中天山隧道TBM施工破碎围岩段新型注浆加固技术

2014-12-25王尽忠王玉锁曾宏飞唐建辉

铁道建筑 2014年3期

王尽忠，王玉锁，曾宏飞，杨超，唐建辉

(1．乌鲁木齐铁路局吐库(库阿)二线铁路建设指挥部，新疆库尔勒 841001;2．西南交通大学峨眉校区，四川峨眉 614202)

中天山特长隧道为南疆铁路吐鲁番至库尔勒段二线的附属工程，隧道进口端左右线采用两台TBM同时掘进。进口端施工以来，经过了变质砂岩、角斑岩和花岗岩地段。其中DK146+473—DK148+380段为花岗岩，围岩完整性变化频繁，局部地段存在构造破碎带和节理密集带。最大单位体积节理数可达22条之多，节理主要为微张节理，风化物填充，围岩稳定性较差，弹性波速4.9 km/s左右，单轴抗压强度82～109 MPa，埋深超过1 600 m，受较高的地应力场和交叉切割的作用，极易发生围岩松弛坍塌等现象。从而导致TBM掘进机卡机的事故。

如隧道左线TBM机在掘进至DK148+178里程时，由于围岩节理发育，围岩完整性较差，围岩开始出现连续掉块、塌落现象，造成TBM机掘进速度减缓，支护难度增大。当隧道掘进至DK148+200里程时，隧道左上拱顶出现较大连续坍塌，坍塌部位最大深度约4 m，环向长约6 m，并随围岩暴露时间增加而持续坍塌掉块，且裂隙水较发育，总长度约9 m。同时TBM机护盾后侧支护开始发生较大变形，拱架侵限现象严重，最终造成TBM机护盾被卡而停机。

针对地质因素所引起的隧道围岩坍塌或围岩变形过大，最有效的解决措施就是围岩注浆。鉴于目前我国TBM施工隧道较少，其相关围岩注浆技术也未有成熟经验可循，因此，为防止中天山隧道节理密集段围岩坍塌或软岩段变形过大，避免再次发生卡机事故，以提高中天山隧道施工效率，特对中天山隧道围岩注浆技术进行了相关研究。内容主要包括注浆材料、注浆设备、注浆工艺、注浆效果等。

1 注浆材料选择

为选取合适的注浆材料，现场分别针对3种注浆材料进行了试验研究，3种注浆材料分别为普通硅酸盐水泥单液浆(P．O32.5R)、普通硅酸盐水泥(P．O32.5R)—水玻璃双液浆、新型杰夫莱双组分化学浆液。各种注浆材料的试验配比如表1。

表1 各种注浆材料试验配合比

针对上述选取的注浆材料，对其相关性能进行测试，测试项目主要包括流变性、凝结时间、结石抗压强度等。

通过试验对上述各种材料性能测试指标进行汇总，结果如表2。

从表2可知，与其它注浆材料相比，新型化学浆液具有流动性好、凝结时间可调，强度增长快，最终强度高等优点，更加适合中天山隧道围岩注浆要求，故可采用新型化学浆液进行。

表2 各注浆材料测试指标性能汇总

2 注浆设备

新型化学注浆设备为专用的3ZBQS-12/20气动注浆泵。此设备施工操作简便易行，可以实现自动封孔技术。注浆施工时使用人力较少，一般注浆操作3人便可进行，节省人力资源。施工设备轻便(140 kg)，配套的注浆泵为固定进料配比(1∶1体积比)，自动混料和输出，输出压力20 MPa以上，输出流量最大12 L/min;基本参数如表3。此设备注浆操作简单，分别向两组分材料桶中插入吸料管，连接好出料管路，开启进气阀门便可注浆，只要施工位置有气动风源，施工准备时间仅需要15 min，施工速度快。

专业设计的灌注施工配件，封孔不必安装阀门、浇筑或安装注射嘴等，换孔便捷，打孔完毕即可注浆无需等待。可实现准确计量，不用现场复杂配料，科学性、规范性强。配套技术先进成熟。

表3 气动注浆泵基本参数

3 注浆工艺

3.1 施工工艺流程

现场施工采用超前自进式锚杆注化学浆液施工，其施工工艺流程如图1所示。

3.2 施工方法

3.2.1 钻孔

在TBM刀盘隔仓内搭设简易作业架，利用刮渣孔空间，对掌子面前方围岩进行钻孔。钻孔采用风动凿岩机施钻，外插角为20°，偏差不超过3°，钻孔深度为3 m。其断面布置如图2所示。

图1 超前自进式锚杆注化学浆液施工工艺流程

图2 TBM超前注浆锚杆施作示意

钻杆采用φ25 mm自进式注浆锚杆，其同时作为注浆管，由于刀盘内作业空间狭小，钻杆长度不易过长，因而选用单节长1 m的注浆锚杆，采用联结套连接套打。即第一节前端套上钻头，当一节锚杆钻进后，在其尾部套上联结套连接后一节锚杆，直到每根锚杆钻到需要长度。注浆锚杆样式如图3所示。

图3 超前自进式注浆锚杆大样

3.2.2 注浆

通过快速注浆接头将锚杆尾端与注浆泵相连，注浆泵采用配套的专用于化学浆液的气动注浆泵，浆液按照化学浆液配比要求(A、B两类材料按1∶1配合)现场进行配制，注浆压力根据TBM刀盘前面掌子面浆液渗透情况确定，一般为2～4 MPa。化学注浆示意如图4。

图4 化学注浆示意

4 注浆效果

现场使用过程中能清楚地感知到，新型化学浆液具有渗透性强、固结时间快等特点。在注浆前的试验中，试验检测出在40 s时间，浆液出现固结。在1个注浆孔注浆，2 m外的裂隙中有浆液渗出，并在适当地控制注浆压力后，溢出裂隙的浆液能快速固结，不会出现大面积的浆液渗出现象。现场注浆后的效果如图5所示。

图5 新型化学注浆使用效果照片

根据现场作业统计，一般每分钟注浆量在5～8 kg，拱部90°范围一循环注浆时间为3～5 h，拱部150°范围一循环注浆时间为5～7 h。注浆完成后，即可进行TBM掘进，此时推力能达到90 MPa，且皮带出渣中，所含大石块数量减少，掌子面也未出现大面积坍塌，且周边掉块也有明显减少，以致围岩支护及仰拱块铺设清渣等作业工程量随之减少，TBM作业效率有了明显提高。再加上径向注浆对围岩的二次加固，围岩收敛变形得到了有效的控制，各工序可正常开展，TBM掘进进度有了大幅提升，在花岗岩节理密集带月进度由原来15～60 m/月提升到120 m/月以上。