷層破碎帶洞壁會產生線狀水流現象，估算隧洞段總涌水量456 m3/h，施工應加強排水措施。根據地下水質分析成果資料反應，地下水中SO42-含量257.4 mg/L～776.2 mg/L，CL-含量138.3 mg/L～424.4 mg/L，對混凝土具有弱～強腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具有弱腐蝕性，對鋼結構具有中等腐蝕性，需采取防腐措施。

3 地表預注漿施工方案

3.1 注漿材料

注漿漿液采用水泥單漿液，由稀變濃逐級變換，漿液水灰比按2∶1、1∶1、0.5∶1 三個比級，開灌比2∶1，具體應根據現場試驗確定。注漿水泥采用活性高，出廠日期不超過3 個月42.5R 型的抗硫酸鹽鹽水泥。

注漿過程中需根據不同情況，進行漿液濃度的調整。漿液調整原則為：（1）若某濃度漿液的注入量超過300 L，而漿液注入率、注漿壓力等無明顯改變，應調高一級漿液濃度；（2）若漿液注入時間達到30 min,漿液注入率、注漿壓力等無明顯改變，應調高一級漿液濃度；（3）若漿液注入率超過30 L/min 時，可視具體情況越級調整漿液濃度；（4）若注漿過程中，壓力保持不變,而漿液注入率持續減小,不得調整漿液濃度。

3.2 注漿范圍、注漿孔布設

注漿范圍主要根據ZK-103 鉆孔揭露地質以及沖溝構造情況，同時結合TBM 施工等因素綜合考慮確定。最終確定平面注漿范圍為：沿隧洞軸線放線加固長度50 m（樁號109+678 m～109+728 m）,隧洞軸線法線方向兩側各加固6 m。豎向注漿范圍為：TBM 開挖洞頂以上注漿深度5 m，隧洞開挖線外的注漿至洞底以下2 m，隧洞開挖線范圍內注漿至隧洞拱頂1 m。固結灌漿鉆孔布置平面圖及剖面圖見圖1。

圖1 固結灌漿鉆孔布置平面圖及剖面圖

根據現場注漿擴散半徑，確定注漿孔的孔排距為3 m，鉆孔終孔直徑為50 mm～100 mm。

3.3 沖洗鉆孔

沖洗鉆孔的方法可采用敞開式水沖洗、風沖洗以及聯合沖洗等，具體可根據實際地質條件、現場注漿試驗等確定。

水沖洗壓力可取注漿壓力的80%，若大于1 MPa，取1 MPa。采用水沖洗時，回水清澈后10 min 停止沖洗，且單孔沖洗30 min 以上，串通孔沖洗2 h 以上。若鄰近孔正在注漿或者鄰近孔注漿結束時間低于24 h，不得沖洗鉆孔。

3.4 壓水試驗

沖洗鉆孔結束24 h 內進行壓水試驗。每個注漿段中選取5%的Ⅰ序孔進行壓水試驗，該注漿段中剩余孔可進行簡易壓水試驗，順序由先導孔至檢查孔依次進行。

壓水試驗時間約為20 min，壓水流量需每間隔5 min 測量一次，最終測量的流量值作為計算值，并用透水率表示。

壓水試驗過程中，若出現以下情況可認為壓水試驗穩定。（1）壓水試驗過程中穩定水壓，時間間隔4 min 左右進行壓水流量測量，連續4 次測量的壓水流量中最大值與最小值差值低于終值的10%，結束試驗，取終值作為計算值；（2）最大值與最小值差值低于1 L/min 時，結束試驗，取終值作為計算值。

3.5 注漿參數

沖洗鉆孔、壓水試驗結束的注漿段需及時進行注漿。沖洗鉆孔、壓水試驗結束24 h 后未進行注漿操作的，注漿作業前需重新進行沖洗鉆孔、壓水試驗操作。

本注漿方案采用分段注漿法，第一段段長為3.0 m，第二段及以下為5.0 m。注漿分段應與鉆孔分段保持一致。注漿管末端距離孔底不超過0.5 m，在距注漿孔頂端0.5 m 處放置注漿塞。鉆孔成孔后注漿作業前或者注漿中間停止等情況，需采取措施對注漿孔口進行防護，防止污水、雜物等進入孔內。

本方案采用自下而上分段方式進行注漿，阻漿塞設置在基巖面以下0.5 m～1.0 m 范圍內，注漿控制段長約5 m，各段注漿管距孔底不超過0.5 m，否則應重新配置注漿管。

通常情況下，固結注漿結束后不待凝，便可直接進行其他段落的鉆孔注漿作業。需要注意的是，遇到固結處理巖石斷層破碎帶等情況時，待凝處理后方可進行下一操作作業，待凝的時間可根據現場實際情況確定。

為防止注漿作業對巖石面產生抬動等不利影響，固結注漿采取“一泵注一孔”的原則進行操作。若注漿過程中發生串漿現象，在串漿孔注漿條件成熟時，可同時進行注漿作業。否則，需對串漿孔處理，待注漿結束后，再對串漿孔進行掃孔、沖洗處理，而后對串漿孔進行注漿。

3.6 注漿壓力及注漿次序

注漿壓力大小對注漿效果起到決定性影響。本次注漿主要位于強風化破碎巖體內，本次注漿壓力初定為0.5 MPa～3.0 MPa，涌水孔為灌漿壓力+涌水壓力，但最高不宜超過3.0 MPa；具體根據現場灌漿實際情況進行相應調整。

結合注漿孔分布情況，先從外圍進行注漿而后內部孔注漿，同時采取隔孔注漿[3]。注漿過程中壓力逐漸增大，當壓力增加至設計壓力，漿液注入率小于1 L/min，注漿持續10 min～20 min，注漿即可結束。

3.7 封孔

固結灌漿封孔通常采用“導管注漿封孔法”進行封孔，封孔時采用水灰比為0.5∶1 的水泥漿液。封孔后待凝24 h，之后清除孔內浮漿等，采用干硬性水泥砂漿對脫空處進行封堵密實。

3.8 注漿效果檢查

（1）注漿效果檢查通常采用聲波法測量波速的方式進行，并結合注漿前后物探成果以及有關注漿施工資料等進行綜合評定。同時需注意聲波法測試應在注漿結束7 d～14 d 進行，選取5%的注漿孔數作為檢查孔。孔段合格率應達到85%以上。

（2）孔段合格率應達到85%以上。

（3）針對檢查過程中發現的不合格注漿孔段，需采取補救措施進行處理。

4 注漿效果分析

為檢驗103#沖溝范圍內預注漿效果，針對注漿區域進行鉆取芯樣，同時測試芯樣的結實情況及抗壓強度，結果見表1。試驗結果表明，芯樣體的結實率達到97%以上；巖體28 天抗壓強度達到8.1 MPa 以上。可知，103#沖溝內注漿效果均滿足相關規范要求。

表1 注漿區域芯樣的結實情況及抗壓強度統計表

后TBM4 掘進至103# 沖溝影響范圍內時，采取了降低掘進速度與加強拱架支護相結合的方式，順利安全通過103# 沖溝及影響段掘進。通過觀察TBM 掘進掌子面情況，該沖溝注漿段內出水情況相對于周圍無注漿區域有所減小，且掌子面裂隙內有明顯注漿結石體。此上均表明注漿效果明顯，地表預注漿對TBM 掘進施工起到保障作用。

5 結論

針對新疆某隧洞引水工程TBM 施工隧洞穿越淺埋沖溝段地質情況，本文提出了采用地表注漿加固的方案進行超前處理，并論述了地表預注漿加固處理施工方案。結果表明淺埋沖溝段地表預注漿，提高了破碎圍巖的整體性及強度，降低了圍巖裂隙的透水性，改善了隧洞的成拱效應，保障了TBM 掘進施工安全。

地表注漿加固進行隧洞超前處理的方案，僅適用于埋深前，易于進行地表注漿的隧洞。針對于TBM 施工深埋長隧洞的超前處理，建議承包商與TBM 設備廠家協商，加裝超前地質預報及處理設備，進行洞內超前處理。