馬俊彬

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110015）

松散型圍巖化學(xué)灌漿固結(jié)技術(shù)在TBM施工中的應(yīng)用

馬俊彬

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110015）

文章基于大伙房水庫輸水工程六河標(biāo)段的工程實(shí)例，通過數(shù)值模型計算以及實(shí)際工程效果，證明聚氨酯化學(xué)灌漿固結(jié)技術(shù)對提高松散型圍巖的力學(xué)性能具有顯著作用，結(jié)論對該技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要理論和實(shí)際價值。

TBM施工；松散型圍巖；化學(xué)灌漿

雙護(hù)盾TBM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧工開挖施工，并取得了良好的施工效果和經(jīng)濟(jì)效益。在長大埋深的隧洞開挖過程中，一旦遇到斷層破碎地段，極易由于施工擾動造成巖石的松動與坍塌。這不僅會給洞室的穩(wěn)定性造成極大影響，同時巖石松動與坍塌產(chǎn)生的松動壓力也將直接作用于TBM的刀盤與護(hù)盾，從而影響施工的正常進(jìn)行?；瘜W(xué)灌漿固結(jié)處理可以有效改善松散巖層的力學(xué)性能，增強(qiáng)巖體本身的強(qiáng)度與剛度，提高自身的承載力，以保證TBM的順利通過。

1 工程概況

1.1 項目簡介

大伙房水庫輸水工程是我國南水北調(diào)項目的支持工程，同時也是遼寧省“十五”和“十一五”規(guī)劃的重點(diǎn)供水工程項目［1］。項目的建成可以有效緩解遼寧省中部工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)核心城市的工業(yè)與生活用水問題。這一超大型跨流域調(diào)水工程的起點(diǎn)為遼寧省鳳嗚水庫，終點(diǎn)為大伙房水庫。其中輸水隧洞全長85.3km，項目設(shè)計輸水流量為70m3/s，年平均輸水量約為17億m3，工程預(yù)算總投資為52.2億元。該工程為國內(nèi)乃至世界第一長輸水隧洞，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜多變，施工難度較大［2］。

1.2 六河標(biāo)段的地質(zhì)環(huán)境

大伙房輸水工程的六河標(biāo)段地質(zhì)構(gòu)造異常復(fù)雜。該標(biāo)段具有明顯的斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要表現(xiàn)為元古代與中生代脆性斷層，而絕大多數(shù)斷裂構(gòu)造又歷經(jīng)多次構(gòu)造運(yùn)動的改造，而呈現(xiàn)出斷承性與復(fù)合性特征。據(jù)工程設(shè)計階段的地質(zhì)勘查資料，共有F13和F14兩條壓扭型中型斷層穿越主洞線。由于強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力作用，不僅在兩條斷層間形成與之基本平行的背斜構(gòu)造，同時還在其間孕育了數(shù)量眾多、規(guī)模較小、性質(zhì)不同的次級構(gòu)造斷層。隧洞沿線地層的巖性比較古老，主要由遠(yuǎn)古代砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖以及石英砂巖組成。由于隧洞的洞線穿越六河河谷，該河的年平均徑流量大約為1.9億m3。受到地質(zhì)構(gòu)造的影響，六河標(biāo)段的水文地質(zhì)條件也十分復(fù)雜。地下水與地表水相互作用、聯(lián)系密切，在施工過程中曾經(jīng)多次發(fā)生涌沙、涌水現(xiàn)象，對洞體的穩(wěn)定極為不利。

2 松散性圍巖化學(xué)灌漿固結(jié)技術(shù)的適用性

2.1 松散性軟巖對TBM施工的影響

大伙房輸水工程的六河標(biāo)段隧洞區(qū)的巖層十分古老，同時又在各個地質(zhì)時期受到多次構(gòu)造運(yùn)動的不同作用，產(chǎn)生了數(shù)量眾多的大小裂隙斷層，因此巖體極為破碎。按照我國相關(guān)的工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)段已經(jīng)實(shí)際開挖部分的圍巖屬于Ⅲ類的占 6%、屬于Ⅳ類的為 72%、屬于Ⅴ類的為22%。在實(shí)際開挖過程中共遭遇斷層21個，累計厚度為413m，這一數(shù)值幾乎是全部已開挖長度的13%。

該標(biāo)段的巖層中的泥質(zhì)板巖和砂質(zhì)板巖等屬于變質(zhì)巖，但是存在變質(zhì)不徹底和變質(zhì)較輕的情況。因此經(jīng)過巖層裂隙水的長期作用，部分巖層出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象。地層中的石英巖由于巖性較脆，因此在長期構(gòu)造作用下，產(chǎn)生了十分密集的裂隙。此外，在該標(biāo)段的巖層中還經(jīng)常出現(xiàn)一些糜棱巖，這些含水量較高的巖體在開挖過程中極易坍塌，造成大量的巖碴涌入TBM的機(jī)頭和出碴槽。一旦出現(xiàn)上述情況，就必須長時間停機(jī)進(jìn)行人工清碴，嚴(yán)重影響了 TBM工作效率的發(fā)揮?？傊?，要保證施工的順利、正常進(jìn)行，必須要采取技術(shù)措施對松散圍巖快速加固。

2.2 聚氨酯化學(xué)灌漿固結(jié)技術(shù)的優(yōu)勢

為了消除六河標(biāo)段松散圍巖對施工造成的不利影響，在施工中擬利用聚氨酯化學(xué)灌漿加固技術(shù)。

聚氨酯是近年來用于圍巖加固的一種新型化學(xué)材料［3］。這種材料水溶性良好，在水溶之后可以形成一種彈性固體，其伸長率可達(dá) 120%至 150%。聚氨酯的混合溶劑在遇水之后可以迅速分散、乳化并凝固，其凝固時間與施工環(huán)境的多種因素以及具體配方有關(guān)。在六河標(biāo)段對隧洞的松散巖層進(jìn)行的試驗(yàn)顯示，其凝固時間為50s左右。

聚氨酯混合溶劑可以將周圍比較松散巖體予以有效包裹，并隨著其快速凝固而形成具有一定強(qiáng)度和厚度的固結(jié)巖層［4］。灌漿施工開始前，工程技術(shù)人員在施工現(xiàn)場的松散巖層中進(jìn)行了一次簡易試驗(yàn)。待巖層固化完畢后，取下了一塊直徑約25cm的固結(jié)巖塊，不借助其他工具，一個成年人并不能將其掰裂。試驗(yàn)顯示，原來粒徑在15mm以下的松散巖粒，經(jīng)過聚氨酯化學(xué)灌漿固結(jié)之后，可以形成最小粒徑在12cm以上的較大巖體。因此這種化學(xué)灌漿加固技術(shù)能夠明顯提升松散巖層的強(qiáng)度，有效防止圍巖的坍塌。

聚氨酯化學(xué)灌漿技術(shù)不僅可以迅速固結(jié)松散圍巖，同時還有優(yōu)良的遇水膨脹特性。通過聚氨酯化學(xué)灌漿技術(shù)處理，能夠迅速形成厚達(dá)幾米的固結(jié)巖體防水墻，有效減小 TBM機(jī)頭的涌水。因此，該技術(shù)具有加固與止水的雙重功能，將其用于大伙房輸水工程的六河標(biāo)段松散圍巖加固無疑是適合的。

3 聚氨酯化學(xué)灌漿固結(jié)技術(shù)的數(shù)值模擬計算

3.1 數(shù)值計算模型的建立與參數(shù)設(shè)計

3.1.1 計算模型

根據(jù)工程實(shí)際，數(shù)值模型的尺寸設(shè)計為40m× 40m×1m，隧洞埋深為150m，直徑為3.65m，幾何模型的簡圖如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型簡圖

3.1.2 屈服準(zhǔn)則與邊界條件

在模擬計算過程中采用Drucker一Prager彈塑性材料模擬經(jīng)過聚氨酯化學(xué)灌漿處理后的圍巖，利用ANSYS線彈性材料模擬TBM護(hù)盾的力學(xué)特性［5］。根據(jù)具體施工過程中的隧洞情況，假定計算模型上部僅考慮由于巖層重力作用而產(chǎn)生的初應(yīng)力效應(yīng)，因此設(shè)計為巖層自重產(chǎn)生的均布荷載，計算模型的兩側(cè)均為限制水平移動的可滑動支承，而底部則為固定支座。

3.1.3 加固后的圍巖力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際，在模擬計算中采用如表1所示的力學(xué)參數(shù)。

表1 隧洞圍巖加固力學(xué)參數(shù)

3.1.4 網(wǎng)格剖分

利用ANSYS10.0軟件進(jìn)行網(wǎng)格自動剖分，基于編好的數(shù)據(jù)文件，加入模型參數(shù)和邊界條件可以自動生成數(shù)值模型。數(shù)值模型均選擇平面應(yīng)變特性，共剖分為 5421個單元，18535個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。

3.2 計算結(jié)果及分析

按照上述數(shù)值模型進(jìn)行計算，其結(jié)果顯示經(jīng)過聚氨酯化學(xué)灌漿處理后的圍巖應(yīng)力明顯改善。隧洞兩側(cè)的局部區(qū)域第一主應(yīng)力較大，其最大值為2.33MPa，其他區(qū)域均在2.00MPa以內(nèi)。拉應(yīng)力出現(xiàn)在洞壁表面，其最大值為-0.012MPa。

從計算結(jié)果來看，護(hù)盾兩側(cè)區(qū)域所受的壓應(yīng)力較大，最大壓力為0.003MPa。拉應(yīng)力出現(xiàn)在護(hù)盾的頂?shù)變?nèi)表面，其最大值為-0.002MPa，上述數(shù)值對厚度達(dá)50mm的護(hù)盾來說，應(yīng)該是微不足道，對護(hù)盾本身不會產(chǎn)生任何危害。

對計算結(jié)果的分析可以看出，經(jīng)過聚氨酯化學(xué)灌漿加固之后，隧洞周圍的松散圍巖穩(wěn)定性可以得到顯著提高，在短期內(nèi)可以承擔(dān)全部的圍巖壓力，幾乎可以完全消除松散圍巖對TBM護(hù)盾的壓力。所以，在不考慮其它因素的前提下，聚氨酯化學(xué)灌漿固化松散圍巖技術(shù)，對該工段的斷層破碎帶具有明顯效果，可以極大改善 TBM施工環(huán)境和施工條件。

3.3 化學(xué)灌漿固結(jié)層厚度的確定

當(dāng)施工面前方的斷層破碎帶具有較大范圍時，顯然并不能也不需要將全部破碎帶進(jìn)行灌漿加固。如果加固的厚度過大，不僅不利于施工成本控制，同時也不利于提高施工效率。如果加固厚度過小，又難以起到應(yīng)有的作用。合理確定灌漿固結(jié)厚度是聚氨酯化學(xué)灌漿施工中的重要問題。

由于經(jīng)過化學(xué)灌漿處理的圍巖可以形成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角以及抗壓強(qiáng)度均有明顯提高，因此可以將固結(jié)后的圍巖視為滿足Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖體。所以，可以根據(jù)公式（1）計算灌漿處理之后的最大塑性半徑，再減去TBM開挖半徑，即可得到固化層的合理厚度。

其中r0為隧洞的開挖半徑，取1.83m；mp、sp為固結(jié)圍巖的材料常數(shù)，取 mp為 1.230，sp為0.00291；σci為單軸抗壓強(qiáng)度，取4.0MPa；p0為固結(jié)前的原巖應(yīng)力值N為支護(hù)壓力折減系數(shù)。

在計算過程中可以依據(jù)數(shù)值模型試驗(yàn)與地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將灌漿前后的最大主應(yīng)力差作為P0-N的值，將上述與圍巖相關(guān)的參數(shù)代入公式計算得出Rmax的值為6.34m。因此，化學(xué)灌漿固結(jié)層的合理厚度B=6.34-1.83=4.51m。但是考慮到工程地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，在施工過程中可能會遇到某些不可預(yù)知的因素，因此將實(shí)際施工中的圍巖合理厚度值確定為5.0m。

4 圍巖化學(xué)灌漿的施工與效果分析

4.1 化學(xué)灌漿的施工工藝

在化學(xué)灌漿開始之前，應(yīng)先將直徑12mm，長2.5m帶有小側(cè)孔的鋼管插入巖體之中。在距TBM開挖掌子面5～15m的位置，利用化學(xué)灌漿的專用灌漿機(jī)將黑、白兩種聚氨酯水溶劑利用兩條不同的管路進(jìn)行輸送，并在兩個管路的出口分別安裝壓力表，以實(shí)時顯示輸出壓力。每一個輸送管路均與口徑為14mm的灌漿專用軟管相連，并將聚氨酯溶劑輸送入灌漿孔口的混合裝置。而后經(jīng)由預(yù)先插入圍巖的鋼管進(jìn)行灌漿作業(yè)。具體的施工參數(shù)如表2所示，灌漿施工示意圖如圖3所示。

表2 化學(xué)灌漿施工參數(shù)

圖2 灌漿施工示意圖

4.2 工程效果

首先，在施工掌子面進(jìn)行化學(xué)灌漿處理之后，地下水的涌出量減少了60%左右，地下水對TBM設(shè)備的影響得到了有效控制。其次，隧洞圍巖經(jīng)過化學(xué)灌漿處理之后，使原本松散的巖石層變?yōu)轶w積較大的固結(jié)巖石，掌子面的坍塌問題得到了根本遏制，人工清渣的強(qiáng)度與工作量也大為減少。最后，在經(jīng)過化學(xué)灌漿處理后，原本松散的巖體可以為TBM的支撐靴提供足夠的支撐力，因此在后續(xù)施工中 TBM設(shè)備可以順利通過所有地質(zhì)不良地段?？傊?，聚氨酯化學(xué)灌漿技術(shù)的使用，有效改善了TBM施工環(huán)境，達(dá)到了模擬設(shè)想要求。

5 結(jié)語

通過數(shù)值模型計算與實(shí)際工程驗(yàn)證，聚氨酯化學(xué)灌漿技術(shù)的應(yīng)用可以極大改善松散圍巖的力學(xué)特征。灌漿固結(jié)后，地下水涌出量明顯減少，施工掌子面坍塌問題得到了有效遏制，為TBM施工提供了良好的工作環(huán)境。但是聚氨酯屬于易燃材料，同時燃燒過程中還會釋放有毒有害氣體，因此施工過程中必須要注意施工區(qū)域的防火和通風(fēng)工作。此外，在施工過程中，會有部分聚氨酯隨水流進(jìn)入自然環(huán)境，從而造成一定的環(huán)境污染，今后還有必要在這方面進(jìn)行深入的理論和實(shí)踐研究。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.044

2015-12-23

馬俊彬（1986年—），男，工程師。