TBM穿越砂卵石复合地质段处理方案探讨

2016-04-07关红俊

山西水利 2016年8期

关键词：机头卵石刀盘

关红俊

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）

TBM穿越砂卵石复合地质段处理方案探讨

关红俊

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）

东山供水工程9号隧洞TBM掘进段在掘进至距洞口2 km时，刀盘顶部右侧出现砂卵石层，该TBM在遭遇砂砾石时卡机。通过洞内化学注浆方案、洞外化学注浆方案、洞外旋喷桩注浆与洞内化学注浆结合方案进行比选，推荐使用洞外旋喷桩注浆与洞内化学注浆结合方案，解决TBM卡机问题。

TBM卡机；涌水；砂卵石地基；化学注浆

1 基本情况

东山供水工程9号隧洞TBM段长14 634.12m，断面内径3.4m，衬砌采用C45预制混凝土管片拼装式结构，厚250mm，隧洞最大设计流量6.0m3/s，最大水深1.77m，设计纵坡1/2 700。

9号隧洞TBM掘进段在掘进至距洞口2 km（东鱼沟）时，刀盘顶部右侧出现砂卵石层，掌子面显示厚度从0.8m增大至1.5m，隧洞右侧弧长从1.5m增大至3.8m，并出现大量涌水，涌水量由144m3/h增至250m3/h，刀盘内发现大量泥沙，底部4根主推油缸被泥沙全部覆盖。为确保工程安全，TBM立即停止掘进。

2 处理意见

针对TBM卡机现象，随即组织相关专家进行现场查看、听取施工单位汇报及研究讨论，形成了以下处理意见：一是在未探明前方地质条件变化情况下，TBM不应向前继续掘进。二是应尽快对9号线过东鱼沟段进行补充勘察，查明东鱼沟段基岩面起伏、地下水等地质条件，为穿东鱼沟段施工方案提供可靠的基础资料；可考虑物探与钻探工作同时进行。三是在补充勘察的同时，为确保TBM设备安全，应对机头部位围岩进行加固，围岩加固可采用高压旋喷等处理措施，并做好洞内外现场监测及涌水流量观测工作。过沟地质条件基本查清后，应尽快研究确定穿越东鱼沟洞段的整体处理方案。

3 补充地质工作

为准确掌握9号隧洞穿东鱼沟段地质资料，在掌子面前方增加了两个地质钻孔。

1号孔距机头6.60m，砂卵石层厚34.8m，地面高程1 047.10 m，基岩面高程1 012.30 m，洞顶高程1 012.63m，洞顶以下有厚0.33m的砂卵石层，其下为泥岩，水位埋深22.1m，水位高程1 025.00m。

2号孔距机头17.05m，砂卵石层厚33.2m，地面高程1 047.30m，基岩面高程1 014.10m，洞顶高程1 012.64m，洞顶以上有厚1.46m的泥岩，其上为砂卵石层，水位埋深16.1m，水位高程1 031.20m。

4 处理方案

4.1 洞内化学注浆方案

增加洞内排水设施，减小洞内积水深度，人员及设备可进洞操作，砂卵石复合地层可进行造孔灌浆的前提下，采用洞内化学注浆方案。处理TBM机头已掘进和掌子面至前方17m左右的砂卵石复合地层地质段，桩号YD 27+473.80—YD 27+453.05。

在TBM刀盘上部位置采用手风钻在隧洞顶部弧形区内均匀造3个孔，用直径15mm的钢管（端部焊接锥形端头）人工入孔，钢管上每隔5 cm均匀分布小孔（用于浆料的出浆），每根钢管长度约1～1.5m（根据洞内条件确定），钢管间套丝扣相互连接。

在TBM刀盘后前护盾位置（距离刀盘约4m左右），在护盾顶部钢板切口再造孔注浆，造孔往洞顶方向仰角45°左右，深度约3～4m。

注浆材料固结后，TBM需短进尺掘进，然后在TBM刀盘上部位置造孔注浆，循环推进。

该方案曾在引红济石调水工程TBM施工卡机事故中成功应用，化学灌浆材料进行超前固结灌浆，有效加固了刀盘上方、正前方松散坍体，成功实现了TBM刀盘脱困。

4.2 洞外化学注浆方案

处理范围为机头已进入砂卵石复合地层至掌子面前方约17m范围内。在隧洞正上方每排布置3个孔，排间距2m，孔内底部布注浆管。钻孔（深度约30m左右）至TBM机头深度位置，然后在孔内安装注浆管、封孔器等注浆管道实施注浆。

由于该方案洞内洞外全部采用化学灌浆，工程结束后将出现地面塌洞，化学灌浆对固结影响范围较小，经研究不推荐该方案。

4.3 洞外旋喷桩注浆与洞内化学注浆结合方案

化学注浆处理范围为机头已进入的部分砂卵石复合地层及掌子面前方10m，桩号YD27+473.80—YD 27+462.35，方案同前。

旋喷桩注浆处理范围为桩号YD27+462.35—YD27+453.05。采用三重管法进行旋喷桩注浆。桩间距0.9m，成桩直径1.0m，咬合搭接宽度0.1m。钻孔宽度8m，钻孔深度从地面至隧洞顶部岩层以下0.5m，注浆深度为隧洞顶部3.5～5.0m范围。

工程采用洞外旋喷桩注浆与洞内化学注浆结合方案，可加快施工进度。

4.4 方案比选

经国内专家讨论研究，结合工程实际情况，推荐使用洞外旋喷桩注浆与洞内化学注浆结合方案。施工单位首先用钻机对地面进行灌浆处理，随着处理孔数的增加及灌浆面积的扩大，地面沉陷的坍塌范围得到控制，洞内流水流量变小，流水中有水泥浆液流出，说明地面灌浆起到了预期效果。由于地面灌浆仅控制到机头以上2m范围内，为进一步控制洞内渗水，随即进行洞内化学灌浆，以加强机头上方围岩的压力，防止机头上方围岩继续坍塌。考虑到在机头凿孔会对机头及护盾造成破坏，对原定的造孔方案进行修正，仅在机头的刀头口进行拆卸处理，化学灌浆管通过刀头孔伸进坍塌区域。随着化学灌浆的处理，洞内明显水流减少，说明水流通道基本被阻隔，地面停止灌浆。经过以上化学灌浆后，TBM刀盘前围岩及周边围岩凝结成一块整体，强度明显增加。然后采用人工慢慢清理刀盘四周浆液，点动刀盘开始旋转，TBM刀盘脱困，掘进恢复正常。随后TBM开始慢速掘进，顺利通过塌方区域。