TBM隧洞富水段高分子聚合物注漿技術研究

宋良明

（新疆維吾爾自治區額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

注漿是工程建設中常用的防滲止水方法，經過前人的摸索和實踐，注漿堵水已是較為成熟、相關經驗也較為豐富的施工工藝，相關的控制措施和方法也較為完善，在輸水隧洞、堤壩和水庫等領域取得了良好的應用效果，但這些工藝和方法主要是在混凝土澆筑后無外水壓力或滲水量不大的情況下實施的。針對TBM掘進段的大流量且有壓涌水的堵水注漿，可借鑒的類似工程較少，采用傳統的固結灌漿、帷幕灌漿、劈裂灌漿、接縫灌漿等工藝處理的效果較差，無法達到有效封堵的目的[1-10]。筆者以新疆某工程TBM段注漿堵水工作為例，研究高分子聚合物注漿材料在TBM段大流量有壓突涌水防控的應用技術，提出高壓大流量條件下TBM系統注漿方法。

1 工程背景

新疆某工程TBM段隧洞總掘進長度為22.707km，區段地層巖性以凝灰質砂巖為主，局部夾凝灰質粉砂巖、沉凝灰巖、泥質粉砂巖。圍巖富水地段密集，涌水點較多，隧洞涌水較為頻繁且涌水量大，部分區段瞬時流量達到400 m3/h，最大單點涌水量超過600 m3/h。在該圍巖富水段，TBM多次因突涌水造成停機（典型突涌水如圖1所示），嚴重威脅作業人員和設備安全。

圖1 隧洞典型突涌水情況

2 TBM淺層注漿堵水技術

高分子聚合物注漿技術的基本原理是向病害處治區內注射一定配比的發泡劑和異氰酸酯雙組份材料，材料混合后迅速發生反應，體積膨脹并形成泡沫狀固體，達到快速填充脫空、加固結構、防滲堵漏的目的。由于費用昂貴，在本項目中僅用于高壓大流量涌水的淺層注漿封堵，與傳統注漿材料結合，解決由于動水作用導致的傳統注漿材料易跑漿、難凝固的問題。根據TBM突涌水及注漿堵水位置，TBM高聚物化學注漿堵水技術主要包含掌子面帷幕注漿、護盾后淺層注漿、底部淺層系統注漿3種情況。

2.1 掌子面帷幕注漿

對于掌子面高壓大體量突涌水，宜采用高聚物帷幕注漿技術（如圖2所示）。高聚物帷幕注漿一般在水泥漿帷幕注漿完成后進行，在水泥漿帷幕注漿圈后部1.5 m處，以30°角向外施作10個帷幕注漿孔，進行注漿堵水。注漿采取φ60孔進行灌漿，高聚物帷幕注漿不設專用的止漿塞，利用φ80消防水管制作1.5 m長雙導管膜袋，將膜袋安裝至泄水孔后，向膜袋內注入雙組份材料，材料在膜袋內迅速膨脹，形成注漿塞，從而快速封堵涌水通道出口，穩固后向長管內注漿。注漿壓力最高7 MPa，A∶B類高聚物化學原液體積比1∶1，溫度37℃。帷幕注漿完成后，隧道內SD52+160.815掌子面涌水量已由水泥注漿封堵后的110 m3/h減少至79.6 m3/h，滿足了TBM掘進需求，TBM恢復掘進。

圖2 掌子面高聚物帷幕注漿技術

2.2 護盾后淺層注漿

高聚物具有堵水快、施工方便、對TBM掘進影響小等優點，滲漏水堵水注漿可采用高聚物化學灌漿邊掘進邊封堵的方式進行，在出水點外露部分護盾后，對出水點進行淺層注漿堵水（如圖3所示），保證掘進工作可以正常開展。高聚物注漿堵水根據出水點情況大致可分為3類。

（1）單點小體量股狀涌水。針對單點出水量不太大的股狀涌水，采用的方法為在出水點約0.5 m處打直徑16 mm、深度0.6～1.2 m的注漿孔，將注漿管楔入注漿孔內，利用棉紗等物按壓出水點，臨時減小出水量，減少高聚物成分隨涌水流出，達到快速堵水目的。

（2）單點大體量股狀涌水。單點出水量大的股狀涌水水量大、流速快、壓力大，可以先泄壓，再封堵裂隙，最后進行堵水灌漿。泄壓灌漿孔沿裂隙布置，間距1.5～2.0 m，孔徑60 mm，與裂隙斜交。利用土工布、棉紗、防水板等封堵裂隙表層出水，以膨脹螺栓與鋼板加以固定，當封堵住表層涌水后，向泄壓孔內注漿，使注漿材料迅速發泡膨脹封堵涌水裂隙，達到堵水目的。

（3）大面積線狀流水。由于大面積線狀流水一般位于圍巖破碎段，節理發育且相互貫通，所以需對整個節理發育區域進行注漿才能達到堵水效果。針對隧洞內大面積線狀流水，可以在巖面上覆蓋土工布，土工布表層安裝專用網片，利用膨脹螺栓固定在巖面上后，施作貫穿整個破碎節理的注漿孔。注漿孔長度約4 m，距離巖石表面1～1.5 m。沿注漿孔注漿，直到封堵所有裂隙為止。

圖3 護盾后高聚物淺層注漿技術

2.3 底部淺層系統注漿

圍巖裂隙及節理發育段涌水面積大、涌水點較多區域在對涌水段表面封堵后，底部需要系統灌漿堵水，一般取縱向間距1.5 m、橫向間距1.2 m實施系統鉆孔，孔深2～3 m，然后進行化學灌漿。高聚物底部系統注漿在裂隙節理發育段效果明顯，但注漿量較大，最大單孔注漿量312 kg。

3 TBM深孔注漿堵水技術

由于TBM掘進過程中高聚物化學灌漿主要采用淺層注漿對底部及拱腰以上部位進行淺表注漿，未進行全斷面系統注漿，所以不能有效地封堵所有涌水。在淺層注漿基礎上，需對TBM掘進完成段進行系統的深孔注漿，以減少TBM隧道總涌水量。一般在護盾尾部10 m范圍內采用高聚物堵水，可以有效地封堵上述范圍內的涌水。采用水泥注漿堵水與化學注漿堵水對TBM后部注漿區域進行系統性注漿處理，一般先施作區段內的帷幕孔，帷幕孔深10 m，間距為1.5 m。帷幕孔施工完成后，進行區段內的堵水作業。在拱腰及拱頂部位大面積出水區域采用與底部相同的系統注漿方式，在點狀及裂隙出水區域采用有針對性的隨機鉆孔注漿，可以有效封堵出水區域。系統注漿效果，如圖4所示。

圖4 系統注漿效果

根據工程現場試驗，采用淺層注漿結合深層注漿方式，以高聚物化學注漿結合傳統注漿可有效解決高壓大體量涌水封堵問題。在新疆某工程施工現場，目前主要采取的注漿方式為底部系統注漿+拱腰、拱頂針對性注漿，針對出水量較大區域和孔位多采取高聚物化學灌漿，效果極為顯著；而針對一般區域，一般采用水泥漿注漿、水泥漿+水玻璃雙液注漿，從而節省相關開支。

4 結論

對該TBM段注漿堵水案例進行分析總結，得到如下幾點結論。

（1）高聚物堵水材料具有堵水快、施工方便、對TBM掘進影響小等優點，對于高壓大體量突涌水防控具有突出效果。

（2）采用TBM高聚物淺層注漿堵水技術結合TBM富水段傳統材料深孔注漿堵水技術，可實現TBM全斷面封堵，有效減少TBM隧道總涌水量。

（3）采用底部系統注漿+拱腰、拱頂針對性注漿方式，綜合利用水泥漿注漿、水泥漿+水玻璃雙液注漿、高聚物化學注漿，可有效控制成本。