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        TBM超前化學(xué)固結(jié)灌漿在引紅濟(jì)石工程中的應(yīng)用

        2012-09-25 07:09:10秦菡
        陜西水利 2012年6期
        關(guān)鍵詞:掌子面軸線鉆桿

        秦菡

        (陜西省石頭河水庫灌溉管理局 陜西 楊凌 712100)

        1 工程概況

        引紅濟(jì)石調(diào)水工程位于陜西省寶雞市太白縣境內(nèi),是引長江水系褒河支流紅巖河水通過橫穿秦嶺的隧洞自流調(diào)入黃河水系渭河南岸支流石頭河,經(jīng)石頭河水庫調(diào)節(jié)后向西安、咸陽、楊凌等城市供水,是陜西省的“南水北調(diào)”工程,也是陜西省“十一五”期間重點(diǎn)水利工程。

        引紅濟(jì)石調(diào)水工程由低壩引水樞紐和引水隧洞組成,其中引水隧洞全長19795m,采用鉆爆法+TBM法施工的聯(lián)合施工方案。鉆爆法施工段8700m,斷面為城門洞形,成洞尺寸為2.8m(寬)×3.0m(高);TBM施工段長11095m,斷面為圓形,成洞直徑3.0m。隧洞設(shè)計(jì)縱坡1/890,最大引水流量為13.5m3/s,年調(diào)入石頭河水量9210萬m3。

        2 施工中存在的問題

        TBM施工段設(shè)計(jì)巖石以中硬質(zhì)巖為主,適合TBM掘進(jìn)機(jī)施工,但從已掘進(jìn)段穿過洞室地質(zhì)情況來看,該段圍巖以角閃片巖為主,角閃片巖夾片麻巖、斜長片巖、云母石英片巖、綠泥石片巖等。實(shí)際取巖芯試驗(yàn)單軸飽和抗壓強(qiáng)度最高只達(dá)到45MPa,破碎圍巖段無法有效取出巖芯。因雙護(hù)盾施工暴露的圍巖非常有限,巖層走向與洞軸線夾角觀察統(tǒng)計(jì)不系統(tǒng),巖層走向不能精確測量,目測巖層走向與隧洞交角在40°以內(nèi),有的巖層走向與隧洞交角目測在20°以內(nèi),也有幾乎與洞軸線平行的情況。地質(zhì)構(gòu)造裂隙和伴生斷層發(fā)育,地下水局部發(fā)育,多呈線狀或股狀流水,巖層產(chǎn)狀錯(cuò)亂,軟弱夾層發(fā)育,多有泥質(zhì)充填物,軟硬巖相間,巖體破碎,自穩(wěn)性較差,在地下水的作用下易發(fā)生拱頂塌方掉塊。雙護(hù)盾TBM在這種硬質(zhì)巖中夾軟質(zhì)巖、軟弱夾層和擠壓破碎帶地層中的適應(yīng)性很差,TBM開挖后掌子面自穩(wěn)時(shí)間短,極易發(fā)生坍塌,大量坍塌松散碴體擁堵在刀盤前方及頂部造成TBM刀盤被卡,掌子面脫困施工過程中因長時(shí)間停機(jī)。加之圍巖收斂速度快,圍巖作用在盾殼上進(jìn)而出現(xiàn)TBM換步困難,掘進(jìn)推力增大,姿態(tài)不易控制,管片安裝困難,后配套凈空受限無法通過等一些列惡性循環(huán),給施工生產(chǎn)組織帶來了很大的困難。

        3 解決的方案

        針對該工程在不良地質(zhì)段中無法發(fā)揮雙護(hù)盾TBM快速掘進(jìn)優(yōu)勢的特點(diǎn),在TBM未掘進(jìn)段施工中,綜合考慮HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和深距離地表物探中探明的詳細(xì)地質(zhì)構(gòu)造和TBM施工特點(diǎn),認(rèn)為本工程不具備傳統(tǒng)鉆爆法施工中采用的水泥漿、水泥-水玻璃施工條件,最終采用聚氨酯類(PUR)灌漿材料,及時(shí)主動(dòng)地對斷層、破碎帶、涌水等不良地質(zhì)地段實(shí)施化學(xué)固結(jié)灌漿。目的是超前改良地質(zhì)情況,封堵地下涌水,使圍巖具有較好的整體穩(wěn)定性,從而避免TBM掘進(jìn)中掌子面坍塌后的被動(dòng)脫困施工中引發(fā)支撐盾、尾盾、前盾卡機(jī)等一些惡性循環(huán)的發(fā)生,提高TBM掘進(jìn)能力。

        4 施工方法與技術(shù)要求

        在探明TBM施工前方出現(xiàn)不良地質(zhì)地段需要進(jìn)行化學(xué)灌漿時(shí),在掌子面前方布置8個(gè)深度為10m~15m的深注漿孔。在這8個(gè)深孔外圍,再密布10個(gè)~12個(gè)4m~5m深度的淺孔。注漿時(shí)先注淺孔,待漿液在掌子面表面有溢出時(shí)停注,目的是先封閉住掌子面淺層的裂隙,然后深孔可以采用反應(yīng)速度稍慢(5min左右)的漿液進(jìn)行一次全孔控制注漿,使?jié){液的擴(kuò)散和滲透范圍增大,最終達(dá)到加固段全段有效加固改良圍巖。

        4.1 造孔

        深灌漿孔一般在掌子面前方洞軸線上布置1孔,鉆孔方向沿洞軸線向前;靠近隧洞開挖輪廓線布置其余7孔,其中洞軸線水平面以上布置3孔,以下左右兩側(cè)各布置2孔。洞軸線以下最下部的緊靠隧洞軸線垂直面左右兩側(cè)各1孔的鉆孔方向是向前上方且稍遠(yuǎn)離洞軸線,終孔位置在隧洞開挖輪廓線內(nèi),此兩孔與洞軸線上的1孔主要承擔(dān)隧洞輪廓線內(nèi)的固結(jié)灌漿任務(wù)。洞軸線水平面稍偏下方的左右兩孔的鉆孔方向?yàn)榍胺缴韵蛏戏角疫h(yuǎn)離洞軸線,洞軸線水平面以上的3孔的鉆孔方向均向前方且徑向遠(yuǎn)離隧洞縱向軸線。以上5孔的具體鉆孔深度以終孔位置與隧洞開挖輪廓線的距離不超過5m為原則確定。

        深孔鉆孔在掌子面沿刀盤人孔轉(zhuǎn)動(dòng)輪廓線全斷面范圍內(nèi),通過人工點(diǎn)動(dòng)刀盤確定孔位,由于鉆孔外插角受刀盤空間限制,每個(gè)孔的鉆孔外插角均不同。

        深孔注漿鉆孔采用天風(fēng)YG40導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)鉆孔,導(dǎo)軌根據(jù)刀盤空間情況適度改造,鉆孔直徑為φ50mm,釬桿長度1m/節(jié),采用R32波形螺紋連接方式連接。鉆深孔順序采用由下往上施工,施工好后及時(shí)下PVC注漿管,并采取保護(hù)措施保護(hù)好成孔。

        淺孔在隧洞軸線水平面及以上范圍內(nèi)沿隧洞開挖輪廓線內(nèi)縮約50cm的位置均布5個(gè)~7個(gè),在水平面以下左右側(cè)各布置1孔,通過滾刀刀孔或刮板孔人工點(diǎn)動(dòng)刀盤確定孔位。隧洞軸線水平面以上鉆孔方向均向前且徑向偏離縱軸線約60°,以下左右各1孔水平向前且向左或向右偏離縱向軸線60°,在隧洞開挖線中間位置再布置3個(gè)孔。

        淺孔注漿孔采用YT28風(fēng)鉆;鉆淺孔順序采用每次成孔上下左右4個(gè)孔,然后注漿。鉆孔原則為根據(jù)孔位布置圖,孔間距盡量拉大,一個(gè)孔注漿時(shí)不影響其他成孔。

        淺孔注漿時(shí),掌子面具備成孔條件的,YT28風(fēng)鉆配φ42mm鉆頭,采用1.5m、2.5m、3.5m、4m和5m的鉆桿進(jìn)行套鉆施工鉆孔,成孔后孔內(nèi)下PVC注漿管灌漿。因圍巖破碎,成孔困難的,開孔在TBM開挖輪廓線外的,采用φ25mm自進(jìn)式錨桿鉆孔,按1m/節(jié)采用波形螺紋連接套連接鉆孔;開孔在TBM開挖輪廓線內(nèi)的,采用φ32mm自進(jìn)式玻璃鋼鉆桿,仍按1m/節(jié)采用波形螺紋連接套連接鉆孔。

        鉆機(jī)所需高壓風(fēng)源和水源由TBM配備的空壓機(jī)和施工供水系統(tǒng)提供。

        4.2 安裝注射管路

        淺孔注漿時(shí),底部鉆桿梅花型開孔最大長度不大于2m,花孔間距30cm~50cm;深孔注漿時(shí),撤出鉆桿后,全孔插入PVC注漿管,底部注漿管桿體上按30cm~50cm間距梅花布孔,長度不大于全孔長度的1/2,花孔用錫紙封堵好。

        淺孔注漿時(shí)孔內(nèi)封孔器的放置在距孔口1.0m~1.5m位置;深孔注漿時(shí)孔內(nèi)封孔器放置在距孔口約2m~3m位置處。

        封孔器與PVC管連接好后連接可曲撓管,管路連接好后孔口至封口器長度范圍內(nèi)用錨固劑或帶混合漿液的棉紗進(jìn)行堵塞,待此封堵段完全凝固后方可開始注漿。

        雙液注漿管路做好A、B料標(biāo)記,始終做到每次管路與泵出漿口對應(yīng)連接。

        4.3 注射灌漿

        現(xiàn)場安裝好氣動(dòng)注漿泵后,先進(jìn)行試運(yùn)行,檢查氣動(dòng)二聯(lián)件、空氣凝結(jié)器、油霧化器等是否工作正常,檢查進(jìn)風(fēng)軟管是否干凈,待各系統(tǒng)正常工作后方可開始灌漿。

        本工程采用的化灌材料為中英合資企業(yè)——北京瑞琪米諾樺合成材料有限公司生產(chǎn)的瑞米系列。

        分別把A料缸和B料缸的進(jìn)料管和出料管置于各自的料桶內(nèi)。慢慢開啟氣動(dòng)注漿泵進(jìn)風(fēng)控制閥,開始工作,此時(shí) A、B(1:1)兩種液料分別在兩個(gè)料桶中循環(huán)。盡量使A、B進(jìn)料管中的氣泡排凈,檢查進(jìn)料系統(tǒng)和進(jìn)料配比,確保整個(gè)系統(tǒng)正常。

        系統(tǒng)正常后,停泵,按規(guī)定的連接方式組裝槍頭,管路連接到混合器,開始注漿。灌漿先低速,工作面未出現(xiàn)跑、漏漿等異常情況時(shí)根據(jù)實(shí)際情況提高灌漿速度,達(dá)到閉漿條件時(shí)再放低速度,直至閉漿停泵。

        出現(xiàn)以下情況之一,均達(dá)到閉漿條件。掌子面表面有漿液溢出;注漿壓力大幅度升高;單孔每延米灌漿量達(dá)到0.2m3。

        注漿結(jié)束后,用A組份料沖洗混合器與出料口,約10s左右;然后用清質(zhì)機(jī)油清洗氣動(dòng)注漿泵及其配件,檢查清點(diǎn)附件數(shù)量及其功能。

        4.4 封孔

        由于該化灌材料完全固化反應(yīng)時(shí)間非???,采用自進(jìn)式鉆桿作為孔內(nèi)灌漿管時(shí),無需專用的封孔設(shè)備,停止灌漿后拆除可曲撓管即可。采用PVC塑料管作為孔內(nèi)灌漿管時(shí),其采用孔內(nèi)自封孔技術(shù),封孔器在下管路時(shí)安放,一次使用,不再周轉(zhuǎn)。

        表1 銳米堵水/加固1號產(chǎn)品的基本性能參數(shù)

        4.5 施工記錄

        裝料桶為準(zhǔn)確稱量,施工過程中記錄好以下要素:灌注孔位、單孔深度、單孔灌漿量、開灌壓力、閉漿壓力、灌漿起止時(shí)間及施工過程中的其他需要記錄的事項(xiàng)。

        5 施工技術(shù)保證措施

        (1)鉆眼前應(yīng)檢查鉆具是否完好,風(fēng)路、水路、油路是否暢通,工作面有無危險(xiǎn)情況,以上情況都達(dá)到完好要求時(shí),才準(zhǔn)許鉆眼。

        (2)開眼時(shí),應(yīng)把風(fēng)鉆操縱閥開到輕運(yùn)轉(zhuǎn)位置,待眼位穩(wěn)固并鉆進(jìn)20~30mm后,再把操縱把手扳到中運(yùn)轉(zhuǎn)位置鉆進(jìn),直至鉆頭不易脫離眼口時(shí),再全速鉆進(jìn)。

        (3)鉆眼時(shí),風(fēng)鉆、鉆桿與鉆眼方向要保持方向一致,推力要均勻適當(dāng),鉆架升降要隱,導(dǎo)軌固定要牢固,以防折斷鉆桿、夾鉆桿或拐丟鉆頭。

        (4)鉆眼布置應(yīng)盡量與巖石層、節(jié)理方向成一定的夾角,盡量避免沿層、節(jié)理方向鉆眼。

        (5)淺孔注漿時(shí)漿液反應(yīng)速度應(yīng)有意識提高,施工現(xiàn)場反應(yīng)時(shí)間約1min~2min左右,使其及早凝固后形成簡易止?jié){墻;深孔采用反應(yīng)速度減慢(5min左右)的漿液進(jìn)行控制注漿,使?jié){液的擴(kuò)散和滲透范圍增大。

        (6)操作泵的人員和倒料添料人員應(yīng)時(shí)刻注意兩種漿液(A、B料)的進(jìn)漿速度相同,同時(shí)觀察壓力變化,一般壓力升高可能由于漿液凝固、管路堵塞或由于漿液逐漸充填裂縫,此時(shí)應(yīng)立即停止灌漿。壓力穩(wěn)定上升,但仍在預(yù)定壓力之內(nèi),此時(shí)是正常的,有時(shí)出現(xiàn)壓力下降情況,這可能是由于孔隙被沖開,漿液大量進(jìn)入裂縫深部所致,此時(shí)可以持續(xù)灌漿。隨著大量漿液進(jìn)入裂縫,壓力會逐漸上升并穩(wěn)定。壓力降低的另一個(gè)原因是由于封縫或管路接頭漏漿造成的,則需及時(shí)停止灌漿,進(jìn)行處理。有時(shí)由于泵壓力增大,將漿液壓入裂縫深處,使大量漿液流失,這時(shí)可調(diào)節(jié)漿液配合比,使之縮短凝結(jié)時(shí)間,或采用間歇灌漿的方法來減少漿液損失。

        6 結(jié)論

        經(jīng)過實(shí)踐證明:引紅濟(jì)石隧洞工程TBM施工段所采用的聚氨酯類化學(xué)漿材是合適和有效的,直接在孔內(nèi)止?jié){的注漿方式也是非常先進(jìn)的。漿液包裹松散圍巖形成厚度大約5m的固結(jié)巖體,這種固結(jié)巖體有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度,有效地防止了掌子面圍巖的坍塌,并阻隔大量地下涌水進(jìn)入TBM機(jī)頭,使TBM掘進(jìn)機(jī)能在軟弱地層中緩慢前行,基本解決的卡機(jī)問題,保證了開挖進(jìn)度。陜西水利

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