海底隧洞泥水盾構超前注漿施工技術

曹耀東,李木秋,苗育春

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 概述

隨著我國科學技術水平的發展和綜合國力的提高，地下隧道建設已過渡到以盾構法為主的時代，愈來愈多的長大隧道在城市中心區及江河湖海通道建設中采用盾構法施工。由于地處城市中心和江河湖海底部，盾構施工存在諸多風險源(穿越高風險建構筑物、帶壓進倉檢查更換刀具及盾構施工過程中設備大修等)，需要進行加固處理，而洞外又不具備加固條件，所以必須在洞內實施注漿加固，以保證施工安全[1]。

2 工程簡介

某核電工程全廠規劃建設6臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，工程采用以海水為冷卻水的直流供水系統，低放廢液將隨溫排水排至海域。1期工程建設2臺核電機組，每臺機組修建1條海底排水隧洞，2條排水隧洞在海底呈燈泡型線型布置，平面最小曲線半徑為300 m(見圖1)。隧洞全長約3.5 km，其中兩端陸域側硬巖段采用礦山法施工，1號排水隧洞側礦山法段長度約為230 m，2號排水隧洞側礦山法段長度約為508 m，合計為738 m；海域側采用泥水盾構工法施工，長度約為2 774 m。礦山法隧洞設計為圓形斷面，初支成型直徑為7.9 m；盾構隧洞外徑為7.4 m，內徑為6.7 m。

本工程采用德國海瑞克公司生產的復合式泥水平衡盾構機，盾構機由主機和5節后配套拖車組成，總長度約為94 m。其中主機由前盾、中盾和尾盾組成，長度為10.665 m,刀盤開挖直徑為7.760 m。

圖1 排水隧洞平面布置示意

該隧洞海域部分采用泥水盾構工法施工，工程水文和工程地質復雜多變，尤其在上軟下硬地層段，刀具極易損壞且存在帶壓換刀過程中軟弱地層剝落坍塌等風險，因此,帶壓進倉前必須實施超前注漿加固。另外由于隧洞頂部覆蓋層較薄，受隧洞周邊勘探孔和中部補堪孔的影響，盾構掘進過程中出現隧洞頂部覆蓋層被擊穿漏氣或冒漿，由于地質補堪孔封堵不密實或補堪孔鉆孔偏差造成的漏氣或冒漿等工況，如伴隨刀具的損壞，則必須在帶壓進倉前實施超前注漿加固。由于洞外不具備加固條件，以及盾構設備設計制造階段未考慮配置超前注漿加固設施，所以必須根據隧洞內的環境工況，在洞內借助超前注漿平臺及外置的鉆灌一體機等實施加固作業，以保證后續作業安全[2-3]。

3 施工工藝

3.1 總體施工工藝

出現超前注漿加固工況后，應立即停止掘進，按照以下方案組織施工(見圖2)。

1) 向開挖倉注入高濃度膨潤土保壓；

2) 利用盾體預留徑向孔向盾體四周注入膨潤土泥漿，對盾體進行防護；

3) 利用盾體頂部預留超前注漿孔對刀盤前端地層注漿加固。

圖2 超前加固施工工藝示意

3.2 開挖倉注入膨潤土

將拌制好的高濃度膨潤土輸送至盾構機1號拖車上的同步注漿罐內，然后利用盾構機上的同步注漿泵以及盾體中部的超前水平孔將膨潤土泥漿注入開挖倉內，泥漿的膨水比根據所選用的膨潤土經過試驗室試配后確定。注入過程注意觀察倉壓和液位變化，并根據倉壓和液位變化，適當排出倉內稀的泥漿，并在注入完成后從倉內取泥漿測量指標，倉內泥漿粘度指標宜控制在30～40 s。

3.3 盾體徑向孔注漿

根據盾構機設計，盾體四周預留有徑向注漿孔，實施過程中利用頂部孔注入即可。徑向注漿孔布置見圖3所示。

利用盾體四周預留的徑向孔向盾體四周注入膨潤土，防止注漿漿液包裹盾體。根據盾構機設計，盾體預留的徑向孔直徑為3.3 cm，先將3.3 cm接頭變成6.6 cm接頭即安裝變徑，然后連接6.6 cm接頭與同步注漿泵向管路注入膨潤土。

圖3 盾體徑向注入孔位置示意

3.4 超前注漿施工

3.4.1超前注漿施工總體流程

超前注漿施工總體流程見圖4[3]。

圖4 盾構超前注漿加固施工總體流程示意

3.4.2盾構機超前鉆孔設計

盾構機設計階段已在盾體四周預留了19個超前鉆孔位置，其中中部水平鉆孔4個，周邊輻射鉆孔15個。如需要進行注漿加固時，打開預留孔位置的閘閥，安裝鉆機進行鉆孔及注漿施工[4]。

因刀盤前方地層擾動僅需要對隧洞拱部一定范圍內進行加固，因此，每次超前鉆孔注漿加固施工優先選擇盾體頂部預留孔進行鉆孔注漿施工，注漿完成后進行開挖倉的氣密試驗，如保壓試驗成功，則盾構超前注漿加固結束。否則繼續進行備用鉆孔位置的注漿加固施工，直至保壓試驗成功為止。

盾體上預留超前鉆孔位置示意見圖5。

圖5 盾體上預留超前鉆孔位置示意(單位：mm)

3.4.3平臺搭設及鉆機就位

1) 平臺搭設

盾構超前鉆孔及注漿加固施工在盾體內搭設的裝配式平臺上進行，裝配式平臺見圖6所示。平臺搭設前需先將鉆機運至盾體內，然后在盾體上部懸掛手拉葫蘆將鉆機吊起，吊起高度高于平臺，然后開始搭設平臺。

圖6 盾構機鉆孔平臺安裝示意

該裝配式平臺利用盾構機兩側的平臺及拼裝機做立柱支點，并在立柱上預留螺栓孔，通過橫、縱梁及斜撐連接成整體，并安裝拉桿形成吊籃，能夠快速下降平臺，具備針對不同孔位快速調整鉆機放置高度的功能。平臺加工前，先在盾體內平臺搭設區域進行測量，然后在地面上加工試拼(結構示意見圖7)。

平臺平面布置

A-A剖面圖

B-B剖面圖

C-C剖面圖

2) 鉆機就位

待平臺搭設完成驗收通過后，將鉆機下放至平臺，并在鉆機底部墊設方木調整至滿足鉆孔角度，即保證鉆桿方向與盾體預留的孔道方向一致；并在鉆孔前調試鉆機，使設備運轉正常。另外，正式鉆孔前使用篷布對盾體內的設備覆蓋防護，防止鉆孔過程中泥漿及水泥漿污染設備。

3.4.4鉆孔

1) 鉆孔參數

盾體上預留孔直徑100 mm，鉆機鉆頭直徑為42 mm。鉆孔深度為10～15 m，具體深度根據現場實際情況確定。鉆孔深度與盾體位置關系見圖8所示。

圖8 鉆孔深度與盾體位置關系示意(單位：mm)

2) 鉆孔

鉆孔采用ZLJ-1200型鉆罐一體機及中空鉆桿[5]，每根鉆桿長度為2 m。鉆孔前，先打開盾體上超前預留孔上的蓋板，然后在該位置安裝鉆孔密封裝置。鉆孔密封裝置采用直徑為100 mm、兩端帶法蘭、長度約為20 cm的鋼管加工，法蘭一端與盾體上預留球閥法蘭連接，另一端連接內部帶橡膠止水的鋼管，橡膠安裝在100 mm的鋼管內，橡膠中部預留與鉆桿直徑相同的孔。孔口密封裝置見圖9所示[3，6]。

圖9 孔口密封裝置照片示意

鉆孔過程如發現孔口涌水較大，可采用前進式注漿止水措施，注漿漿液采用磷酸，漿液配比為水：磷酸=10：1(體積比)。

鉆孔過程需詳細記錄鉆桿節數，保證鉆孔深度的準確。施鉆時要慢速旋轉，掌握地層對鉆機的影響情況，以確定在該地層條件下的鉆進參數。密切觀察鉆進情況，出現卡鉆或鉆進困難時，立即停鉆，分析原因后再進行鉆孔。

3.4.5注漿

1) 漿液的選擇

漿液為雙液漿。水泥采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥。水泥漿的水灰比為1:1；水玻璃原漿濃度為40波美度，用水調配出水玻璃稀釋液；水泥漿：水玻璃稀釋液=1:1(體積比)。具體配比可根據現場凝結時間進行調整。

2) 注漿作業

采用后退式注漿，注漿設備采用SYB-60/5雙液注漿泵。鉆孔完成后注入水泥—水玻璃雙液漿，壓力達到2～2.5 MPa，后退鉆桿，進行下一段的注漿作業，如此循環，直至該孔結束。

注漿過程嚴格控制注漿壓力，同時密切關注注漿量，當壓力突然上升，應立即停止注漿，查明原因后采取調整注漿參數或移位等措施重新注漿。

注漿過程如需暫停注漿時，必須先將水玻璃吸漿管拿出放入清水桶中，然后再拿出水泥管，并同時將注漿管拔出1 m，向孔內注清水后再停止注漿，既可保持管路暢通，又保證注漿段不受注水影響[7]。

3) 其他

① 注漿過程必須密切關注盾構機倉壓及液位變化，如倉壓及液位變化較快，應暫停注漿。為防止漿液流竄至盾構機開挖倉造成其他次生危害，注漿過程中需視情況轉動刀盤及置換開挖倉內的泥漿。

② 為防止注漿壓力過大破環盾構機主驅動密封，注漿過程必須嚴格控制開挖倉內的壓力不大于盾構機主驅動密封要求的壓力，并留有一定的安全系數。若出現壓力上升加快，則立即停止注漿。

3.4.6保壓測試

注漿作業完成后進行開挖倉泥漿保壓試驗或帶壓進倉前的氣密性試驗，測試時間為2 h。當倉內泥漿壓力達到設計壓力或倉內壓力達到帶壓進倉的設計壓力時，通過持續觀察，如該壓力維持穩定以及經海面巡視檢查未發現海上冒泥漿或海面出現明顯的氣泡，則說明保壓測試成功，后續可進行盾構機繼續掘進或進行帶壓進倉作業。

若保壓測試失敗，則進行另外備用預留孔鉆孔注漿施工，直到保壓測試成功為止。

4 結語

目前，本工程海底隧洞盾構掘進2 000 m，掘進過程中多次使用超前注漿施工工藝處理盾構機掘進過程中遇到的海面冒漿、漏氣等難題，注漿處理后均保壓成功，為后續帶壓進倉提供了安全保障。采用該方法在隧道內進行超前加固，避免了傳統加固方法從地面鉆孔注漿受環境條件限制的弊端，同時，采用在盾構設備上安裝可拆卸式平臺配合鉆灌一體機等鉆孔注漿設備，在注漿孔口安裝密封塞等裝置，實現洞內超前注漿加固施工，該方法的順利實施，可為類似工程施工提供借鑒。