敞開式TBM掘進過程中區域裂隙水的治理

陳 桐，陳 宇

(1.內蒙古引綽濟遼供水有限責任公司，內蒙古 興安盟 137400；

1 工程概況

引綽濟遼工程屬于國務院確定的“十三五”期間實施的“172”項節水供水重大水利工程。工程從嫩江支流綽爾河引水至西遼河，設計年調水量4.88億m3，由文得根水利樞紐和輸水工程兩部分組成，輸水線路全線采用重力流輸水方式，輸水工程全長390.263km，由隧洞、暗涵、PCCP管道組成，為沿途興安盟、通遼市的9個旗縣區和工業園區供水；隧洞全長183.3km，隧洞開挖采用TBM掘進和鉆爆方法，其中TBM掘進總長度為92.68km，鉆爆總長度為81.238km，暗涵總長度為9.38km。

1.1 水文及工程地質

1.1.1水文地質條件

隧洞段地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水，地下水位埋深范圍為0.2～170m。地下水主要接受大氣降水補給和山體的側向補給，第四系松散巖類孔隙潛水以向下游排泄和垂直滲透排泄為主；基巖裂隙水以側向排泄和垂直滲透排泄為主。

1.1.2工程地質條件

隧洞開挖總體走向由北向南，沿線穿越河流、沖溝谷地等，主洞埋深為30～270m，主洞地層主要為第四系上更新新統坡積沖積層(Q3dl+al)、侏羅系上統寶石組(J3b)、侏羅系中統胡日格組(J2h)、侏羅系中統付家洼子組(J2f)、燕山期侵入花崗巖(γ5)、二迭系下統清風山組(p1q)、大石寨(p1d)、侏羅系中統新民組(J2X)白音高老組(J3b)、燕山期侵入巖(γ52)等[1]，巖性主要為凝灰角礫巖、酸性熔巖、凝灰砂礫巖、變質砂巖、板巖、安山巖，花崗斑巖等。

1.2 TBM施工困境

TBM掘進段埋深范圍為60～270m，地下水位較高，全線29條支洞，15條支洞控制段主洞出現涌水。從開挖后暴露出的裂隙水環境將其分為兩類，一類是：圍巖整體性差，節理裂隙發育，裂隙寬度主要以寬張開裂隙為主，寬度大于5mm，涌水形態為脈狀、較為集中，以Ⅳ、Ⅴ圍巖為主；另一類是：圍巖整體性好，節理裂隙不發育或較發育，裂隙寬度以張開裂隙為主，寬度3～5mm，涌水形態為層狀或線狀，分布方向各異，以Ⅲ圍巖為主。涌水量為1萬～5萬m3/d，其中4臺TBM掘進中受裂隙水的困擾，導致電氣設備和機車故障率高、換刀和鋪軌困難、排水設施投入大，掘進效率降低，增大了淹機和卡機風險。

2 超前地質物探方法應用

對面臨的施工困境，研究出了針對性的措施，采取了“先探后掘，以堵為主[2]，以排為輔”的施工指導思想，要求全面補充地質勘察，結合“先定性，后定量”多種物探相互驗證的原則，準確摸排前方地質條件，常用物探方法見表1。

表1 地下水常用物探方法

根據物探結果確定的富水區域，輔以鉆孔物探進行驗證。通過鉆孔確定圍巖地質構造、巖性和圍巖強度等；通過壓水試驗[10]確定透水率；通過抽水試驗[11]確定涌水量、滲透系數和影響半徑。以上物探及其實驗結果都為后期解決掘進中受裂隙水困擾的難題提拱了依據。

3 TBM掘進段區域裂隙水處理方法及適用條件

區域裂隙水嚴重影響了地質圍巖的穩定性及TBM掘進效率，為有效解決此問題，從處理位置上采取洞內處理和洞外處理兩種方法。洞內處理方法為掘進超前阻水和掘進后方阻水，其優點是不受外部環境影響，阻水成本低、范圍準、效果好，缺點是實施交叉作業難度大，嚴重影響TBM掘進效率；洞外處理方法為地表豎向灌漿阻水和地表定向灌漿阻水，其優點是超前預處理灌漿阻水不影響TBM掘進，缺點是造價高、易受地形地貌和外部環境影響。

3.1 TBM掘進超前阻水

當洞內圍巖穩定性較好，裂隙水較大，刀盤下方排水泵無法滿足排水要求，鋪設軌道困難，同時在TBM掘進中不需要立拱架的條件下，可以考慮刀盤前方超前阻水灌漿(如圖1所示)。①將TBM后退10m，根據出水位置，采用手風鉆鉆孔，孔徑為42mm，孔深7m；②控制外插角3°～15°，距孔口不小于1m處安放止漿塞；③Ⅰ序灌漿孔注漿壓力控制在0.5～0.7MPa，Ⅱ序灌漿孔注漿壓力控制在0.8～1MPa，采用C-S雙液漿，雙液漿凝結時間控制在1.5～2min；④采取純壓漿方式，可掘進兩個循環，留重疊區繼續灌漿。本方法的難點在于因圍巖節理裂隙密集且各向異性，導致動水灌漿時串漿、跑漿，無法升壓、保壓，可通過采取打泄水孔、安裝止水閥、減小水灰比、提高水玻璃參量、縮短雙液漿初凝時間的措施進行改善。

圖1 刀盤前方超前阻水灌漿示意圖

當穿越斷層帶時，頂拱圍巖破碎嚴重，涌水量大，頂護盾壓力增加，TBM無法后退，此時TBM受涌水和圍巖破碎的干擾，可采用TBM頂護盾后方進行超前灌漿方式[12](如圖2所示)。①TBM設計時預留位置安裝超前鉆機，鉆孔外插角10°～15°，有效覆蓋范圍為頂拱120°；②鉆桿長1.5m，采用套接，孔徑為42mm，鉆孔深度不小于10m；③插入長度不小于5m的小導管，小導管外壓槽并安裝膨脹止水環，孔口用膠泥或錨固劑封堵，采用C-S雙液漿注漿；④若圍巖破碎嚴重，雙液漿內可摻細沙，注漿壓力控制在0.5～0.8MPa。此方法優點是采用雙液漿既有阻水又有固結圍巖的作用，小導管避免塌孔、支撐頂拱圍巖并避免大量漿液串漿至頂護盾及刀盤上，污染設備；缺點是超前鉆機覆蓋范圍受限，對無法覆蓋的范圍還需采用掘進后方阻水的方法。

圖2 刀盤后方超前阻水灌漿示意圖

3.2 TBM掘進后方阻水

當掘進剝離出裂隙水但涌水量不大、圍巖整體性較好、對TBM掘進影響風險較小時，可以考慮掘進后方阻水(即邊掘進邊阻水灌漿)，此方法有利于改善作業環境，減小排水壓力，保證二期永久混凝土襯砌質量。根據裂隙分布，可用油性聚酯氨灌漿或C-S雙液漿灌漿方式。當采用油性聚氨酯灌漿時，可結合騎縫鉆孔方式，鉆孔深度不小于1m，安裝止水針頭，控制反應時間在40～60s；當采用C-S雙液漿灌漿時，可用手風鉆打孔，鉆孔深度不小于1.5m，采用螺桿止漿塞，距孔口0.5m處卡塞，控制凝結時間在60～120s，若時間短難以注灌漿，可采取孔內雙液混合，控制注漿壓力在0.2～0.5MPa。當阻水效果不理想時，可采用復合式阻水灌漿，淺層Ⅰ序灌漿孔注入油性聚氨酯，深層Ⅱ序灌漿孔注入C-S雙液漿，既發揮了油性聚氨酯反應速度快遇水膨脹的優點也體現了C-S雙液漿凝結后強度高壽命久的特點。

3.3 地表豎向灌漿阻水

若隧洞埋深小于100m，敞開式TBM穿越河谷地段，在物探結果富水嚴重區域，可采取地表豎向阻水灌漿方式(如圖3所示)。從地表鉆孔，對隧洞洞身附近的圍巖進行灌漿阻水，依據鉆孔物探壓水、抽水實驗結果，通過分析地質構造、裂隙寬度、影響半徑，確定孔間距為3m，梅花形布置，邊孔距開挖線3m以外，豎向注漿范圍從隧洞頂4m至隧洞底以下3m處。

施工工藝要求：施工機械選擇液壓水井鉆機。鉆孔方法一：①采用Ф168偏心鉆頭，套管為Ф198；②跟管鉆至基巖1m處，換Ф130鉆頭鉆至頂拱上方4m處；③換Ф90鉆頭鉆至洞底以下3m處，進行洗孔；④下PVC套管(DN125)，套管下至頂拱上方4m處，PVC管與套管間注入套殼料(水泥漿)封閉，拔出套管；⑤采用規格為Ф51- 2栓塞下至頂拱上方4m處，灌漿方式采用全孔一次純壓法。鉆孔方法二：①采用Ф168偏心鉆頭，套管為Ф198；②跟管鉆至基巖1m處，換Ф130鉆頭鉆至頂拱上方4m處，鉆進過程若圍巖完整，可一次鉆至洞底以下3m；③用規格為Ф89- 2栓塞下至頂拱上方4m處，灌漿方式采用全孔一次純壓法。以上2種方法根據實際地質情況選擇。灌漿采用水泥漿，水泥選用P.O42.5規格，水灰比為1∶1、0.8∶1、0.5∶1；注漿壓力控制為靜水壓力的1～1.5倍，最終確定為一序孔孔口壓力為1MPa，二序孔孔口壓力為1.5MPa，終壓達到設計壓力穩壓20min或終壓達到設計壓力且單液水泥漿終量不大于1L/min，可以結束注漿工作；采用分序跳孔灌漿鉆孔作業，避免漿液串孔，即先Ⅰ序作業，再Ⅱ序作業，每序灌漿孔與作業鉆孔應隔一孔、鉆一孔、灌一孔。

3.4 地表定向灌漿阻水

當地面埋深大于100m時，可以采用地表定向阻水灌漿方式(如圖4所示)。根據隧洞埋深和鉆孔深度選用定向鉆機，鉆孔軌跡可選用Navigator Drilling Studio或Landmark進行軌跡設計分析。鉆孔直徑Ф152mm，井眼常用最大狗腿度為18～20°/30m，故當埋深在100～200m時，造斜段施工難度大，鉆孔發生事故率高，可采取開孔斜井鉆進；當埋深大于200m時，造斜曲率半徑變大，設備施工更容易，可采用開孔垂井施工。鉆桿可采用無磁鉆鋌、螺桿鉆具、加重鉆桿、方鉆桿等；測斜采用MWD無線隨鉆，鉆頭一開采用牙輪鉆頭，二開、三開采用PDC鉆頭；地面設置泥漿池、振動篩池和注漿站等。

施工工藝要求：①斜沖段和垂直段井采用Ф152mm鉆頭穿越覆蓋層鉆至基巖下10m處，下Ф146mm套管，套管外壁纏繞麻繩，掛快干水泥；②造斜段采用Ф133鉆頭鉆至水平段，下Ф127套管，采用水灰比為0.5∶1～1∶1的單液水泥漿進行固管，水平段高程為TBM掘進斷面的水平中心線位置，兩條水平段分支采用Ф94鉆頭鉆至目標標靶位置。鉆孔軌跡可以設計成“羽型”、“魚刺型”，鉆孔完成后進行洗孔；③采用全孔一次劈裂注漿，注漿材料可以選用CL-C型黏土水泥漿或單液水泥漿，注漿壓力為靜水壓力的1.5～3倍，且不小于地應力的最大水平主壓力，確定最終注漿孔口壓力為5MPa；④終壓孔壓力達到設計壓力穩壓20min或終壓孔壓力達到設計壓力且CL-C型黏土水泥漿終量不大于250L/min、單液水泥漿終量不大于200L/min，可以結束灌漿工作。與地表豎向灌漿相比，此方法施工工期短，征地投入費用少，對地表破壞較小，有利于水土保持。

圖3 地表豎向灌漿平剖示意圖

圖4 地表定向阻水灌漿平剖示意圖

4 灌漿材料推薦

在隧洞開挖阻水灌漿施工過程中，關鍵在于灌漿材料的選用，了解每種灌漿材料的屬性，同時匹配涌水、滲水的地質條件，針對性選用灌漿材料，便能達到事半功倍的效果。既可以考慮單一灌漿材料，也可以考慮復合灌漿材料即兩種以上灌漿材料進行阻水。灌漿材料選擇要考慮材料的可灌性、耐久性、流動性、凝結時間、抗沖刷能力、黏結強度等因素。常用的灌漿材料類型和特點見表2，以供參考。

5 阻水灌漿質量評價及驗收條件

阻水灌漿具有隱蔽性，對于洞內涌水封堵可以直觀的判斷阻水灌漿質量效果，但對于地表預灌漿判斷阻水灌漿質量相對較難。若以滲透系數為判斷標準對地表預灌漿進行質量評定時，以滲透系數小于等于10-4cm/s為合格，大于10-4cm/s為不合格；若以滲水量為判斷標準時，以滲水指標小于等于1L/min為合格，大于1L/min為不合格。若要求系統制定質量評定程序對地表預灌漿進行質量評定時，一是注漿前每36m進行地質探孔，以滲透系數、透水率作為灌漿前后對比參考值；二是灌漿后每12m設檢查孔，要求檢查孔滲透系數小于等于10-4cm/s或透水率小于等于10Lu；三是開挖后查看漿液擴散半徑[17]、滲水情況，調節下一段注漿材料配比、孔距、終壓和終量等參數，以滿足后續阻水灌漿要求。

表2 常用灌漿材料分類與特點

6 結語

隨著大批引調水工程的實施，隧洞開挖采用敞開式TBM的開挖方式已成為主流。但區域裂隙水和不良地質病害是影響TBM掘進的重要風險因素。引綽濟遼工程采用灌漿阻水方法有效解決了這些難題，保證了TBM掘進高效性和適應性，也為其他引調水工程在實施過程中采用敞開式TBM掘進治理區域裂隙水提供新的思路和參考。