陳小龍

（山西中部引黃工程建設管理有限公司 山西太原 030001）

0 引言

近年來，隨著我國水利基礎設施建設提速增質，隧道掘進機TBM（Tunnel Boring Machine）以其高效、安全、環(huán)保的優(yōu)點，越來越多地被應用于大型引調水工程。但在實踐過程中，地形地質條件等對TBM 施工適用性造成一定限制。如在山西省萬家寨引黃工程國際V 標，曾創(chuàng)造平均月進尺1 352 m、最高日進尺113 m的輝煌，但在滇中引水香爐山隧道和引漢濟渭嶺南隧道施工過程中，出現(xiàn)了圍巖破碎帶卡機、突發(fā)涌水、巖爆等困難。如何拓展和選擇適當?shù)腡BM 施工法來應對不良地質條件帶來的種種問題，以提高TBM 施工效率，是目前國內外TBM 施工時需要討論和研究的課題。

本文以某水利項目TBM 施工段為研究對象，深入剖析小斷面雙護盾TBM 在空間狹小的富水環(huán)境下進行超前預注漿堵水的困難和技術特點，提出在掌子面應用超前預注漿堵水施工技術，取得了不錯的效果。

1 工程概況

1.1 TBM 工程簡介

本工程承擔樁號9+700～28+762.89 洞段TBM 掘進任務，全長19.063 km，另外包含TBM 進洞支洞3.5 km的TBM 掘進及TBM 通風支洞1.3 km 鉆爆施工。TBM開挖直徑4.11 m，斷面為圓形，預制C45 混凝土管片襯砌，管片外徑3.9 m，管片厚度25 cm，管片內徑3.4 m，四片管片組成一環(huán)，管片型式為六邊形蜂窩狀結構，管片與圍巖之間的空隙，用豆礫石充填并進行回填灌漿。

1.2 水文地質情況

樁號9+700～17+621.87 段處于某泉域，穿過碳酸鹽巖地層，涌水量較大。地下水類型為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。

根據(jù)前期勘察資料，該段地下水位位于洞頂以上。根據(jù)物探測試結果，樁號10+510 附近存在低阻條帶，推測裂隙發(fā)育，為枝柯向斜核部，富水性好。其余洞段均處于泉域內，穿過碳酸鹽巖地層，隧洞開挖時可能發(fā)生突涌水。

1.3 工程前期涌水情況

在已完成的主洞段，遇到6 次大規(guī)模突發(fā)涌水險情，平均每次處理險情時間超過3 個月。突涌水是制約工程進度的關鍵，如何有效應對突涌水等地質災害是工程難點。最近3 次掌子面突發(fā)涌水情況為：1）2020 年9 月27 日，掌子面突發(fā)涌水，涌水量約500 m3/h，出水點主要集中在頂部，裂隙發(fā)育，涌水量大且分散，堵水耗時63 d。2）2021 年11 月28 日，掌子面突發(fā)涌水，涌水量約320 m3/h，出水點在左邊墻靠掌子面位置，出水點集中，壓力大、流速快，堵水耗時111 d。3）2022 年5 月17日，掌子面突發(fā)涌水，涌水量約700 m3/h，出水點在掌子面7 點位置附近及洞頂溶腔處，分析為巖溶水，堵水耗時123 d。

2 超前預注漿堵水施工技術方案

2.1 超前預注漿堵水施工前期準備工作

根據(jù)工程前期試驗總結，TBM 設備出廠配置的超前鉆機不具有可操作性，故在超前預注漿堵水施工中不采用。因TBM 設計開挖洞徑小，伸縮護盾內部空間局限，不具備架設鉆機的條件，只能拆除管片，將TBM設備后退，在掌子面與刀盤之間形成鉆孔、注漿作業(yè)空間。

1）TBM 設備后退：為使掌子面與刀盤之間形成滿足超前預注漿的最小作業(yè)空間，需拆除3 環(huán)管片，將TBM 設備后退3.6 m。各項工作開展前需提前檢查臺車尾部延伸的給排水管、電纜以及連接橋處的軌道是否影響TBM 整機后退，若有影響將延伸的最后一節(jié)水管更換為橡膠軟管，繼續(xù)掘進時再恢復管路延伸；將延伸的電纜掛起，臺車后退過程中繞至電纜卷線盤；將軌道拆除或做割斷處理，繼續(xù)掘進時再重新安裝。

2）掌子面排水及清淤：根據(jù)現(xiàn)場實際情況，TBM后退之后，刀盤前方3.6 m 空間水深高達2 m，不具備施工條件，為保證掌子面人員施工安全，在管片拼裝機附近加裝一臺45 kW 單級單吸離心泵（ISW200-315A，流量374 m3/h），通過8 寸橡膠管將進水口延伸至TBM 刀倉附近，同時在TBM 后配套上布置一趟10 寸聚丙烯管路，將涌水抽排至TBM 尾部。為避免涌水回流，在TBM 尾部用沙袋修筑一道高0.8 m 的堵水圍堰。待掌子面水位降低后進行人工清理淤砂，并在鉆孔注漿期間要隨時清除淤砂，保持掌子面內施工工作面處于無淹埋狀態(tài)。

3）頂拱堵水灌漿施工：通過刀盤上的人孔對掌子面及頂拱圍巖情況進行觀察，掌子面底部為紫紅色砂巖，泥質含量較高；中上部為灰黃色石英巖狀砂巖；頂部為灰色夾有深色條紋石英巖狀砂巖；頂拱節(jié)理裂隙較為發(fā)育，所有裂隙都出水，而且有壓。因此，將掌子面水位降低之后，必須考慮對刀盤前方3.6 m 臨空面頂拱區(qū)域進行堵水灌漿施工。鑒于施工人員不能貿然通過人孔進入刀盤前方，從安全和技術雙重考慮，采用柱架式液壓鉆（ZYJ-1000/180）使用撐靴盾預留的專用通道來進行不同角度鉆孔，鉆孔深度15 m 左右，可直達刀盤前方頂拱區(qū)域，之后采用改性聚氨酯實施堵水灌漿施工。

4）圍巖加固：待頂拱涌水得到有效封堵之后，必須在掌子面堵水灌漿之前對3.6 m 的臨空面進行加固，以確保施工安全。在3.6 m 空間布設7 榀I18 環(huán)形鋼拱架，由于TBM 設備上運輸困難，鋼拱架按1.3 m分段加工，各段連接板之間采用M16 螺栓連接，鋼拱架通過Φ25 錨桿固定在洞壁上。同時在鋼拱架上布置3 mm 厚的EVA 防水板（3.6 m×4.5 m），將頂拱剩余涌水引流至隧洞兩側，給掌子面超前預注漿施工提供較好的施工條件。

2.2 技術方案

此方案首先進行化學灌漿或速凝水泥漿堵水施工，對掌子面進行淺層堵水，其次沿掌子面輪廓線輻射超前預注漿孔由淺至深灌漿封堵圍巖裂隙水。

1）掌子面淺層堵水

在節(jié)理、裂隙較發(fā)育，已揭露巖石有明顯線狀流水、股狀涌水的掌子面，采用化學（改性聚氨酯）灌漿或速凝水泥漿進行淺層灌漿堵水，為超前預注漿提供注漿條件。

工藝流程：裂隙分析→腳手架搭設→手風鉆鉆孔→洗孔→安裝注漿管→注漿→結束注漿（裂隙不出水）→清理→進入下一孔灌注。

注意事項：（1）掌子面跑漿的處理方法：采用合理的注漿量控制或間歇性注漿處理即可。（2）串漿：注漿過程中，漿液從其它鉆孔內流出，主要是由于巖層間裂隙互通。當串漿發(fā)生時，應繼續(xù)加大注漿量，使?jié){液填滿串漿孔。（3）注漿量異常變大：注漿時漿液壓力擊穿了導水裂隙所致，應采用縮短漿液凝結時間或間歇灌注的措施。（4）注漿結束后，拆卸各注漿器件，全部清洗干凈，并對注漿泵進行檢查保養(yǎng)。

2）超前預注水泥漿施工方案

掌子面淺層堵水完成后，搭設腳手架臨時工作平臺，沿隧洞掌子面輪廓線邊緣均勻布置12 個超前預注漿孔，采用普通水泥漿進行超前預注漿，實現(xiàn)掌子面前部30 m 范圍封堵涌水的目的。

超前預注漿完成后，撤除掌子面工作平臺和鉆機，恢復TBM 掘進。后續(xù)掘進中根據(jù)現(xiàn)場實際情況判斷是否進行下一循環(huán)超前預注漿，若要進行下一循環(huán)超前預注漿，掘進至超前預注漿遠端剩余3～5 m 時停止掘進，剩余段作為下一循環(huán)的止?jié){巖盤。

（1）孔位布置

沿掌子面輪廓線邊緣均勻輻射狀布置10～12 個超前預注漿孔，輻射角度控制在5～10°以內，孔深L=30.0 m，孔徑Φ=65 mm。具體示意如圖1。

圖1 掌子面超前預注漿孔位布置示意圖

圖2 掌子面超前預注漿施工示意圖

（2）鉆機安裝

根據(jù)掌子面與刀盤間空間合理布置鉆機。

（3）鉆孔

鉆孔前，先進行掌子面定位，做好標記，一次性鉆進，遇到出水時灌漿后重新掃孔鉆進。

（4）孔內沖洗

每個鉆孔完成后，進行鉆孔沖洗，沖洗壓力為灌漿壓力的80%，時間不少于15 min，孔內有涌水的鉆孔不進行沖洗。

（5）灌漿

注漿阻塞：采用與淺層注漿相同的膠囊注水式高壓注漿塞。

灌漿順序：根據(jù)鉆孔編號，沿掌子面輪廓徑向對稱順序灌注。

進漿管：進漿管距孔底距離不大于50 cm。

灌漿方式：采用純壓式灌漿法，材料選用單液水泥漿或水泥水玻璃雙液漿，根據(jù)情況確定。

灌漿分段：根據(jù)鉆孔出水情況，水量較小時采取一次性灌漿，水量較大或特大時采用每6 m 一段由外向內的灌漿方式，極端條件下加深鉆孔，先提高灌漿壓力封堵涌水后再掃孔。

（6）漿液比級

采用P.O 42.5 純水泥漿漿灌注，一般孔采用2∶1漿液開灌，孔內涌水量大于30 L/min 時，可用0.5∶1 漿液開灌。

漿液比級變換標準：當灌漿壓力不變，單位時間內灌漿量持續(xù)減少時，或單位時間內注漿量不變而灌漿壓力一直上升時，不應改變水灰比。

灌漿過程中，應根據(jù)灌漿壓力、漿液流速、和易性等實際情況，隨時調整漿液水灰比。

（7）灌漿壓力

設計最大灌漿壓力為：Pmax=3.5×1.5=5.25 MPa；當壓力大于4 MPa 時，單位時間內注漿量宜小于10 L/min。

結束條件：在最大設計壓力下，單位時間內灌漿量不大于1 L/min 后，繼續(xù)灌注30 min，可結束灌漿。當?shù)刭|條件復雜、導水裂隙特別發(fā)育、灌漿壓力持續(xù)較低時，灌注的時間應適當延長。

（8）封孔

掌子面全部孔位灌漿結束后，用0.5∶1 新鮮水泥漿置換孔內稀漿或積水，進行全孔封堵，封孔灌漿壓力采用該孔灌漿壓力，封孔灌漿時間可為0.5～1 h。

（9）灌漿質量檢查

一般掌子面灌漿量較大時，在灌漿結束后于掌子面中心打一檢查孔，灌漿合格的標志為檢查孔基本不出水或少量滲水。如檢查孔出現(xiàn)大量涌水，須對檢查孔周邊進行加密灌漿處理，然后再進行檢查。

3 效果評價

本方案經實施后，掌子面涌水量減少95%以上，一個注漿循環(huán)根據(jù)注漿量不同平均耗時7～10 d，月進尺約80 m，在面對可能發(fā)生的突發(fā)較大涌水（涌水量500 m3/h 以上）的洞段有較好效果，能保證TBM 順利通過涌水段。

4 結論

隨著近年來我國水利項目的不斷實施，TBM 施工法在水利水電工程中的應用更加成熟，在面對穿越不良地質區(qū)域等施工技術難點時，TBM 設備的選型和施工方法的選擇也更加科學經濟合理。

本文以某水利項目TBM 施工段為例，研究在空間有限的富水條件下如何有效解決TBM 安全掘進的技術難題。針對項目特點，全面分析和探討了小斷面雙護盾TBM 施工中遇到掌子面突發(fā)涌水時的應對策略，提出了應對灰?guī)r區(qū)域地下裂隙水及巖溶水的圍巖改性治理方案，探討了掌子面超前預注漿的實施方法和技術難點。并在項目實施過程中成功應用，達到了安全施工、保障工期的目的。