盾构施工斜井富水地段防水处置技术研究

杨俊哲（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林719315）

盾构施工斜井富水地段防水处置技术研究

杨俊哲（神华神东煤炭集团有限责任公司，陕西榆林719315）

在富水地层采用盾构法修建斜井，其主要技术难点之一在于防水，其主要包括管片结构自身和接缝防水、管片斜向拼装后沿纵向的整体防水，尤其要避免长距离、大埋深情况下管片壁后水力连通而形成过大的水压力导致斜井防水失效的问题，严重时造成大量渗漏水，危及巷道安全。如何保证斜井在使用期内满足防水技术要求是一大难题。本文采用理论分析、数值模拟等综合研究手段，对盾构施工斜井富水地段防水技术进行研究。确定了壁后回填方法及提出了分段隔水的设计思想。

盾构；富水；防水；分段隔水

1 引言

结合斜井结构、工程地质、水文地质等特点，确定防水原则。以管片混凝土自防水、管片接缝防水、斜井与始发井接头防水为重点，确保斜井整体防水效果；所有防水构件、混凝土外加剂等应满足耐久性要求。

2 长距离斜井防水体系

2.1 管片自防水

（1）隧道管片采用强度等级为C40的高性能混凝土，抗渗等级P12，限制裂缝开展宽度≤0.2mm；

（2）防水混凝土应采用普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，宜掺粉煤灰、粒化高炉矿渣微粉等活性粉料；

（3）管片在使用期间应满足强度、抗裂要求，最大裂缝宽度不得大于0.2mm，对于出现渗漏的裂缝及裂缝宽度大于设计允许值的干裂缝应进行封堵处理；

（4）管片拼装前应确保密封垫槽和嵌缝槽的宽度（无缺损和气孔）；

（5）每生产50环管片应抽查1块做检漏测试，试验标准为：1.0MPa水压力维持3h，渗水深度≤5cm[1]。

2.2 管片间密封垫防水

以神华神东补连塔煤矿斜井为例，采用拼装式管片，环向衬砌环分块方式为：“3（标准块）+2（邻接块）+1（仰拱块）+1（封顶块）”[2]。衬砌纵向每环1.5m。接缝是防水的薄弱环节，也是能够控制衬砌最大外水压力的关键部位，其指标的选取非常关键。密封垫需具备相应的耐压性能、变形性能等要求。

2.3 管片壁后填充层与管片结构共同防水

壁后注浆在局部改变了斜井壁后岩土体渗透参数，注浆区域与管片接缝相互作用，管片壁后填充层对管片结构防水性能产生影响，高水压状态下填充层与管片结构形成共同防水的体系。采用管片装配式衬砌时，应对高水压主要可以采取以下几种方式[3]：

（1）“注浆全封堵方式图1（a），将衬砌结构设计成能够承受外水压力的抗水压衬砌，并使衬砌与周围注浆后围岩尽可能形成一个整体来共同承受外水压力。

（2）“单纯泄水方式”图1（b），通过降低地下水位以减小或消除地下水对衬砌结构的影响。

（3）“堵水限排方式”图1（c），允许地下水有限排放，当衬砌背后通过注浆圈渗入的地下水量小于衬砌的排水能力时，衬砌的外水压力将大大降低，从而确保隧道衬砌的安全（见图1）。

根据环境的要求，选用防水方式。盾构法施工时，由于管片在掘进之后立即支护，并具有较高的防渗能力，再加上壁后注浆系统的使用，能够起到很好的防水堵水功能。

图1 管片衬砌应对水压的三种主要方式

以“堵水限排方式”为例，其本质是要变地下高静水压为动水压力，通过质量可靠的注浆圈对动水压的有效消减，管片衬砌对渗流进入其壁后流量的有效排放来实现降压和不破坏生态的目的。静水压转换为动水压就是要把面力转换成体积力，从而实现注浆圈处消能的目的。

3 盾构法斜井壁后填充共同防水及分段隔水

根据盾构施工煤矿斜井工程地质及施工特点，可利用管片壁后填充层与管片共同构成防水体系，并可进一步对管片壁后地下水采取分段隔水处置技术。分段止水包括壁后回填方法、化学浆环向封堵施工方法。以下根据盾构工作特点，采取对应的壁后填充方案，并对分段隔水效果进行模拟研究。

3.1 壁后回填注浆

盾构在掘进时，衬砌管片与地层之间的环形空隙通过同步注浆以及二次注浆充填空隙，形成一道外围防水层。在下坡掘进的情况下，注浆浆液易往前流，注浆质量不高，浆液流失严重，严重时易抱死盾壳。为减少水泥浆液往盾构前方流动，同时弥补水泥灌浆防水性能不稳定引起的上下含水层之间水力联通，每隔30环取2环填充快速凝结的双液浆或化学浆液进行全环封闭止水注浆。为减小浆材硬化收缩，所有的注浆材料皆宜掺加一定量的微膨胀剂。同步注浆浆液应具有良好的抗水分散性和可注性，胶凝时间一般为3～10h（终凝），根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高早期强度地段，可通过现场试验调整配比和加入早强剂，以缩短胶凝时间获得早期强度，保证良好的注浆效果。对于埋深较大，地层较软弱地段，应适当延长终凝时间，以加大围岩应力释放，减少结构内力[4]。

注浆质量采用地质雷达和超声波探测法进行检查，对未满足要求的部位，应进行补充注浆。对于物探异常部位，必要时应进行钻孔验证。环向测线位于该环管片中部，间距10环管片。

3.2 壁后回填参数

管片壁后采用分布注浆堵水与豆砾石充填结合的方案。

3.2.1 填充细石混凝土、吹填豆砾石

管片拼装成环脱出盾构盾尾后，管片外侧与岩石之间的空隙应充填密实，立即进行底拱块的C20早强细石混凝土填充，以期获得衬砌环推出盾尾后基底的稳定[5]。随后及时安排豆砾石吹填 （除底拱块采用细石混凝土填充外其余各块均吹填豆砾石）以防止管片结构失稳。由豆砾石材料车将豆砾石运至豆砾石泵，然后用高压风通过管片的预留孔吹填豆砾石。充填顺次应是先底部、次两侧、后拱顶，避免充填的豆砾石出现架空。豆砾石粒径应为5～10mm，吹填前应清洗干净。

3.2.2 回填注浆

充填豆砾石完成后，立即进行回填灌浆，以固结豆砾石[6]。注浆要点如下：

（1）为避免上下含水层之间水力联通，每隔30环取2环填充快速凝结的双液浆或化学浆液进行全环封闭止水注浆[7]。注浆浆液根据结构埋深、地层条件和掘进速度，通过现场试验来调整胶凝时间和强度。注浆材料对管片的膨胀力应通过现场试验确定，膨胀力不能对管片造成损伤、不能影响管片的安全性。如水量较大，对正常掘进影响较大，可适当缩小双浆液或化学浆液的注浆间距。

（2）双浆液或化学浆液全环封闭后在封闭的区段进行水泥灌浆，形成一道外围防水层。注浆应具有相应的抗水分散性、固结体强度；注浆作业时注浆量和注浆压力管理，注浆质量检测[8]。

（3）大坡度斜井双浆液配比设计

①浆液配比

水灰比=1∶1，P.O.42.5级水泥；

水玻璃采用模数3，浆液浓度为20Be’；

水泥浆液：水玻璃=1∶1；

注入速率：V水泥浆液：V水波璃浆液=1∶1；

双液浆初凝时间为58s。

②注浆参数控制

a.注浆时间

双液浆注浆的时间以注浆压力控制为主，当注浆压力达到0.2～0.3MPa应停止注浆。

b.注浆量

双液浆注浆量因豆砾石填充不能精确计算其用量，在施工中根据注浆压力来控制其用量，规范要求双液浆注浆压力控制在0.2～0.3MPa，当注浆压力达到0.3MPa时，其填充效果以满足要求，此时的用量就是实际所需的用量。

注浆量：根据经验公式计算和施工经验，注浆量取充填豆砾石理论体积的0.3～0.6倍，因每环注双液浆向四周渗流损失，实际施工时取2倍系数考虑，即：

V=K1×K2×V每环

（4）其它化学浆液（马格尼）配比设计

①浆液配比

底粘度树脂A：固化剂B=1∶1；

注入速率：V树脂A：V固化剂=1∶1；

浆液初始反应时间为35～45s，反应结束时间60～100s。

②注浆参数控制

a.注浆时间

马格尼注浆的时间以注浆压力控制为主，当注浆压力达到0.2～0.3MPa应停止注浆。

b.注浆量

马格尼注浆量因豆砾石填充不能精确计算其用量，在施工中根据注浆压力来控制其用量，规范要求马格尼注浆压力控制0.2～0.3MPa，当注浆压力达到0.3MPa时，其填充效果以满足要求，此时的用量就是实际所需的用量[9]。

注浆量：根据经验公式计算和施工经验，注浆量取充填豆砾石理论体积的0.3～0.6倍；因渗流损失，实际施工时取2倍系数；因浆液遇水膨胀10～20倍，不遇水膨胀1.05倍，计量时需取1/20～1/1.05的系数。

V=K1×K2×K3×V每环

3.3 分段隔水方案

环向封堵采用的是双浆液及化学注浆，胶结快、堵水好。当管片脱出盾尾10环时，从仰拱至拱顶，自下而上沿每个注浆孔注入，注浆范围为连续3环，注浆压力不大于0.5MPa。盾构分段止水设计如图2所示。

图2 盾构分段止水设计图

考虑填充层特性的井筒环境渗流分析模型：

为了验证壁后注浆方案的有效性，针对“每隔30环取两环填充快速凝结的双液浆进行全环封闭止水注浆，环间采用水泥浆”方案进行井筒环境渗流分析，采用Flac3D流固耦合模块进行。采用实体单元模拟地层、衬砌和壁后注浆材料。考虑到对称性，建立模型尺寸为25m×69m×360m，共计单元数量52080个。本构关系采用弹性模型。流体计算时采用各项同性渗流模型，并认为颗粒不可压缩，即取Biot系数α=1。由于隧道通过地层水源补给充足，认为隧道的开挖为饱和渗流问题，取饱和度S=1。其他计算参数根据地勘报告结合工程经验取值，见表1。

表1 地层与结构材料参数取值

由于斜井工程的扰动属性主要是流体，在数值模拟时，采用两步求解法：首先设置静水场，计算自重及开挖的应力场变化，然后同时打开渗流场和岩土体自重应力场，计算工作面处的涌水量。整个计算分为7步掘进，每次进尺为48m，其中包括30环环间采用水泥浆及2环快速凝结双液浆。模型示意图见图3。

图3 环境渗流计算模型示意图

通过分析，随着斜井盾构的掘进，整个地层的孔隙水压与渗流场逐渐发生变化。斜井掘进过程中孔隙水压分布较为稳定，除少数区域出现超孔隙水压之外，大多数区域均为正孔隙水压。由于工作面应力的释放，工作面处的孔隙水压极小，从而导致了工作面涌水。斜井在明洞处的空隙水压最小，越往下空隙水压越大。从孔隙水压等压线的分布情况可以看出，等压线朝着斜井方向倾斜，这说明地下水正朝着斜井方向涌出。斜井盾构的掘进，导致整个地层的渗流场发生变化，渗流朝着隧道方向进行。

4 结论

以神华神东补连塔煤矿斜井工程为例，针对管片自防水、管片间密封垫防水及管片壁后填充进行研究，得出如下几个结论：

（1）通过对管片参数进行设计，能够达到依靠管片自身防水的目的；

（2）以“堵水限排方式”为例，讲述了管片衬砌应对高水压的三种主要方式；

（3）提出了分段隔水的设计思想，研究确定了壁后回填方法、封堵环化学浆环向封堵施工方法及其技术参数。综合处置措施下可提高斜井系统的防水能力，把水害降至最低。

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[5]王明华.煤矿斜井高压富水TBM掘进技术研究[J].铁道建筑技术，2015，5：63～64，73.

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[9]朱德开.喀斯特地貌路基岩溶整治综合施工技术[J].建筑工程技术与设计，2015，10：279～280.

TD263.2

A

2095-2066（2016）35-0230-03

2016-11-26

杨俊哲（1964-），男，博士，教授级高工。