敞开式TBM掘进过程中区域裂隙水的治理

陈 桐，陈 宇

(1.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司，内蒙古 兴安盟 137400；

1 工程概况

引绰济辽工程属于国务院确定的“十三五”期间实施的“172”项节水供水重大水利工程。工程从嫩江支流绰尔河引水至西辽河，设计年调水量4.88亿m3，由文得根水利枢纽和输水工程两部分组成，输水线路全线采用重力流输水方式，输水工程全长390.263km，由隧洞、暗涵、PCCP管道组成，为沿途兴安盟、通辽市的9个旗县区和工业园区供水；隧洞全长183.3km，隧洞开挖采用TBM掘进和钻爆方法，其中TBM掘进总长度为92.68km，钻爆总长度为81.238km，暗涵总长度为9.38km。

1.1 水文及工程地质

1.1.1水文地质条件

隧洞段地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水，地下水位埋深范围为0.2～170m。地下水主要接受大气降水补给和山体的侧向补给，第四系松散岩类孔隙潜水以向下游排泄和垂直渗透排泄为主；基岩裂隙水以侧向排泄和垂直渗透排泄为主。

1.1.2工程地质条件

隧洞开挖总体走向由北向南，沿线穿越河流、冲沟谷地等，主洞埋深为30～270m，主洞地层主要为第四系上更新新统坡积冲积层(Q3dl+al)、侏罗系上统宝石组(J3b)、侏罗系中统胡日格组(J2h)、侏罗系中统付家洼子组(J2f)、燕山期侵入花岗岩(γ5)、二迭系下统清风山组(p1q)、大石寨(p1d)、侏罗系中统新民组(J2X)白音高老组(J3b)、燕山期侵入岩(γ52)等[1]，岩性主要为凝灰角砾岩、酸性熔岩、凝灰砂砾岩、变质砂岩、板岩、安山岩，花岗斑岩等。

1.2 TBM施工困境

TBM掘进段埋深范围为60～270m，地下水位较高，全线29条支洞，15条支洞控制段主洞出现涌水。从开挖后暴露出的裂隙水环境将其分为两类，一类是：围岩整体性差，节理裂隙发育，裂隙宽度主要以宽张开裂隙为主，宽度大于5mm，涌水形态为脉状、较为集中，以Ⅳ、Ⅴ围岩为主；另一类是：围岩整体性好，节理裂隙不发育或较发育，裂隙宽度以张开裂隙为主，宽度3～5mm，涌水形态为层状或线状，分布方向各异，以Ⅲ围岩为主。涌水量为1万～5万m3/d，其中4台TBM掘进中受裂隙水的困扰，导致电气设备和机车故障率高、换刀和铺轨困难、排水设施投入大，掘进效率降低，增大了淹机和卡机风险。

2 超前地质物探方法应用

对面临的施工困境，研究出了针对性的措施，采取了“先探后掘，以堵为主[2]，以排为辅”的施工指导思想，要求全面补充地质勘察，结合“先定性，后定量”多种物探相互验证的原则，准确摸排前方地质条件，常用物探方法见表1。

表1 地下水常用物探方法

根据物探结果确定的富水区域，辅以钻孔物探进行验证。通过钻孔确定围岩地质构造、岩性和围岩强度等；通过压水试验[10]确定透水率；通过抽水试验[11]确定涌水量、渗透系数和影响半径。以上物探及其实验结果都为后期解决掘进中受裂隙水困扰的难题提拱了依据。

3 TBM掘进段区域裂隙水处理方法及适用条件

区域裂隙水严重影响了地质围岩的稳定性及TBM掘进效率，为有效解决此问题，从处理位置上采取洞内处理和洞外处理两种方法。洞内处理方法为掘进超前阻水和掘进后方阻水，其优点是不受外部环境影响，阻水成本低、范围准、效果好，缺点是实施交叉作业难度大，严重影响TBM掘进效率；洞外处理方法为地表竖向灌浆阻水和地表定向灌浆阻水，其优点是超前预处理灌浆阻水不影响TBM掘进，缺点是造价高、易受地形地貌和外部环境影响。

3.1 TBM掘进超前阻水

当洞内围岩稳定性较好，裂隙水较大，刀盘下方排水泵无法满足排水要求，铺设轨道困难，同时在TBM掘进中不需要立拱架的条件下，可以考虑刀盘前方超前阻水灌浆(如图1所示)。①将TBM后退10m，根据出水位置，采用手风钻钻孔，孔径为42mm，孔深7m；②控制外插角3°～15°，距孔口不小于1m处安放止浆塞；③Ⅰ序灌浆孔注浆压力控制在0.5～0.7MPa，Ⅱ序灌浆孔注浆压力控制在0.8～1MPa，采用C-S双液浆，双液浆凝结时间控制在1.5～2min；④采取纯压浆方式，可掘进两个循环，留重叠区继续灌浆。本方法的难点在于因围岩节理裂隙密集且各向异性，导致动水灌浆时串浆、跑浆，无法升压、保压，可通过采取打泄水孔、安装止水阀、减小水灰比、提高水玻璃参量、缩短双液浆初凝时间的措施进行改善。

图1 刀盘前方超前阻水灌浆示意图

当穿越断层带时，顶拱围岩破碎严重，涌水量大，顶护盾压力增加，TBM无法后退，此时TBM受涌水和围岩破碎的干扰，可采用TBM顶护盾后方进行超前灌浆方式[12](如图2所示)。①TBM设计时预留位置安装超前钻机，钻孔外插角10°～15°，有效覆盖范围为顶拱120°；②钻杆长1.5m，采用套接，孔径为42mm，钻孔深度不小于10m；③插入长度不小于5m的小导管，小导管外压槽并安装膨胀止水环，孔口用胶泥或锚固剂封堵，采用C-S双液浆注浆；④若围岩破碎严重，双液浆内可掺细沙，注浆压力控制在0.5～0.8MPa。此方法优点是采用双液浆既有阻水又有固结围岩的作用，小导管避免塌孔、支撑顶拱围岩并避免大量浆液串浆至顶护盾及刀盘上，污染设备；缺点是超前钻机覆盖范围受限，对无法覆盖的范围还需采用掘进后方阻水的方法。

图2 刀盘后方超前阻水灌浆示意图

3.2 TBM掘进后方阻水

当掘进剥离出裂隙水但涌水量不大、围岩整体性较好、对TBM掘进影响风险较小时，可以考虑掘进后方阻水(即边掘进边阻水灌浆)，此方法有利于改善作业环境，减小排水压力，保证二期永久混凝土衬砌质量。根据裂隙分布，可用油性聚酯氨灌浆或C-S双液浆灌浆方式。当采用油性聚氨酯灌浆时，可结合骑缝钻孔方式，钻孔深度不小于1m，安装止水针头，控制反应时间在40～60s；当采用C-S双液浆灌浆时，可用手风钻打孔，钻孔深度不小于1.5m，采用螺杆止浆塞，距孔口0.5m处卡塞，控制凝结时间在60～120s，若时间短难以注灌浆，可采取孔内双液混合，控制注浆压力在0.2～0.5MPa。当阻水效果不理想时，可采用复合式阻水灌浆，浅层Ⅰ序灌浆孔注入油性聚氨酯，深层Ⅱ序灌浆孔注入C-S双液浆，既发挥了油性聚氨酯反应速度快遇水膨胀的优点也体现了C-S双液浆凝结后强度高寿命久的特点。

3.3 地表竖向灌浆阻水

若隧洞埋深小于100m，敞开式TBM穿越河谷地段，在物探结果富水严重区域，可采取地表竖向阻水灌浆方式(如图3所示)。从地表钻孔，对隧洞洞身附近的围岩进行灌浆阻水，依据钻孔物探压水、抽水实验结果，通过分析地质构造、裂隙宽度、影响半径，确定孔间距为3m，梅花形布置，边孔距开挖线3m以外，竖向注浆范围从隧洞顶4m至隧洞底以下3m处。

施工工艺要求：施工机械选择液压水井钻机。钻孔方法一：①采用Ф168偏心钻头，套管为Ф198；②跟管钻至基岩1m处，换Ф130钻头钻至顶拱上方4m处；③换Ф90钻头钻至洞底以下3m处，进行洗孔；④下PVC套管(DN125)，套管下至顶拱上方4m处，PVC管与套管间注入套壳料(水泥浆)封闭，拔出套管；⑤采用规格为Ф51- 2栓塞下至顶拱上方4m处，灌浆方式采用全孔一次纯压法。钻孔方法二：①采用Ф168偏心钻头，套管为Ф198；②跟管钻至基岩1m处，换Ф130钻头钻至顶拱上方4m处，钻进过程若围岩完整，可一次钻至洞底以下3m；③用规格为Ф89- 2栓塞下至顶拱上方4m处，灌浆方式采用全孔一次纯压法。以上2种方法根据实际地质情况选择。灌浆采用水泥浆，水泥选用P.O42.5规格，水灰比为1∶1、0.8∶1、0.5∶1；注浆压力控制为静水压力的1～1.5倍，最终确定为一序孔孔口压力为1MPa，二序孔孔口压力为1.5MPa，终压达到设计压力稳压20min或终压达到设计压力且单液水泥浆终量不大于1L/min，可以结束注浆工作；采用分序跳孔灌浆钻孔作业，避免浆液串孔，即先Ⅰ序作业，再Ⅱ序作业，每序灌浆孔与作业钻孔应隔一孔、钻一孔、灌一孔。

3.4 地表定向灌浆阻水

当地面埋深大于100m时，可以采用地表定向阻水灌浆方式(如图4所示)。根据隧洞埋深和钻孔深度选用定向钻机，钻孔轨迹可选用Navigator Drilling Studio或Landmark进行轨迹设计分析。钻孔直径Ф152mm，井眼常用最大狗腿度为18～20°/30m，故当埋深在100～200m时，造斜段施工难度大，钻孔发生事故率高，可采取开孔斜井钻进；当埋深大于200m时，造斜曲率半径变大，设备施工更容易，可采用开孔垂井施工。钻杆可采用无磁钻铤、螺杆钻具、加重钻杆、方钻杆等；测斜采用MWD无线随钻，钻头一开采用牙轮钻头，二开、三开采用PDC钻头；地面设置泥浆池、振动筛池和注浆站等。

施工工艺要求：①斜冲段和垂直段井采用Ф152mm钻头穿越覆盖层钻至基岩下10m处，下Ф146mm套管，套管外壁缠绕麻绳，挂快干水泥；②造斜段采用Ф133钻头钻至水平段，下Ф127套管，采用水灰比为0.5∶1～1∶1的单液水泥浆进行固管，水平段高程为TBM掘进断面的水平中心线位置，两条水平段分支采用Ф94钻头钻至目标标靶位置。钻孔轨迹可以设计成“羽型”、“鱼刺型”，钻孔完成后进行洗孔；③采用全孔一次劈裂注浆，注浆材料可以选用CL-C型黏土水泥浆或单液水泥浆，注浆压力为静水压力的1.5～3倍，且不小于地应力的最大水平主压力，确定最终注浆孔口压力为5MPa；④终压孔压力达到设计压力稳压20min或终压孔压力达到设计压力且CL-C型黏土水泥浆终量不大于250L/min、单液水泥浆终量不大于200L/min，可以结束灌浆工作。与地表竖向灌浆相比，此方法施工工期短，征地投入费用少，对地表破坏较小，有利于水土保持。

图3 地表竖向灌浆平剖示意图

图4 地表定向阻水灌浆平剖示意图

4 灌浆材料推荐

在隧洞开挖阻水灌浆施工过程中，关键在于灌浆材料的选用，了解每种灌浆材料的属性，同时匹配涌水、渗水的地质条件，针对性选用灌浆材料，便能达到事半功倍的效果。既可以考虑单一灌浆材料，也可以考虑复合灌浆材料即两种以上灌浆材料进行阻水。灌浆材料选择要考虑材料的可灌性、耐久性、流动性、凝结时间、抗冲刷能力、黏结强度等因素。常用的灌浆材料类型和特点见表2，以供参考。

5 阻水灌浆质量评价及验收条件

阻水灌浆具有隐蔽性，对于洞内涌水封堵可以直观的判断阻水灌浆质量效果，但对于地表预灌浆判断阻水灌浆质量相对较难。若以渗透系数为判断标准对地表预灌浆进行质量评定时，以渗透系数小于等于10-4cm/s为合格，大于10-4cm/s为不合格；若以渗水量为判断标准时，以渗水指标小于等于1L/min为合格，大于1L/min为不合格。若要求系统制定质量评定程序对地表预灌浆进行质量评定时，一是注浆前每36m进行地质探孔，以渗透系数、透水率作为灌浆前后对比参考值；二是灌浆后每12m设检查孔，要求检查孔渗透系数小于等于10-4cm/s或透水率小于等于10Lu；三是开挖后查看浆液扩散半径[17]、渗水情况，调节下一段注浆材料配比、孔距、终压和终量等参数，以满足后续阻水灌浆要求。

表2 常用灌浆材料分类与特点

6 结语

随着大批引调水工程的实施，隧洞开挖采用敞开式TBM的开挖方式已成为主流。但区域裂隙水和不良地质病害是影响TBM掘进的重要风险因素。引绰济辽工程采用灌浆阻水方法有效解决了这些难题，保证了TBM掘进高效性和适应性，也为其他引调水工程在实施过程中采用敞开式TBM掘进治理区域裂隙水提供新的思路和参考。