富水段TBM法施工隧洞超前堵水方法

刘传信

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

1.1 概述

新疆某工程主洞TBM 2-1 段隧洞全长12 040 m，隧洞直径5.5 m，该洞为敞开式TBM 逆坡掘进，顺坡排水，坡度为1/5 000。

1.2 水文地质条件

该工程主洞TBM 2-1 段隧洞主要处于石炭系地层内，尾端处于侏罗系地层内，地层岩性为凝灰质砂岩和岩屑玻屑凝灰岩，局部夹凝灰质粉砂岩、沉凝灰岩、泥质粉砂岩，岩体呈厚～巨厚层状。

本标段地下水均为基岩裂隙水，没有统一的地下水面，埋深一般大于30～50 m，裂隙水主要通过结构面及强风化层渗移富集，主要储存于断层破碎带、裂隙密集带与不同地层或岩性的接触带，新鲜岩体内地下水一般较少，隧洞段属于地下水贫水区，渗流量小，大多以渗水、滴水为主，局部为线状流水。

根据隧洞施工方法及围岩工程地质条件，TBM 2-1 段大致可分为如下两大段，其水文地质条件如下：

1）SD40+495.16～SD49+087 段。该段洞长约8.592 km，洞顶上覆岩体厚175～210 m，洞身处于新鲜块状岩体内，以Ⅱ类围岩为主，局部存在Ⅲ类围岩。其中，Ⅱ类围岩长7.253 km，占该洞段的84.42%；Ⅲ类围岩长0.480 km（其中，Ⅲa 长约0.288 km，Ⅲb 长约0.192 km），占该洞段的5.59%；Ⅳ类围岩长0.859 km，占该洞段的10%。隧洞施工过程中沿裂隙会有渗水、滴水现象，沿断层破碎带或裂隙密集带会有线状流水。根据水文预测结果，SD40+200～SD46+500 段总涌水量1 916～3 213 m3/h；SD46+500～SD49+100 段总涌水量1 326～1 591 m3/h。

2）SD49+087～SD52+585.465 段。该段洞长约3.498 km，洞顶上覆岩体厚110～180 m，洞身处于新鲜块状岩体内，岩体大多较完整，局部完整性差，该段主要以Ⅲ类围岩为主。其中，Ⅱ类围岩长0.340 km，占该洞段的9.7%；Ⅲ类围岩长2.808 km（其中，Ⅲa 长约1.685km，Ⅲb 长约1.123 km），占该洞段80.3%；Ⅳ类围岩长0.350 km，占该洞段的10%。隧洞施工过程中沿裂隙会有渗水、滴水现象，沿断层破碎带或裂隙密集带会有线状流水。根据水文预测结果，SD49+100～SD51+227.062 段总涌水量3 156 m3/h。

2 富水段掌子面超前预注浆

由于工程所在区域地质条件复杂，为保障TBM（全断面隧道掘进机）正常掘进，拟在TBM 掘进至富水洞段，结合超前探水预报在施工过程中采用超前预注浆堵水方法。

超前预注浆分2 种状况进行：一种是掌子面前方围岩较好（Ⅱ、Ⅲ类围岩），超前探水预测前方含水丰富的情况；一种是掌子面前方围岩较差（Ⅳ、Ⅴ类围岩），超前探水预测前方含水丰富的情况。

当掌子面围岩破碎造成大量涌水时，为避免注浆过程中大量水泥浆流失，加强注浆效果，应首先进行聚氨酯化学灌浆堵水施工，对掌子面进行浅层堵水[1]。

1）超前预灌浆材料

水泥：新疆天山水泥厂生产的42.5#高抗硫袋装水泥；

水玻璃：浓度为1.31～1.34 g/cm3；

聚氨酯化灌材料。

2）超前预注浆设备

超前钻孔设备：100B 潜孔钻；

灌浆设备：灌浆泵使用SNS130/20 型泥浆泵；

制浆设备：制浆机使用ZJ-400 型高速制浆机；搅拌使用JJS-10 型浆液搅拌机。

2.1 Ⅱ、Ⅲ类围岩超前预注浆

2.1.1 施工准备

1）进行掌子面堵水作业前，先拆除护盾尾部已安装的2 榀钢拱架（Ⅲb 围岩），割除已安装的锚杆外露头，刀盘后退5.0 m，拆除部分边刀和中心刀，作为人员、设备进出通道[2]。

2）在刀盘至掌子面空间内放置18.5 kW 水泵，水泵数量根据掌子面涌水量确定，利用水泵将刀盘前部积水抽排至护盾尾部。

3）在刀盘至掌子面的空间内搭设作业平台，在平台上铺设5 cm 厚马道板。作业平台用脚手架管搭设，立杆间距1.2 m，横杆间距1.2 m，掌子面超前灌浆平台示意图如图1 所示。

图1 掌子面超前灌浆平台示意图

2.1.2 孔位布置

掌子面前方围岩性质较好（Ⅱ、Ⅲ类围岩），但预测前方含水丰富，沿隧洞轮廓线边缘需均匀布置12 个超前预注浆孔，孔深L=20.0 m，孔径φ=76 mm、90 mm，辐射状布置，辐射角度控制在10°以内。灌浆作业时，刀盘后退5 m，拆除部分边刀作为人员进出通道。刀盘前方搭设临时工作平台，完成超前预注浆后，无论掌子面涌水是否完全封堵，撤除掌子面前方工作平台和钻机，恢复刀头后掘进。掘进至超前预注浆远端剩余3～5 m 时停止掘进，作为下一注浆段的止浆岩盘，按照以上方法进行下一循环超前预注浆。即超前预注浆20 m，掘进17～15 m，继续下一循环超前预注浆和掘进。掌子面超前预注浆孔位布置示意图如图2、图3 所示。

图2 掌子面超前预灌浆孔位布置示意图

图3 Ⅱ、Ⅲ类围岩掌子面超前预注浆施工示意图

2.1.3 钻孔

钻孔前，进行孔位定位，在掌子面标出孔位。钻孔采用100B 轻型潜孔钻，钻孔采用全孔一次钻孔成孔。若钻进过程中遇出水情况，暂停钻孔进行灌浆后重新钻孔。

2.1.4 孔内冲洗

每个钻孔完成后，进行钻孔冲洗，冲洗压力为灌浆压力的80%，时间不少于15 m in，孔内有涌水的钻孔不进行冲洗。

2.1.5 灌浆

灌浆方式：灌浆方法采用纯压式灌浆，根据具体情况选用单浆液或双液浆灌注。

灌浆分段：根据钻孔出水情况，当出水量较小时，采取全孔一次灌浆；当出水量较大时，采取由内而外或由外向内分段灌浆，每段灌浆深度不超过6 m；当钻孔过程中出水量极大时，立即停止钻孔，开始灌浆封堵待封堵完成再进一步扫孔、加深钻孔[3]。

注浆阻塞：采用水压膨胀橡胶阻塞器，阻塞器卡在孔口或分段注浆部位，阻塞深度以灌浆过程孔口不移动为宜。

进浆管：进浆管距孔底距离不大于50 cm。

2.1.6 浆液比级

纯水泥浆液的水灰比一般包括4 个比级，分别为2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1。一般孔采用2∶1 浆液开灌，孔内涌水量大于30 L/min时，可用0.5∶1 浆液开灌。

浆液比级变换标准：灌浆时，当灌浆压力保持不变，注入率均匀减少；或者注入率不变，压力均匀升高时，灌浆工作持续下去，不得改变水灰比。

当某一比级浆液的灌入量已达300 L 以上时，灌浆压力及注入率均无改变或改变不明显，可改浓一级灌注。

灌浆过程中，出现漏浆、冒浆、串浆时，根据实际情况随时调整灌浆浆液水灰比级。

2.1.7 灌浆压力

根据钻孔中涌水压力确定，孔内涌水压力小于0.1 MPa时，灌浆压力为0.5 MPa；孔内涌水压力大于0.1 MPa 时，灌浆压力为0.5 MPa+涌水压力，但最大不超过2.0 MPa。

2.1.8 结束条件

在规定的灌浆压力下，灌浆孔停止吸浆，延续灌注10 min即可结束。

全孔灌浆结束后，用0.5∶1 新鲜水泥浆置换孔内稀浆或积水，采用全孔灌浆封堵法封孔，封孔灌浆压力采用该孔灌浆压力。

2.1.9 灌浆质量检查

1）钻孔检查，通过出水量判定固结堵水范围，有无注浆空白区。

掌子面所有孔完成超前灌浆后，进行灌浆堵水质量检查，质量检查方式为：在掌子面边缘辐射状布置检查孔、与隧洞轴线呈15°角，检查孔主要布置在裂隙发育密集处，检查孔孔径φ=76 mm，孔深20 m，每次完成12 个超前孔灌浆后，进行检查孔施工，检查孔按照固结灌浆检查孔5%的比例，选取1 孔即可。

灌浆合格的标志为检查孔不出水或者少量渗水。假如检查孔存在大量涌水，对检查孔须进行超前灌注。检查孔灌浆方法与超前灌浆孔灌浆方法一样。

2）开挖时检查浆液渗透和固结情况。

3）根据注浆施工记录（注浆量、压力表读数）判定注浆效果。

2.2 Ⅳ、Ⅴ类围岩超前预注浆

2.2.1 施工准备

Ⅳ、Ⅴ类围岩超前预注浆时，由于掌子面围岩破碎，不宜在掌子面进行超前处理，具体措施为：在TBM 设备L1 区搭设钻机平台，平台上安装100B 潜孔钻，进行钻孔，利用TBM 3#/4#台车上的灌浆设备进行超前预注浆，平台用10#槽钢和∠75 mm×75 mm 角钢焊接而成，超前预注浆钻孔设备平台如图4 所示。

图4 超前预注浆钻孔设备平台

2.2.2 孔位布置

掌子面前方围岩较差（Ⅳ、Ⅴ类围岩），预测前方含水丰富。刀盘不后退，采用100B 潜孔钻沿护盾后部轮廓线辐射状均匀布置12 个超前预注浆孔，每孔深20 m，辐射角度控制在10°以内[4]。

完成超前预注浆后，无论掌子面涌水是否完全封堵恢复掘进。掘进至超前预注浆远端剩余3 m 时停止掘进，按照以上方法进行下步超前预注浆。即超前预注浆20 m，掘进17 m，继续下一循环超前预注浆和掘进，孔位布置如图5 所示。

图5 Ⅳ、Ⅴ类围岩掌子面超前预注浆施工示意图

注浆方法与掌子面注浆方法相同，在这里不再重复进行叙述。

3 结语

富水洞段的隧洞掘进一直是困扰工程界的难题，富水洞段只有采取“以堵为主、堵排结合”的综合手段才能有效控制洞内出水量，保证隧洞顺利掘进。在施工过程中结合地质勘察和超前探水预报进行超前堵水灌浆可以有效减少洞内出水量，保障施工安全及TBM 的顺利掘进。