曹耀東,李木秋,苗育春

(中國(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和綜合國(guó)力的提高，地下隧道建設(shè)已過渡到以盾構(gòu)法為主的時(shí)代，愈來(lái)愈多的長(zhǎng)大隧道在城市中心區(qū)及江河湖海通道建設(shè)中采用盾構(gòu)法施工。由于地處城市中心和江河湖海底部，盾構(gòu)施工存在諸多風(fēng)險(xiǎn)源(穿越高風(fēng)險(xiǎn)建構(gòu)筑物、帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查更換刀具及盾構(gòu)施工過程中設(shè)備大修等)，需要進(jìn)行加固處理，而洞外又不具備加固條件，所以必須在洞內(nèi)實(shí)施注漿加固，以保證施工安全[1]。

2 工程簡(jiǎn)介

某核電工程全廠規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組，工程采用以海水為冷卻水的直流供水系統(tǒng)，低放廢液將隨溫排水排至海域。1期工程建設(shè)2臺(tái)核電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)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(zhǎng)約3.5 km，其中兩端陸域側(cè)硬巖段采用礦山法施工，1號(hào)排水隧洞側(cè)礦山法段長(zhǎng)度約為230 m，2號(hào)排水隧洞側(cè)礦山法段長(zhǎng)度約為508 m，合計(jì)為738 m；海域側(cè)采用泥水盾構(gòu)工法施工，長(zhǎng)度約為2 774 m。礦山法隧洞設(shè)計(jì)為圓形斷面，初支成型直徑為7.9 m；盾構(gòu)隧洞外徑為7.4 m，內(nèi)徑為6.7 m。

本工程采用德國(guó)海瑞克公司生產(chǎn)的復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)由主機(jī)和5節(jié)后配套拖車組成，總長(zhǎng)度約為94 m。其中主機(jī)由前盾、中盾和尾盾組成，長(zhǎng)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(gòu)工法施工，工程水文和工程地質(zhì)復(fù)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(fēng)險(xiǎn)，因此,帶壓進(jìn)倉(cāng)前必須實(shí)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(bǔ)堪孔的影響，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)隧洞頂部覆蓋層被擊穿漏氣或冒漿，由于地質(zhì)補(bǔ)堪孔封堵不密實(shí)或補(bǔ)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(jìn)倉(cāng)前實(shí)施超前注漿加固。由于洞外不具備加固條件，以及盾構(gòu)設(shè)備設(shè)計(jì)制造階段未考慮配置超前注漿加固設(shè)施，所以必須根據(jù)隧洞內(nèi)的環(huán)境工況，在洞內(nèi)借助超前注漿平臺(tái)及外置的鉆灌一體機(jī)等實(shí)施加固作業(yè)，以保證后續(xù)作業(yè)安全[2-3]。

3 施工工藝

3.1 總體施工工藝

出現(xiàn)超前注漿加固工況后，應(yīng)立即停止掘進(jìn)，按照以下方案組織施工(見圖2)。

1) 向開挖倉(cāng)注入高濃度膨潤(rùn)土保壓；

2) 利用盾體預(yù)留徑向孔向盾體四周注入膨潤(rùn)土泥漿，對(duì)盾體進(jìn)行防護(hù)；

3) 利用盾體頂部預(yù)留超前注漿孔對(duì)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(cāng)注入膨潤(rùn)土

將拌制好的高濃度膨潤(rùn)土輸送至盾構(gòu)機(jī)1號(hào)拖車上的同步注漿罐內(nèi)，然后利用盾構(gòu)機(jī)上的同步注漿泵以及盾體中部的超前水平孔將膨潤(rùn)土泥漿注入開挖倉(cāng)內(nèi)，泥漿的膨水比根據(jù)所選用的膨潤(rùn)土經(jīng)過試驗(yàn)室試配后確定。注入過程注意觀察倉(cāng)壓和液位變化，并根據(jù)倉(cāng)壓和液位變化，適當(dāng)排出倉(cāng)內(nèi)稀的泥漿，并在注入完成后從倉(cāng)內(nèi)取泥漿測(cè)量指標(biāo)，倉(cāng)內(nèi)泥漿粘度指標(biāo)宜控制在30～40 s。

3.3 盾體徑向孔注漿

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)，盾體四周預(yù)留有徑向注漿孔，實(shí)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(yù)留的徑向孔向盾體四周注入膨潤(rùn)土，防止注漿漿液包裹盾體。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)，盾體預(yù)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(rùn)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(gòu)超前注漿加固施工總體流程示意

3.4.2盾構(gòu)機(jī)超前鉆孔設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)階段已在盾體四周預(yù)留了19個(gè)超前鉆孔位置，其中中部水平鉆孔4個(gè)，周邊輻射鉆孔15個(gè)。如需要進(jìn)行注漿加固時(shí)，打開預(yù)留孔位置的閘閥，安裝鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔及注漿施工[4]。

因刀盤前方地層擾動(dòng)僅需要對(duì)隧洞拱部一定范圍內(nèi)進(jìn)行加固，因此，每次超前鉆孔注漿加固施工優(yōu)先選擇盾體頂部預(yù)留孔進(jìn)行鉆孔注漿施工，注漿完成后進(jìn)行開挖倉(cāng)的氣密試驗(yàn)，如保壓試驗(yàn)成功，則盾構(gòu)超前注漿加固結(jié)束。否則繼續(xù)進(jìn)行備用鉆孔位置的注漿加固施工，直至保壓試驗(yàn)成功為止。

盾體上預(yù)留超前鉆孔位置示意見圖5。

圖5 盾體上預(yù)留超前鉆孔位置示意(單位：mm)

3.4.3平臺(tái)搭設(shè)及鉆機(jī)就位

1) 平臺(tái)搭設(shè)

盾構(gòu)超前鉆孔及注漿加固施工在盾體內(nèi)搭設(shè)的裝配式平臺(tái)上進(jìn)行，裝配式平臺(tái)見圖6所示。平臺(tái)搭設(shè)前需先將鉆機(jī)運(yùn)至盾體內(nèi)，然后在盾體上部懸掛手拉葫蘆將鉆機(jī)吊起，吊起高度高于平臺(tái)，然后開始搭設(shè)平臺(tái)。

圖6 盾構(gòu)機(jī)鉆孔平臺(tái)安裝示意

該裝配式平臺(tái)利用盾構(gòu)機(jī)兩側(cè)的平臺(tái)及拼裝機(jī)做立柱支點(diǎn)，并在立柱上預(yù)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(tái)，具備針對(duì)不同孔位快速調(diào)整鉆機(jī)放置高度的功能。平臺(tái)加工前，先在盾體內(nèi)平臺(tái)搭設(shè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，然后在地面上加工試拼(結(jié)構(gòu)示意見圖7)。

平臺(tái)平面布置

A-A剖面圖

B-B剖面圖

C-C剖面圖

2) 鉆機(jī)就位

待平臺(tái)搭設(shè)完成驗(yàn)收通過后，將鉆機(jī)下放至平臺(tái)，并在鉆機(jī)底部墊設(shè)方木調(diào)整至滿足鉆孔角度，即保證鉆桿方向與盾體預(yù)留的孔道方向一致；并在鉆孔前調(diào)試鉆機(jī)，使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。另外，正式鉆孔前使用篷布對(duì)盾體內(nèi)的設(shè)備覆蓋防護(hù)，防止鉆孔過程中泥漿及水泥漿污染設(shè)備。

3.4.4鉆孔

1) 鉆孔參數(shù)

盾體上預(yù)留孔直徑100 mm，鉆機(jī)鉆頭直徑為42 mm。鉆孔深度為10～15 m，具體深度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。鉆孔深度與盾體位置關(guān)系見圖8所示。

圖8 鉆孔深度與盾體位置關(guān)系示意(單位：mm)

2) 鉆孔

鉆孔采用ZLJ-1200型鉆罐一體機(jī)及中空鉆桿[5]，每根鉆桿長(zhǎng)度為2 m。鉆孔前，先打開盾體上超前預(yù)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(zhǎng)度約為20 cm的鋼管加工，法蘭一端與盾體上預(yù)留球閥法蘭連接，另一端連接內(nèi)部帶橡膠止水的鋼管，橡膠安裝在100 mm的鋼管內(nèi)，橡膠中部預(yù)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(fā)現(xiàn)孔口涌水較大，可采用前進(jìn)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(xì)記錄鉆桿節(jié)數(shù)，保證鉆孔深度的準(zhǔn)確。施鉆時(shí)要慢速旋轉(zhuǎn)，掌握地層對(duì)鉆機(jī)的影響情況，以確定在該地層條件下的鉆進(jìn)參數(shù)。密切觀察鉆進(jìn)情況，出現(xiàn)卡鉆或鉆進(jìn)困難時(shí)，立即停鉆，分析原因后再進(jìn)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(diào)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

2) 注漿作業(yè)

采用后退式注漿，注漿設(shè)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(dá)到2～2.5 MPa，后退鉆桿，進(jìn)行下一段的注漿作業(yè)，如此循環(huán)，直至該孔結(jié)束。

注漿過程嚴(yán)格控制注漿壓力，同時(shí)密切關(guān)注注漿量，當(dāng)壓力突然上升，應(yīng)立即停止注漿，查明原因后采取調(diào)整注漿參數(shù)或移位等措施重新注漿。

注漿過程如需暫停注漿時(shí)，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(shí)將注漿管拔出1 m，向孔內(nèi)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(guān)注盾構(gòu)機(jī)倉(cāng)壓及液位變化，如倉(cāng)壓及液位變化較快，應(yīng)暫停注漿。為防止?jié){液流竄至盾構(gòu)機(jī)開挖倉(cāng)造成其他次生危害，注漿過程中需視情況轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤及置換開挖倉(cāng)內(nèi)的泥漿。

② 為防止注漿壓力過大破環(huán)盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封，注漿過程必須嚴(yán)格控制開挖倉(cāng)內(nèi)的壓力不大于盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封要求的壓力，并留有一定的安全系數(shù)。若出現(xiàn)壓力上升加快，則立即停止注漿。

3.4.6保壓測(cè)試

注漿作業(yè)完成后進(jìn)行開挖倉(cāng)泥漿保壓試驗(yàn)或帶壓進(jìn)倉(cāng)前的氣密性試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間為2 h。當(dāng)倉(cāng)內(nèi)泥漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力或倉(cāng)內(nèi)壓力達(dá)到帶壓進(jìn)倉(cāng)的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，通過持續(xù)觀察，如該壓力維持穩(wěn)定以及經(jīng)海面巡視檢查未發(fā)現(xiàn)海上冒泥漿或海面出現(xiàn)明顯的氣泡，則說明保壓測(cè)試成功，后續(xù)可進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)掘進(jìn)或進(jìn)行帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)。

若保壓測(cè)試失敗，則進(jìn)行另外備用預(yù)留孔鉆孔注漿施工，直到保壓測(cè)試成功為止。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，本工程海底隧洞盾構(gòu)掘進(jìn)2 000 m，掘進(jìn)過程中多次使用超前注漿施工工藝處理盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(xù)帶壓進(jìn)倉(cāng)提供了安全保障。采用該方法在隧道內(nèi)進(jìn)行超前加固，避免了傳統(tǒng)加固方法從地面鉆孔注漿受環(huán)境條件限制的弊端，同時(shí)，采用在盾構(gòu)設(shè)備上安裝可拆卸式平臺(tái)配合鉆灌一體機(jī)等鉆孔注漿設(shè)備，在注漿孔口安裝密封塞等裝置，實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)超前注漿加固施工，該方法的順利實(shí)施，可為類似工程施工提供借鑒。