富水段TBM法施工隧洞超前堵水方法

劉傳信

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

1.1 概述

新疆某工程主洞TBM 2-1 段隧洞全長12 040 m，隧洞直徑5.5 m，該洞為敞開式TBM 逆坡掘進，順坡排水，坡度為1/5 000。

1.2 水文地質條件

該工程主洞TBM 2-1 段隧洞主要處于石炭系地層內，尾端處于侏羅系地層內，地層巖性為凝灰質砂巖和巖屑玻屑凝灰巖，局部夾凝灰質粉砂巖、沉凝灰巖、泥質粉砂巖，巖體呈厚～巨厚層狀。

本標段地下水均為基巖裂隙水，沒有統一的地下水面，埋深一般大于30～50 m，裂隙水主要通過結構面及強風化層滲移富集，主要儲存于斷層破碎帶、裂隙密集帶與不同地層或巖性的接觸帶，新鮮巖體內地下水一般較少，隧洞段屬于地下水貧水區，滲流量小，大多以滲水、滴水為主，局部為線狀流水。

根據隧洞施工方法及圍巖工程地質條件，TBM 2-1 段大致可分為如下兩大段，其水文地質條件如下：

1）SD40+495.16～SD49+087 段。該段洞長約8.592 km，洞頂上覆巖體厚175～210 m，洞身處于新鮮塊狀巖體內，以Ⅱ類圍巖為主，局部存在Ⅲ類圍巖。其中，Ⅱ類圍巖長7.253 km，占該洞段的84.42%；Ⅲ類圍巖長0.480 km（其中，Ⅲa 長約0.288 km，Ⅲb 長約0.192 km），占該洞段的5.59%；Ⅳ類圍巖長0.859 km，占該洞段的10%。隧洞施工過程中沿裂隙會有滲水、滴水現象，沿斷層破碎帶或裂隙密集帶會有線狀流水。根據水文預測結果，SD40+200～SD46+500 段總涌水量1 916～3 213 m3/h；SD46+500～SD49+100 段總涌水量1 326～1 591 m3/h。

2）SD49+087～SD52+585.465 段。該段洞長約3.498 km，洞頂上覆巖體厚110～180 m，洞身處于新鮮塊狀巖體內，巖體大多較完整，局部完整性差，該段主要以Ⅲ類圍巖為主。其中，Ⅱ類圍巖長0.340 km，占該洞段的9.7%；Ⅲ類圍巖長2.808 km（其中，Ⅲa 長約1.685km，Ⅲb 長約1.123 km），占該洞段80.3%；Ⅳ類圍巖長0.350 km，占該洞段的10%。隧洞施工過程中沿裂隙會有滲水、滴水現象，沿斷層破碎帶或裂隙密集帶會有線狀流水。根據水文預測結果，SD49+100～SD51+227.062 段總涌水量3 156 m3/h。

2 富水段掌子面超前預注漿

由于工程所在區域地質條件復雜，為保障TBM（全斷面隧道掘進機）正常掘進，擬在TBM 掘進至富水洞段，結合超前探水預報在施工過程中采用超前預注漿堵水方法。

超前預注漿分2 種狀況進行：一種是掌子面前方圍巖較好（Ⅱ、Ⅲ類圍巖），超前探水預測前方含水豐富的情況；一種是掌子面前方圍巖較差（Ⅳ、Ⅴ類圍巖），超前探水預測前方含水豐富的情況。

當掌子面圍巖破碎造成大量涌水時，為避免注漿過程中大量水泥漿流失，加強注漿效果，應首先進行聚氨酯化學灌漿堵水施工，對掌子面進行淺層堵水[1]。

1）超前預灌漿材料

水泥：新疆天山水泥廠生產的42.5#高抗硫袋裝水泥；

水玻璃：濃度為1.31～1.34 g/cm3；

聚氨酯化灌材料。

2）超前預注漿設備

超前鉆孔設備：100B 潛孔鉆；

灌漿設備：灌漿泵使用SNS130/20 型泥漿泵；

制漿設備：制漿機使用ZJ-400 型高速制漿機；攪拌使用JJS-10 型漿液攪拌機。

2.1 Ⅱ、Ⅲ類圍巖超前預注漿

2.1.1 施工準備

1）進行掌子面堵水作業前，先拆除護盾尾部已安裝的2 榀鋼拱架（Ⅲb 圍巖），割除已安裝的錨桿外露頭，刀盤后退5.0 m，拆除部分邊刀和中心刀，作為人員、設備進出通道[2]。

2）在刀盤至掌子面空間內放置18.5 kW 水泵，水泵數量根據掌子面涌水量確定，利用水泵將刀盤前部積水抽排至護盾尾部。

3）在刀盤至掌子面的空間內搭設作業平臺，在平臺上鋪設5 cm 厚馬道板。作業平臺用腳手架管搭設，立桿間距1.2 m，橫桿間距1.2 m，掌子面超前灌漿平臺示意圖如圖1 所示。

圖1 掌子面超前灌漿平臺示意圖

2.1.2 孔位布置

掌子面前方圍巖性質較好（Ⅱ、Ⅲ類圍巖），但預測前方含水豐富，沿隧洞輪廓線邊緣需均勻布置12 個超前預注漿孔，孔深L=20.0 m，孔徑φ=76 mm、90 mm，輻射狀布置，輻射角度控制在10°以內。灌漿作業時，刀盤后退5 m，拆除部分邊刀作為人員進出通道。刀盤前方搭設臨時工作平臺，完成超前預注漿后，無論掌子面涌水是否完全封堵，撤除掌子面前方工作平臺和鉆機，恢復刀頭后掘進。掘進至超前預注漿遠端剩余3～5 m 時停止掘進，作為下一注漿段的止漿巖盤，按照以上方法進行下一循環超前預注漿。即超前預注漿20 m，掘進17～15 m，繼續下一循環超前預注漿和掘進。掌子面超前預注漿孔位布置示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 掌子面超前預灌漿孔位布置示意圖

圖3 Ⅱ、Ⅲ類圍巖掌子面超前預注漿施工示意圖

2.1.3 鉆孔

鉆孔前，進行孔位定位，在掌子面標出孔位。鉆孔采用100B 輕型潛孔鉆，鉆孔采用全孔一次鉆孔成孔。若鉆進過程中遇出水情況，暫停鉆孔進行灌漿后重新鉆孔。

2.1.4 孔內沖洗

每個鉆孔完成后，進行鉆孔沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%，時間不少于15 m in，孔內有涌水的鉆孔不進行沖洗。

2.1.5 灌漿

灌漿方式：灌漿方法采用純壓式灌漿，根據具體情況選用單漿液或雙液漿灌注。

灌漿分段：根據鉆孔出水情況，當出水量較小時，采取全孔一次灌漿；當出水量較大時，采取由內而外或由外向內分段灌漿，每段灌漿深度不超過6 m；當鉆孔過程中出水量極大時，立即停止鉆孔，開始灌漿封堵待封堵完成再進一步掃孔、加深鉆孔[3]。

注漿阻塞：采用水壓膨脹橡膠阻塞器，阻塞器卡在孔口或分段注漿部位，阻塞深度以灌漿過程孔口不移動為宜。

進漿管：進漿管距孔底距離不大于50 cm。

2.1.6 漿液比級

純水泥漿液的水灰比一般包括4 個比級，分別為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1。一般孔采用2∶1 漿液開灌，孔內涌水量大于30 L/min時，可用0.5∶1 漿液開灌。

漿液比級變換標準：灌漿時，當灌漿壓力保持不變，注入率均勻減少；或者注入率不變，壓力均勻升高時，灌漿工作持續下去，不得改變水灰比。

當某一比級漿液的灌入量已達300 L 以上時，灌漿壓力及注入率均無改變或改變不明顯，可改濃一級灌注。

灌漿過程中，出現漏漿、冒漿、串漿時，根據實際情況隨時調整灌漿漿液水灰比級。

2.1.7 灌漿壓力

根據鉆孔中涌水壓力確定，孔內涌水壓力小于0.1 MPa時，灌漿壓力為0.5 MPa；孔內涌水壓力大于0.1 MPa 時，灌漿壓力為0.5 MPa+涌水壓力，但最大不超過2.0 MPa。

2.1.8 結束條件

在規定的灌漿壓力下，灌漿孔停止吸漿，延續灌注10 min即可結束。

全孔灌漿結束后，用0.5∶1 新鮮水泥漿置換孔內稀漿或積水，采用全孔灌漿封堵法封孔，封孔灌漿壓力采用該孔灌漿壓力。

2.1.9 灌漿質量檢查

1）鉆孔檢查，通過出水量判定固結堵水范圍，有無注漿空白區。

掌子面所有孔完成超前灌漿后，進行灌漿堵水質量檢查，質量檢查方式為：在掌子面邊緣輻射狀布置檢查孔、與隧洞軸線呈15°角，檢查孔主要布置在裂隙發育密集處，檢查孔孔徑φ=76 mm，孔深20 m，每次完成12 個超前孔灌漿后，進行檢查孔施工，檢查孔按照固結灌漿檢查孔5%的比例，選取1 孔即可。

灌漿合格的標志為檢查孔不出水或者少量滲水。假如檢查孔存在大量涌水，對檢查孔須進行超前灌注。檢查孔灌漿方法與超前灌漿孔灌漿方法一樣。

2）開挖時檢查漿液滲透和固結情況。

3）根據注漿施工記錄（注漿量、壓力表讀數）判定注漿效果。

2.2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖超前預注漿

2.2.1 施工準備

Ⅳ、Ⅴ類圍巖超前預注漿時，由于掌子面圍巖破碎，不宜在掌子面進行超前處理，具體措施為：在TBM 設備L1 區搭設鉆機平臺，平臺上安裝100B 潛孔鉆，進行鉆孔，利用TBM 3#/4#臺車上的灌漿設備進行超前預注漿，平臺用10#槽鋼和∠75 mm×75 mm 角鋼焊接而成，超前預注漿鉆孔設備平臺如圖4 所示。

圖4 超前預注漿鉆孔設備平臺

2.2.2 孔位布置

掌子面前方圍巖較差（Ⅳ、Ⅴ類圍巖），預測前方含水豐富。刀盤不后退，采用100B 潛孔鉆沿護盾后部輪廓線輻射狀均勻布置12 個超前預注漿孔，每孔深20 m，輻射角度控制在10°以內[4]。

完成超前預注漿后，無論掌子面涌水是否完全封堵恢復掘進。掘進至超前預注漿遠端剩余3 m 時停止掘進，按照以上方法進行下步超前預注漿。即超前預注漿20 m，掘進17 m，繼續下一循環超前預注漿和掘進，孔位布置如圖5 所示。

圖5 Ⅳ、Ⅴ類圍巖掌子面超前預注漿施工示意圖

注漿方法與掌子面注漿方法相同，在這里不再重復進行敘述。

3 結語

富水洞段的隧洞掘進一直是困擾工程界的難題，富水洞段只有采取“以堵為主、堵排結合”的綜合手段才能有效控制洞內出水量，保證隧洞順利掘進。在施工過程中結合地質勘察和超前探水預報進行超前堵水灌漿可以有效減少洞內出水量，保障施工安全及TBM 的順利掘進。