劉海波

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院 新疆烏魯木齊市830000）

1 工程概況

新疆某輸水工程是一項長距離輸水工程，其中SS隧洞總長92.35 km，為無壓輸水隧洞。SS 隧洞地質(zhì)條件復雜，采用開敞式TBM（全斷面硬巖掘進機）、土壓平衡盾構(gòu)機、礦山法等多種掘進方式相結(jié)合施工。SS段Ⅲ標 隧 洞 樁 號SD40+495.307 ～SD52+585.465 為TBM 施工段，長度為12.1 km，開挖洞徑5.5 m，逆坡掘進，該段富存地下水，在掘進中出現(xiàn)多處滲涌水情況，每公里出水量在600～1 900 m3/h 之間。

SS 隧洞樁號SD40+495.3～SD52+585.5 段根據(jù)地勘成果采用國產(chǎn)EH-DZ307 型全斷面開敞式TBM 執(zhí)行隧洞掘進任務。但隧洞掘進過程中揭露地下水文地質(zhì)情況較復雜，出現(xiàn)洞內(nèi)地下水持續(xù)、大量出露現(xiàn)象。具體原因為：隧洞北部張扭性結(jié)構(gòu)面、南側(cè)的烏晉迪蘇斷裂破碎帶及洞線北側(cè)的北塔山南部山前第四系洪積扇形成的蓄水洼地為地下水提供持續(xù)的補給，造成在TBM 掘進施工過程中，洞身沿圍巖裂隙不斷出現(xiàn)股狀射流，刀盤涌水。掌子面涌水瞬時最大流量達到650 m3/h，TBM 被迫多次停機啟動應急排水系統(tǒng)并進行堵水，大幅降低現(xiàn)場施工進度。

因此，經(jīng)參建各方研究確定：隧洞滲、涌水處理遵循“以堵為主、限量排放”的處理原則，以保證隧洞的正常掘進[1]。

2 堵水原則

涌水洞段出水情況具有隨機性較強、流量大以及水流形態(tài)多樣的特點。主要水流形態(tài)有股狀涌水、線狀流水、大面積集中涌水、大面積集中滲水（含裂隙水）。掌子面出水具有突發(fā)性、水量大、壓力高、無衰減的特點。

若使用全部抽排的方式解決隧洞涌水，則需要增加的排水設施較多，一方面隧洞可提供布設的空間、可提供的電力供應有限；另一方面極大增加揚水費用，加大突發(fā)停電、抽排水設施故障等情況下作業(yè)人員安全、TBM 設備被淹風險，同時排水量過大也會對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響[2]。

研究確定隧洞滲、涌水處理遵循“以堵為主、限量排放”的處理原則，在經(jīng)過堵水、抽排水后使得掌子面的水不至于影響隧洞的正常掘進，通過采取切實可靠的施工措施，達到堵水可靠、排水通暢、經(jīng)濟合理的目的。

3 灌漿堵水流程

TBM 涌水段灌漿堵水可分為兩部分：

1）TBM 掌子面灌漿堵水，具體流程見圖1 TBM掘進堵水灌漿流程圖。

圖1 TBM 掘進堵水灌漿流程圖

2）TBM 刀盤后部及洞身段灌漿堵水，該段由于部位和空間的影響因素不同故堵水灌漿方法與灌漿材料的選擇有別于刀盤前部，具體流程見圖2 TBM 刀盤后部堵水灌漿流程圖。

圖2 TBM 刀盤后部堵水灌漿流程圖

4 主要關鍵技術

1）超前探水預報

根據(jù)SS 隧洞線路長度、地質(zhì)條件等實際情況，堅持超前地質(zhì)預報“三結(jié)合”和風險靶段劃分原則，即“地質(zhì)與物探結(jié)合，洞內(nèi)與洞外結(jié)合，長短距離及不同物探方法結(jié)合”。按照該原則：地表長距離探水選擇地表瞬變電磁法及EH-4 大地電磁法，洞內(nèi)短距離選擇復頻電導率法（CFC）和激發(fā)極化法。

根據(jù)開挖后隧洞出水實際情況與超前探水預報成果對比，洞內(nèi)短距離探水儀預測精度好于地表長距離探水儀，但預測結(jié)果與實際開挖情況均有出入，預測質(zhì)量與電磁干擾、分析人員經(jīng)驗有關。

通過對吉林引松工程隧洞、遼寧公路隧道工程、遼西北調(diào)水工程隧洞、引漢濟渭工程引水隧洞、云南大瑞鐵路高黎貢山隧洞段的調(diào)研工作[3][4]，結(jié)合對本工程的勘探試驗洞實際測試應用預報及隧洞開挖后對比驗證確定如下：

裂隙水及附近區(qū)段采用地表瞬變電磁法沿線做探水預報普查，并與現(xiàn)有地勘成果對比分析，通過多信息元對富水風險區(qū)域進行預報。根據(jù)普查結(jié)果，在洞內(nèi)有針對性地采用激發(fā)極化法對掌子面前方30～100 m 范圍地下水情況作短距離預報，出現(xiàn)異常情況下應適當加密物探預報頻次。

2）鉆孔設備選型

由于TBM 空間有限，其前部刀盤遮擋人員及鉆機無法直接面對掌子面圍巖，需要拆除滾刀留出刀座孔或TBM 退機（后退4 m 左右）等方式創(chuàng)造空間，通過刀盤進人孔將人員設備送入作業(yè)現(xiàn)場，鉆機能在狹小空間內(nèi)滿足鉆距長、盡量減少超前帷幕灌漿作業(yè)循環(huán)頻次的要求。

因此，鉆機應選擇體積小、功率大、重量輕、解體性好的型號，以便于搬遷和運輸。若鉆機選型不當，鉆機功率小，輸出扭矩小，則達不到要求的鉆孔深度；鉆機轉(zhuǎn)速不合適，則達不到鉆機切割巖石所需要的線速度；鉆機功能不完善，沒有打撈鉆桿和排渣的設備等，則打向下傾斜孔時易出現(xiàn)問題影響效率；鉆機質(zhì)量差，則易出現(xiàn)故障。應根據(jù)巖石特性，選擇合理的鉆頭類型、直徑和鉆機轉(zhuǎn)速，以保證鉆孔進尺穩(wěn)定，才能提高堵水灌漿的效率。經(jīng)過對市場上眾多的小型鉆機調(diào)查對比，選擇了某國產(chǎn)100 型潛孔鉆機，該設備大小合適，操作簡便，整機可拆性好，搬運較為方便。在現(xiàn)場使用該型號設備進行超前鉆孔試驗，鉆孔效果良好，可滿足超前灌漿孔徑76 mm、孔深20～30 m 的要求。

3）堵水灌漿材料與工藝

堵水灌漿技術的核心是材料和工藝，針對實際復雜多樣的圍巖地質(zhì)特性及出水形式，在堵水高效、安全、經(jīng)濟的原則下，針對不同堵水位置采用不同的堵水方案：

（1）水泥+水玻璃雙漿液配套施工方案

灌漿材料為42.5#中抗硫袋裝水泥及波美度35～37 水玻璃，適用性一般偏好、系統(tǒng)堵水效果較好，適用于一般涌水，大面積系統(tǒng)灌漿部位及掌子面超前注漿，價格適中，多用于深層堵水，超前帷幕注漿深度9～20 m，阻水環(huán)注漿深度6～10 m，系統(tǒng)注漿深度2～4.5 m。

（2）化學灌漿配套施工方案

化學灌漿材料為高聚物（改性異氰酸酯+組合聚醚）及聚氨酯（組合聚醚多元醇），堵水效果好，適用于大涌水，但價格偏高，可用于緊急情況處理，基本為淺孔注漿，掌子面注漿深度1.5～2 m，洞壁注漿深度0.6～1.2 m。

（3）水泥單漿液配套施工方案

灌漿材料為42.5#中抗硫袋裝水泥，堵水效果較差，價格偏低，多用于后期補強處理，配合雙漿液使用。

通過水泥、高聚物、聚氨酯三種不同灌漿材料分別進行堵水試驗方案后，對三種方法堵水效果進行分析比較，常規(guī)水泥灌漿堵水（水泥灌漿堵水、水泥+水玻璃灌漿堵水）歷時長，灌漿材料反應時間長，在動水條件下進行灌漿效果不明顯，由于水玻璃膠凝時間調(diào)節(jié)可控范圍小，膠凝時間長，膠凝強度低，易收縮等缺點，不利于TBM 快速掘進，但價格較低，但對后期深層永久灌漿有利?；瘜W材料具有膨脹率高，固化時間短，滲透性、密封性好，施工工藝簡單，堵水針對性強，成功率高，堵水效果明顯等特點。對TBM 快速掘進影響較小，灌漿效果好，但價格偏高。

4）系統(tǒng)措施方案

經(jīng)過對各堵水方案的對比分析及現(xiàn)場施工的總結(jié)，若使用超前預報、合適的鉆孔設備及合理搭配不同灌漿材料配套施工方案，可使堵水效率大幅提高，全洞總出水量明顯下降，堵水效果顯著，減少TBM 停機時間。現(xiàn)針對TBM 涌水段堵水灌漿形成以下系統(tǒng)性措施方案：

（1）隧洞富水區(qū)段，應全程進行超前探水預報，初判前方涌水位置。

（2）隧洞富水區(qū)段應根據(jù)現(xiàn)場出水情況限量采用高聚物化學淺層注漿，滿足TBM 正常掘進即可，當TBM 后配套通過出水點后進行水泥+水玻璃深孔系統(tǒng)注漿堵水。

（3）易形成突發(fā)大涌水的極富水區(qū)域，加強超前地質(zhì)預報與探孔，應架設100 型潛孔鉆機鉆孔進行超前帷幕注漿，保障人員、設備安全前提下快速通過。

5 效果檢查及總結(jié)

通過以上對TBM 涌水段封堵措施的實施，TBM施工段富水洞段出水量已明顯得到控制，截止至2019年6月，隧洞累計出水涌水量為6 569 m3/h，累計堵水量為5 619 m3/h，堵水量為總出水量的86%，已滿足初期設定的堵水量占總水量的比例目標。由于封堵效率的提高，停機時間較初期遇涌水段有明顯減少，每月進尺隨著掘進時長的增加也有明顯增長。涌水段封堵情況經(jīng)參建各方聯(lián)合對堵水效果進行評價滿足要求且驗收合格。

由于開敞式TBM 現(xiàn)場不良地質(zhì)條件適應性較差，面對涌水情況處理起來相對棘手，若針對TBM 涌水封堵的關鍵技術：“1）前方出水情況的探測；2）鉆孔設備的選擇；3）堵水灌漿材料的選擇；4）堵水灌漿的施工方法”幾個方面選取合適的處理方案會有效改善現(xiàn)場堵水效果，提高施工效率。