垂直冻结钻孔下部土体空隙充填技术

胡 学 平

(甘肃省引大入秦工程管理局，甘肃 永登 730300)



垂直冻结钻孔下部土体空隙充填技术

胡 学 平

(甘肃省引大入秦工程管理局，甘肃 永登 730300)

基于甘肃引洮工程1号辅助立井冻结钻孔引起的漏浆、塌孔、埋钻等问题，介绍了冻结钻孔工程下部土体填充的方案以及施工技术要点，以保证钻孔正常钻进和冻结实施效果。

钻孔，地层塌陷，注浆，空隙填充

1 工程概况

甘肃引洮供水一期工程7号隧洞是引洮总干渠第二长隧洞，全长17.29km，进口位于洮河流域，出口位于渭河流域，地质条件复杂多变，隧洞穿越粉细含水疏松砂岩底层，施工难度大，被称为 “世界性难题”。施工使用TBM掘进，施工过程中遇到含水疏松沙层，出现涌沙涌水地质灾害，导致TBM在隧道内被卡，决定对卡机TBM采用“冻结法”实施解困。7号隧洞TBM脱困工程立井冻结区域冻结孔30个，设计深度280m；TBM脱困施工区域地面冻结孔24个，设计深度245m；扩大硐室施工区域冻结孔27个，设计深度248m。本工程在实施1号辅助立井冻结孔钻孔的过程中，连续出现漏浆、塌孔、埋钻等问题，给施工造成了困难。

2 辅助立井漏浆及空洞分析

2.1 冻结孔漏浆

根据钻孔情况地面110m地层情况良好，钻进速度较快；110m～160m地层硬度大，进尺较慢，大部分孔在160m以下层位漏浆严重，地层下部存有空洞。根据钻孔初期大部分孔在160m以下层位出现漏浆、埋钻、卡钻等问题，判断地下埋深160m左右存在空洞，见图1。根据TBM被困期间，前方涌土量达8 000多立方米，因此判断空洞体积至少为6 100m3(按1.3倍松散系数估算)。

2.2TBM漏浆

TBM被困中断掘进后，刀盘前方部位涌沙严重，导致前7环管

片产生不同程度的破损、裂缝及变形。但由于地层水土压力过大，水泥挡墙与C1皮带机连接位置无法有效封堵，且局部位置管片工作孔仍有地下水渗漏或流出，TBM机头区域涌沙量约7 000m3。新增1号辅助立井冻结钻孔期间，发现TBM刀盘上方约80m范围内为坍塌空腔，由于无法保证钻孔效果，遂进行水泥—膨润土浆液灌浆填充。在浆液填充过程中，TBM水泥挡墙和C1皮带机连接位置与坍塌空腔形成通道，所灌注浆液基本全部涌入至洞内。

2.3 地下空洞

根据钻孔初期各钻孔漏浆位置和深度初步分析，空洞可能存在两种情况：

1)以刀盘为中心即刀盘底部241m深度至160m深度处存在漏斗形空洞，即160m上部土体成拱，承担了上部土体荷载，下部塌落土体流动性较好从刀盘进入TBM，然后在刀盘附近形成空洞，如图2所示。

2)塌落的土体大部分并未进入TBM内部，而是在空腔内呈松散状，松散土体间空隙大，能形成水力通道，与TBM内部贯通。

无论空洞是大范围空洞还是松散贯通土层，一旦注浆，其浆液都会漏进TBM盾体并进入隧道，并有可能对TBM设备及管片结构产生破坏，因此方案应包括TBM内部挡墙加固和地下空隙充填两个部分。其中TBM内部挡墙加固方案目的是保证隧道安全，封闭下部漏点，使地面注浆能顺利进行，挡墙加固后强度不低于管片设计强度，且挡墙应阻挡泥沙进一步流入隧道但允许清水流入方便泄压；地下空隙充填方案目的是保证钻孔能继续施工及冻结施工安全进行，主要是对空洞或孔隙进行充填，为下一步施工提供条件。

3 空隙充填施工

3.1TBM洞内挡墙加固方案

为保证顺利充填灌浆与施工安全，在水泥挡墙后部增设钢板进行全封闭处理，从而保证地表顺利充填灌浆。

1)将洞内涌入的水泥—膨润土浆液全部清除，清理被掩埋设备。

2)紧贴水泥挡墙焊接全封闭钢板，钢板厚度为20mm，钢板与管片内弧面及C1皮带机连接位置之间采用652型遇水膨胀橡胶止水带进行止沙止水(见图3，图4)。

3)采用聚氨酯类发泡注浆材料针对钢板与水泥挡墙之间、钢板与C1皮带机连接位置之间以及水泥挡墙前部至刀盘之间进行填充注浆。

4)对水泥挡墙附近含水疏松沙层洞段管片已套拱架进行补强，并根据涌沙涌水情况，再次进行注浆加固，确保达到5m洞段渗水总量小于0.5m3/h的冻结加固条件。

5)在地表充填坍塌空腔注浆过程中，通过进行持续的封堵钢板位移与管片变形收敛监测，判断封堵钢板与管片结构是否稳定，从而指导地表分层灌浆厚度。

3.2 地下空隙充填方案

1)从距离TBM刀盘最近的D8孔，进行钻孔施工。

2)施工D8孔同时，在D5，D13，S1-4，S2-4孔内下180套管至160m深度，并往每个孔灌250kg黄豆，单孔灌水量不得大于5m3。

3)充填注浆。a.如果下部为大范围空洞，有两种充填方式：一是从新成孔的D8孔下骨料将空隙充填满，当隧道内挡土墙加固完毕后注水泥浆液，一次注浆量小于50m3，及时根据情况调整注浆量，延长或缩短注浆间隔。二是考虑注双液浆，采取少注多次的方法注浆，一次注浆量为50m3，待浆液凝固后再第二次注浆，当底部有10m厚注浆层后，可以逐渐加大一次注浆量到100m3；b.如果下部为松散土体则待TBM内挡土墙加固完毕后从冻结孔内下注浆管，用单液浆进行充填，同样按分次分批原则，即第一次注浆体积不超过50m3，当底部有10m厚注浆层后，可以逐渐加大一次注浆量到100m3。

3.3 注浆施工顺序

1)注浆钻机就位；

2)按设计对D8孔进行布孔并成孔；

3)将注浆管置入土层至设计深度的最顶部；

4)按设计配合比用拌浆机拌和混合水泥浆液；

5)当需注浆时，启动注浆泵，通过注浆泵将浆液泵送至注浆管注入孔底，充填扩散到空隙空洞的土体部位；

6)在某一深度注浆达到设计注入量后，将注浆管向下沉入后连续注入，如此循环操作直至完成一个孔的设计注浆量；

7)拔出注浆管，封堵注浆孔，防止浆液流失；

8)及时清洗注浆管，避免残留浆液凝固后堵塞管道。

4 结语

甘肃引洮供水一期工程7号隧洞TBM脱困工程中采用辅助立井冻结技术，TBM被卡期间大量泥沙涌出造成冻结钻孔区域出现大面积空洞，在钻孔过程中连续出现漏浆、塌孔、埋钻等问题，为了确保钻孔施工顺利进行和辅助立井冻结实施效果，对地层下部土体进行了空隙充填，达到了预期效果。通过本工程，可以为今后类似工程问题的解决提供参考。

[1]鲍永生.深厚冲积层辅助立井冻结法凿井技术.建井技术，2012(4):5-8.

[2]刘全林，程 桦.辅助立井壁后土层注浆加固机理及注浆参数研究.煤炭学报,2000(5):31-33.

Onsecretiontechniqueofsoilbodyunderverticalfreezingholes

HuXueping

(Gansu Administrative Bureau for Channel from Datong to Water Irrigation at Qinwangchuan Region, Yongdeng 730300, China)

Basedontheproblemsofthickliquidleakage,holescollapse,andburieddrillscausedbytheNo.1auxiliaryshaftfreezingholeatTaoheTiverwaterdiversionprojectinGansu,thepaperintroducesthesoilfillingschemeforthefrozendrillingprojectanditsconstructiontechnicalrequirements,soastoensurethecommondrillingandfreezingimplementationeffect.

drilling,stratumcollapse,grouting,secretion

1009-6825(2015)01-0148-02

2014-10-24

胡学平(1961- )，男，高级工程师

U

A