浅谈大埋深水工输水隧洞土压盾构掘进过断裂带施工措施

赖俊厚

(广东华隧建设集团股份有限公司，广州 510228)

1 概述

广东粤东三江连通工程是广东省委、省政府从粤东地区经济社会发展的全局高度谋划建设的重大水资源配置工程，对解决粤东地区资源性缺水和工程性缺水问题，支撑粤东地区经济社会高质量发展具有重要意义。

粤东地区山多地少，水资源配置线路穿山而行，具有埋深大，水系发达，富水断裂带裂隙发育等特点，而大埋深水工输水隧洞常规采用钻爆法或者TBM法进行施工，但是在山岭隧洞断裂带水系发达的地质条件下，采取钻爆法及TBM法均存在涌水塌方等风险，而采取盾构法施工，可大大降低这一风险。

采用盾构法，特别是土压盾构施工，在这种山岭隧洞断裂带水系发达的地质条件下，如何引水排水，防治喷涌，做好背填注浆，安全高效通过富水断裂带是关键所在。

2 工程背景

该工程的首期工程——韩江鹿湖隧洞引水工程取水于韩江下游潮州，是交水至榕江的二级支流西山溪的水资源配置工程，设计引水规模为46.52 m3/s，具有改善水环境、灌溉和城镇供水等综合效益。

韩江鹿湖隧洞引水工程线路长7.76 km，主要建设内容包括取水口、鹿湖～古巷段隧洞(3.5 km长钻爆法隧洞和2 km穿山盾构隧洞)、古巷～西山溪段隧洞(2.12 km平原盾构法隧洞)及西山溪出水口箱涵(如图1所示)。盾构区间采用两台8.8 m的海瑞克土压盾构机，其中穿山段盾构隧洞从位于永安村山脚下的盾构始发井向西北方向掘进，穿山越岭直至到达扩大洞室，总长为2 002 m。

图1 韩江鹿湖隧洞引水工程工程量示意

3 穿山段地质情况分析

1)盾构穿山段隧道全长2 002 m(K3+500～K5+502)，从盾构始发井向北方向掘进，至扩大洞室与钻爆段对接。采用8.84 m的海瑞克土压平衡盾构机，管片外径为8.5 m，内径为7.7 m，环宽为1.6 m。盾构段穿越山体，山体高程为30～80 m。从地质上看，盾构穿多条断裂带，根据地质勘探资料显示，穿山段盾构隧洞埋深为20～100 m，主要为透水性强的粉质泥沙岩，围岩破碎发育，地下水位高，山体内可能含有承压水(地质断面见图2)。如何在掘进过程中克服山体内裂隙水，断裂带内水系是土压盾构在此段的重点[1]。

2)根据地质补勘资料显示，其中在 650～760环位置，盾构机将连续穿越F147、F148、1#垭口，2条断裂带均为南北走向(注：穿山段盾构向正北方掘进)，主要为角砾岩，风化深呈全风化土状或呈糜棱岩泥化夹层；其中1#垭口由于裂隙水的影响，已经形成1个小鱼塘，还有当地的村民在养殖，该断裂带与垭口可能呈连通状况。而这一段也是穿山段土压盾构需克服的重中之重，一旦控制不好，容易造成盾尾漏浆[2]、螺旋机喷涌等不利后果。

4 盾构过断裂带掘进情况及采取措施

穿山段土压盾构机在推进至625环时，出现大量的裂隙水涌进土仓内，导致螺旋出土器发生喷涌现象，同时皮带机输送出来的大部分为非常稀的泥浆和磨碎的石粉，造成桥架下方掉落大范围的泥浆与泥渣，需要花费大量时间进行人工清理；由于裂隙水从四面八方涌入，即使按照始发阶段的应对措施，在管片注入双液浆形成止水环，封闭后方来水(平均1 d完成1～2环的进度)，也不能彻底解决此问题。因此，吸取经验，重新制定了排渣措施，具体如下。

1)刀具尺寸及气压辅助掘进

穿山段盾构进洞后，由于扭矩过高，掘进速度过慢，时间长造成土仓进水大，从而导致渣土过稀及无法正常排渣的困难[3]。

针对此情况，开仓检查刀具，发现问题主要在于刀具配置，由于刀盘前面焊了很多贝壳刀，开始安装的都是17寸的滚刀，但由于17球齿滚刀与贝壳刀的高差较小，导致滚刀切削的过程中，贝壳刀部分也产生了切削岩层的情况，造成刀盘与岩接触面积大，从而出现推力大和扭矩大的情况，产生一系列后续不利于掘进的因素。

决策判断，通盘滚刀除中心刀外，全部更换成18寸滚刀，在扭矩可控的前提下，提高盾构推进速度，通过时间差，把切削下来的渣土与进入土仓的水混合后及时通过螺旋机排出，减少喷涌情况的出现。

另外，气压辅助措施在此断裂带中过程中也起到了至关重要的作用。断裂带中粉质泥沙岩的存在，在一定的搅和作用下，能形成一层泥膜，在高气压作用下，这层泥膜能渗透进入到断裂带缝隙中[4]，由于气压撑住这层泥膜，在某种程度上减少了断裂带裂隙中的来水量。但在大来水的过程中，泥膜也容易被冲破而达不到实际的效果。

2)管片排水

在管片的-3～-4环，所有的管片注浆孔打开进行排水泄压(见图3)；排水的注浆孔在浆罐前(-8～-10环)进行二次补浆[5]。主要是利用管片排水泄压，可以降低土仓水压力，减少单位时间内地层裂隙水进入土仓的量，缓解螺旋机喷涌的冲击力度，减少因喷涌而洒落的渣土量，进而减少清理渣土的时间，提高掘进效率。

图3 管片排水

由于在盾尾刷后面一直打开的注浆孔在大量排水，故推进时没法做到同步注浆，不能利用水泥砂浆填充管片壁后的空隙，随着推进长度的增加，管片壁后的汇水通道和面积越大，相当于形成了深层的“降水井”，因此必须要定时定距离进行大量的二次补浆(见图4)，以弥补同步注浆量的空缺，措施中加强二次管片注浆时的堆填注浆措施为跟进措施，能形成一段一段的排水空间和注浆空间，作为两者结合使用。

图4 二次补浆止水

3)土仓壁排水

分别在土仓壁7点位、9点位的4寸球阀处接钢管至加装在螺旋旁边的22 kW水泵；在土仓壁10点位开孔焊接1条8寸的钢管延伸至4号台车的污水箱、并且在中盾处加焊1条4寸三通管连接至22 kW水泵，在推进过程中抽排至4号台车污水箱，再利用污水箱的55 kW水泵抽至井口(见图5～图6)。

图5 土仓壁4寸管排水示意

图6 8寸管安装示意

优点：可以根据仓内水位的高低和泥浆的浓度切换排水管路进行灵活抽排，减少土仓内水的含量。

缺点：由于刀盘的转动，切削下来的小石块和石粉混进土仓内的裂隙水，在使用22 kW水泵进行抽排时很容易进入4寸管。泵距离土仓壁远、泵口的进水管长且转弯角度大以及中间的三通和蝶阀多，管路频繁被石子石粉堵塞，由于空间狭小且电器设备多，清通管路的难度大、时间长。

4)抽水措施

管片小车后方安装可移动的18.5 kW水泵，把掘进过程中掉下的渣浆水抽排至井口；管片小车上放小土斗，皮带下挂18.5 kW水泵，及时把放置在桥架平台下小土斗里的泥浆水抽上皮带(见图7～图8)。

图7 管片小车上放土斗加大水泵示意

图8 排水到皮带机示意

相对于盾构掘进中标配的盾尾放置1台5.5 kW水泵，增加的18.5 kW水泵能有效提高隧道的抽水能力，特别是在采取管片排水措施时，管片小车后方聚积了大量的泥浆水，无法有效地从管片小车边流至盾尾进行抽排，加快了清理渣土的速度，有效提高掘进效率。

但由于小土斗体积有限，在喷涌严重时，小土斗内渣位上升快，需要专人根据实际情况边提升水泵边抽水，否则很容易堵管或者因渣土过多而引起软管被击破甚至爆泵壳。

5)盾体注CMC

CMC是化学泥粉的简称，提前拌制好的CMC溶液，经过长时间的搅拌和溶解后，能达到稠度较大，比重较大的果冻效果，且在水流较急的情况下不容易被冲散。在盾构机盾体上注入此种溶液，一方面可以填充空隙，减少各方来水，另外一方面，由于其在一次溶解后不产生固结，对盾体不会产生裹紧状态，因此，在一定程度上，可以实现封堵后方来水的功能，且能达到一定的实际效果，特别是在堆填砂浆的过程中能有效预防水泥浆液进入盾体范围，并由于此作用得到广泛应用。

在前盾1.11点位和中盾3.9点位的径向孔注入惰性浆CMC。主要目的是填充盾体周边空隙，有效阻隔后方来水进入土仓[6]。

6)加强管片二次补浆[7]

在地层裂隙水较大时，采取管片壁后大量堆填注浆。不同于一般的管片二次补浆时水泥浆和水玻璃同时注入的程序，注入步骤改为：在停止推进时关闭所有的排水球阀，使地层断裂带裂隙水处于相对静止流动状态，在-10环分别从1点、11点位同时注入2 m3水玻璃，接着注入水泥砂浆共40 m3(浆液进行调整，增加骨料，增加稠度，粉煤灰300，砂700，水泥200，注入时，每立方米添加1～2 kg减水剂)，主要目的是经过调整配合比的水泥砂浆稠度大、和易性好、流动能力强(注入后不易被水稀释)，先注入水玻璃与地层裂隙水混合，再注入砂浆，可以延长双液浆的初凝时间，让浆液在管片壁后有足够的时间扩散流动，通过大量堆填，可以让浆液形成有效封闭环。浆液的配合比在实际堆填过程中根据初凝时间的形状及时调整，需要达到的双液浆状态应该是具有一定的流动性，初凝时间应该在20～30 s之间，通过管底的充分混合后，经过管片预留孔注入管片与围岩的裂隙中，同时扩散到两个注浆孔之间至少一半的距离，才能达到封闭堆填的效果[8-10]。

7)具体掘进过程操作步骤[11]

① 每环的第1车，2条排水管打开、刀盘不转、螺旋机(约10转)排渣至土仓内没有渣土(判断依据为螺旋机转速15+都关不住水)，目标排3斗再转刀盘推进(看实际情况、不能少于2斗)。

② 从第2车开始，每1车都是2条排水管打开、刀盘不转、螺旋机(约10转)排渣至土仓内没有渣土(判断依据为螺旋机转速15+都关不住水)，目标排2斗再转刀盘推进(看实际情况、不能少于1斗)。

③ 推进时刀盘转速1.5(出渣以不大于10 cm为特征现象，如较多大于10 cm的石头出现，逐渐加快刀盘转速至1.8)，扭矩上限为6，速度能推多快就多快，每推30 cm就停止推进继续排完渣土(判断依据为螺旋机转速15+都关不住水)，目的是防止2点位的排水管被堵(可视实际渣土浓度停止推进先排渣，但长度不能大于30 cm)[12]。

④ 推进时发现土压突然上涨至1.2 bar或者喷得严重时，及时检查2点位的排水管是否堵塞(专人蹲守，及时摇动12点位和2点位的4寸碟阀，减少堵塞几率)，出现堵塞现象时及时停止推进，排渣或通管后再推进。

5 掘进效果及经验总结

采取此系列措施，是在推进过程中主要控制要点为排水和堵水相结合原则，尽可能减少断裂带水系进入舱内的水量，从而减少盾尾漏浆和螺旋机喷涌的不利影响。

依据此原则，各项措施根据不同的条件单独或者相互结合采用，盾构在通过这一连续断裂带过程中，盾构机各项参数相对可控，推力保持在1 600～2 400 t，扭矩控制在3 000～6 500 kN·m，上部土压力保持在0.4～0.8 bar，可以保持速度在10～25 mm/min之间[13]。土仓内进水量也逐步减小，推进过程中切削下来的渣土能与水中和，出渣开始顺畅。

在拼装管片、换车以及设备故障时，土仓内还是会大量进水，为保证推进过程出渣顺利，采取如下措施：

1)推进时采取低土压推进，尽可能地降低土仓内渣位，使推力减小、刀盘扭矩减小，进而保护刀具，必要时在出土性状能达到泥浆性能时采取气压辅助掘进[14]。

2)在管片后-3至-4环位置装球阀进行开孔排水泄压；停机时采用憋土保压且及时加气辅助保压至1.6～2.0 bar，防止外部裂隙水在停机过程中涌进土仓[15]。

3)推进过程中在管片-8～-10环进行二次补浆堆填9 m3/环，每20环做3环的封闭环(多孔管片处于-8～-10环时，对所有注浆孔进行二次补浆，自下而上，跳孔交替，每环至少4个孔，每孔2～3 m3)。

自此，各项措施在过程中严格执行，每日掘进精细控制，反复掘进的过程中也顺利通过了此区间最大的风险点。

6 结语

历经25天，穿山段土压盾构机顺利通过此段连续性断裂带水系，区间110环前后影响，日均4.4环8 m的进度。

广东地区山体隧道裂隙发育，断裂带较多，特别是在粤东水资源配置工程中，盾构隧洞也将替代传统的钻爆开挖方式。遇到的不良地质，特别是在穿山越岭的隧洞开挖过程中所能预见性的断裂带水系发育所带来的施工的影响，本文也专门提供了一些措施以作参考，后续随着科技的进步，这些措施也将在一次又一次的工程实践中得到优化和深化，更好地解决工程中遇到的各种各样的难题。