松散型围岩化学灌浆固结技术在TBM施工中的应用

马俊彬

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110015）

松散型围岩化学灌浆固结技术在TBM施工中的应用

马俊彬

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110015）

文章基于大伙房水库输水工程六河标段的工程实例，通过数值模型计算以及实际工程效果，证明聚氨酯化学灌浆固结技术对提高松散型围岩的力学性能具有显著作用，结论对该技术的推广应用具有重要理论和实际价值。

TBM施工；松散型围岩；化学灌浆

双护盾TBM已经广泛应用于隧工开挖施工，并取得了良好的施工效果和经济效益。在长大埋深的隧洞开挖过程中，一旦遇到断层破碎地段，极易由于施工扰动造成岩石的松动与坍塌。这不仅会给洞室的稳定性造成极大影响，同时岩石松动与坍塌产生的松动压力也将直接作用于TBM的刀盘与护盾，从而影响施工的正常进行。化学灌浆固结处理可以有效改善松散岩层的力学性能，增强岩体本身的强度与刚度，提高自身的承载力，以保证TBM的顺利通过。

1 工程概况

1.1 项目简介

大伙房水库输水工程是我国南水北调项目的支持工程，同时也是辽宁省“十五”和“十一五”规划的重点供水工程项目［1］。项目的建成可以有效缓解辽宁省中部工业发达地区核心城市的工业与生活用水问题。这一超大型跨流域调水工程的起点为辽宁省凤呜水库，终点为大伙房水库。其中输水隧洞全长85.3km，项目设计输水流量为70m3/s，年平均输水量约为17亿m3，工程预算总投资为52.2亿元。该工程为国内乃至世界第一长输水隧洞，沿线地质条件复杂多变，施工难度较大［2］。

1.2 六河标段的地质环境

大伙房输水工程的六河标段地质构造异常复杂。该标段具有明显的断裂构造发育，主要表现为元古代与中生代脆性断层，而绝大多数断裂构造又历经多次构造运动的改造，而呈现出断承性与复合性特征。据工程设计阶段的地质勘查资料，共有F13和F14两条压扭型中型断层穿越主洞线。由于强烈的构造应力作用，不仅在两条断层间形成与之基本平行的背斜构造，同时还在其间孕育了数量众多、规模较小、性质不同的次级构造断层。隧洞沿线地层的岩性比较古老，主要由远古代砂质板岩、泥质板岩以及石英砂岩组成。由于隧洞的洞线穿越六河河谷，该河的年平均径流量大约为1.9亿m3。受到地质构造的影响，六河标段的水文地质条件也十分复杂。地下水与地表水相互作用、联系密切，在施工过程中曾经多次发生涌沙、涌水现象，对洞体的稳定极为不利。

2 松散性围岩化学灌浆固结技术的适用性

2.1 松散性软岩对TBM施工的影响

大伙房输水工程的六河标段隧洞区的岩层十分古老，同时又在各个地质时期受到多次构造运动的不同作用，产生了数量众多的大小裂隙断层，因此岩体极为破碎。按照我国相关的工程技术标准，该标段已经实际开挖部分的围岩属于Ⅲ类的占 6%、属于Ⅳ类的为 72%、属于Ⅴ类的为22%。在实际开挖过程中共遭遇断层21个，累计厚度为413m，这一数值几乎是全部已开挖长度的13%。

该标段的岩层中的泥质板岩和砂质板岩等属于变质岩，但是存在变质不彻底和变质较轻的情况。因此经过岩层裂隙水的长期作用，部分岩层出现了明显的软化现象。地层中的石英岩由于岩性较脆，因此在长期构造作用下，产生了十分密集的裂隙。此外，在该标段的岩层中还经常出现一些糜棱岩，这些含水量较高的岩体在开挖过程中极易坍塌，造成大量的岩碴涌入TBM的机头和出碴槽。一旦出现上述情况，就必须长时间停机进行人工清碴，严重影响了 TBM工作效率的发挥。总之，要保证施工的顺利、正常进行，必须要采取技术措施对松散围岩快速加固。

2.2 聚氨酯化学灌浆固结技术的优势

为了消除六河标段松散围岩对施工造成的不利影响，在施工中拟利用聚氨酯化学灌浆加固技术。

聚氨酯是近年来用于围岩加固的一种新型化学材料［3］。这种材料水溶性良好，在水溶之后可以形成一种弹性固体，其伸长率可达 120%至 150%。聚氨酯的混合溶剂在遇水之后可以迅速分散、乳化并凝固，其凝固时间与施工环境的多种因素以及具体配方有关。在六河标段对隧洞的松散岩层进行的试验显示，其凝固时间为50s左右。

聚氨酯混合溶剂可以将周围比较松散岩体予以有效包裹，并随着其快速凝固而形成具有一定强度和厚度的固结岩层［4］。灌浆施工开始前，工程技术人员在施工现场的松散岩层中进行了一次简易试验。待岩层固化完毕后，取下了一块直径约25cm的固结岩块，不借助其他工具，一个成年人并不能将其掰裂。试验显示，原来粒径在15mm以下的松散岩粒，经过聚氨酯化学灌浆固结之后，可以形成最小粒径在12cm以上的较大岩体。因此这种化学灌浆加固技术能够明显提升松散岩层的强度，有效防止围岩的坍塌。

聚氨酯化学灌浆技术不仅可以迅速固结松散围岩，同时还有优良的遇水膨胀特性。通过聚氨酯化学灌浆技术处理，能够迅速形成厚达几米的固结岩体防水墙，有效减小 TBM机头的涌水。因此，该技术具有加固与止水的双重功能，将其用于大伙房输水工程的六河标段松散围岩加固无疑是适合的。

3 聚氨酯化学灌浆固结技术的数值模拟计算

3.1 数值计算模型的建立与参数设计

3.1.1 计算模型

根据工程实际，数值模型的尺寸设计为40m× 40m×1m，隧洞埋深为150m，直径为3.65m，几何模型的简图如图1所示。

图1 数值计算模型简图

3.1.2 屈服准则与边界条件

在模拟计算过程中采用Drucker一Prager弹塑性材料模拟经过聚氨酯化学灌浆处理后的围岩，利用ANSYS线弹性材料模拟TBM护盾的力学特性［5］。根据具体施工过程中的隧洞情况，假定计算模型上部仅考虑由于岩层重力作用而产生的初应力效应，因此设计为岩层自重产生的均布荷载，计算模型的两侧均为限制水平移动的可滑动支承，而底部则为固定支座。

3.1.3 加固后的围岩力学参数

根据工程实际，在模拟计算中采用如表1所示的力学参数。

表1 隧洞围岩加固力学参数

3.1.4 网格剖分

利用ANSYS10.0软件进行网格自动剖分，基于编好的数据文件，加入模型参数和边界条件可以自动生成数值模型。数值模型均选择平面应变特性，共剖分为 5421个单元，18535个网格节点。

3.2 计算结果及分析

按照上述数值模型进行计算，其结果显示经过聚氨酯化学灌浆处理后的围岩应力明显改善。隧洞两侧的局部区域第一主应力较大，其最大值为2.33MPa，其他区域均在2.00MPa以内。拉应力出现在洞壁表面，其最大值为-0.012MPa。

从计算结果来看，护盾两侧区域所受的压应力较大，最大压力为0.003MPa。拉应力出现在护盾的顶底内表面，其最大值为-0.002MPa，上述数值对厚度达50mm的护盾来说，应该是微不足道，对护盾本身不会产生任何危害。

对计算结果的分析可以看出，经过聚氨酯化学灌浆加固之后，隧洞周围的松散围岩稳定性可以得到显著提高，在短期内可以承担全部的围岩压力，几乎可以完全消除松散围岩对TBM护盾的压力。所以，在不考虑其它因素的前提下，聚氨酯化学灌浆固化松散围岩技术，对该工段的断层破碎带具有明显效果，可以极大改善 TBM施工环境和施工条件。

3.3 化学灌浆固结层厚度的确定

当施工面前方的断层破碎带具有较大范围时，显然并不能也不需要将全部破碎带进行灌浆加固。如果加固的厚度过大，不仅不利于施工成本控制，同时也不利于提高施工效率。如果加固厚度过小，又难以起到应有的作用。合理确定灌浆固结厚度是聚氨酯化学灌浆施工中的重要问题。

由于经过化学灌浆处理的围岩可以形成比较稳定的结构，其内聚力、内摩擦角以及抗压强度均有明显提高，因此可以将固结后的围岩视为满足Hoek-Brown强度准则的岩体。所以，可以根据公式（1）计算灌浆处理之后的最大塑性半径，再减去TBM开挖半径，即可得到固化层的合理厚度。

其中r0为隧洞的开挖半径，取1.83m；mp、sp为固结围岩的材料常数，取 mp为 1.230，sp为0.00291；σci为单轴抗压强度，取4.0MPa；p0为固结前的原岩应力值N为支护压力折减系数。

在计算过程中可以依据数值模型试验与地质调查结果，将灌浆前后的最大主应力差作为P0-N的值，将上述与围岩相关的参数代入公式计算得出Rmax的值为6.34m。因此，化学灌浆固结层的合理厚度B=6.34-1.83=4.51m。但是考虑到工程地质环境比较复杂，在施工过程中可能会遇到某些不可预知的因素，因此将实际施工中的围岩合理厚度值确定为5.0m。

4 围岩化学灌浆的施工与效果分析

4.1 化学灌浆的施工工艺

在化学灌浆开始之前，应先将直径12mm，长2.5m带有小侧孔的钢管插入岩体之中。在距TBM开挖掌子面5～15m的位置，利用化学灌浆的专用灌浆机将黑、白两种聚氨酯水溶剂利用两条不同的管路进行输送，并在两个管路的出口分别安装压力表，以实时显示输出压力。每一个输送管路均与口径为14mm的灌浆专用软管相连，并将聚氨酯溶剂输送入灌浆孔口的混合装置。而后经由预先插入围岩的钢管进行灌浆作业。具体的施工参数如表2所示，灌浆施工示意图如图3所示。

表2 化学灌浆施工参数

图2 灌浆施工示意图

4.2 工程效果

首先，在施工掌子面进行化学灌浆处理之后，地下水的涌出量减少了60%左右，地下水对TBM设备的影响得到了有效控制。其次，隧洞围岩经过化学灌浆处理之后，使原本松散的岩石层变为体积较大的固结岩石，掌子面的坍塌问题得到了根本遏制，人工清渣的强度与工作量也大为减少。最后，在经过化学灌浆处理后，原本松散的岩体可以为TBM的支撑靴提供足够的支撑力，因此在后续施工中 TBM设备可以顺利通过所有地质不良地段。总之，聚氨酯化学灌浆技术的使用，有效改善了TBM施工环境，达到了模拟设想要求。

5 结语

通过数值模型计算与实际工程验证，聚氨酯化学灌浆技术的应用可以极大改善松散围岩的力学特征。灌浆固结后，地下水涌出量明显减少，施工掌子面坍塌问题得到了有效遏制，为TBM施工提供了良好的工作环境。但是聚氨酯属于易燃材料，同时燃烧过程中还会释放有毒有害气体，因此施工过程中必须要注意施工区域的防火和通风工作。此外，在施工过程中，会有部分聚氨酯随水流进入自然环境，从而造成一定的环境污染，今后还有必要在这方面进行深入的理论和实践研究。

［1］李瑞，姜政同，丁子栋.大伙房水库输水应急入连工程建设综述［J］.水利建设与管理，2012（S1）：1-2.

［2］毛文莉.TBM在大伙房水库输水工程隧洞施工中的应用［J］.水利建设与管理，2010（09）：4-5+12.

［3］马哲，庞浩，杨元龙，徐宇亮.化学灌浆材料的研究进展综述［J］.广州化学，2014（01）：9-13.

［4］刘广建，陈冲冲，陈国富.新型聚氨酯灌浆材料的研制［J］.塑料，2012（04）：38-39+105.

［5］高勤生，赵鹏涛，崔团峰.新型化学灌浆技术在TBM围岩加固中的应用［J］.人民黄河，2010（06）：137-138+141.

［6］杨建明.新疆达坂隧洞不良地质洞段TBM施工新型化学灌浆技术应用 ［J］.水利规划与设计，2009（01）：57-58+60.

［7］秦菡.TBM超前化学固结灌浆在引红济石工程中的应用 ［J］.陕西水利，2012（06）：83-84.

［8］刘建春.引红济石调水工程TBM脱困超前固结化学灌浆施工技术初探 ［J］.陕西水利，2013（01）：81-82.

TV543+.2

B

1672-2469（2017）02-0150-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.044

2015-12-23

马俊彬（1986年—），男，工程师。