某输水隧洞工程不良地质洞段施工处理

闵建忠

(中国葛洲坝集团第三工程有限公司，陕西 西安 710065)

某输水隧洞工程，全长41.823km，进口段约9km采用钻爆法施工，其余约32km由2台开敞式TBM施工，TBM开挖直径6.5～6.8m。TBM施工隧洞岩石抗压强度30～180MPa，III类围岩占比约53%，IV类及V类围岩占比约29%。隧洞最大埋深约2300m，纵坡坡度为0.18%；洞径5.3m，圆形断面，无压流，现浇钢筋混凝土衬砌，采用开敞式TBM掘进和钻爆法相结合的施工方式，一次开挖及支护完成后再进行二次衬砌，特殊地质洞段根据设计要求进行二次衬砌。

大埋深、大坡度、长洞段是该隧洞典型的工程条件特征。该隧洞施工难度大，工程地质条件复杂，存在大变形、高地压、高承压水、突涌水等施工风险，需穿越断层破碎带、蚀变带等不良地质洞段。本文就TBM掘进洞段遇蚀变带不良地质条件采取的施工措施及取得的效果进行简要论述。

1 工程地质条件

1.1 设计地质

根据设计图纸可知该段属山间压陷盆地，地形起伏大，物探测试此段为高阻区，构造带处视电阻率明显较低，大部分洞段蚀变岩不发育，破碎带附近存在蚀变岩问题；存在一处英安斑岩(英安质晶屑熔岩)与二长花岗岩(花岗闪长岩)的不整合接触带，此段为Ⅳ-Ⅴ类围岩。

1.2 揭露工程地质

围岩岩性为花岗岩，灰白色，岩体破碎，夹杂大量的较大石块，石块强度较高，石块间充填大量松散体，松散体以岩屑、砂、泥等细颗粒为主，稳定性差，受掘进扰动随渗水大量涌出后，石块形成镶嵌结构。

此段不良地质洞段围岩整体出水严重，出水以线流、股状为主，隧洞出水主要分布于顶拱及右侧，最大出水量达141.3m3/h，目前水量稳定至50～70m3/h。

1.3 超前地质预报情况

隧洞掌子面前方段存在断层破碎区，围岩整体逐渐变差，存在较大的断层导水突泥风险。

1.4 地表踏勘情况

通过对掌子面地表一带地质踏勘，出露地层情况复杂，北侧为灰白色中细粒花岗闪长岩，岩石地貌上呈高山，岩体较为完整，向南变为浅肉红色中粒二长花岗岩，二长花岗岩内破碎程度大于花岗闪长岩，且在接触部位存在有蚀变现象。灰黑色英安斑岩主要呈脉状侵入于北侧二长花岗岩与南侧大理岩之中，英安斑岩工程性质较好，岩石硬度大，抗风化侵蚀能力强。地表有溪流经过，与隧道轴线方向几乎垂直，流量约为0.2m3/s，与隧道交叉处下游约2km处地表径流消失，根据地表径流情况，洞内出水疑受地表水补给。

1.5 不良地质洞段预测

根据采用三维地震与激发极化法探测结果及TRT方法、单孔声波检测法、全孔壁数字成像法等超前地质预报检测手段的预报结果，结合现场施工情况，综合认为前方不良地质长度在60m以上。

2 采用管棚施工方法

2.1 第一循环

自进入不良地质洞段开始，TBM掘进过程中从人孔处涌出的泥石混合物数量急剧增加，期间多次启动刀盘时人孔均流出大量混合物，并将TBM主机区域1号皮带压停，其中，某日凌晨启动刀盘过程中(尚未推进，转速为0.2rpm)主梁人孔瞬间涌出约80m3泥石混合物(如泥石流)，将主梁下部填满。采用正常模式启动刀盘时，人孔瞬间涌出大量泥水混合物，约150m3，TBM掘进被迫停止。为保障施工安全，防止出现大面积坍塌，开始进行管棚施工。

采用化学灌浆和HC注浆材料对护盾尾部围岩加固完成后，对护盾尾部的隧洞进行扩挖，扩挖后安装DMY- 135顶锤式管棚钻机打设长8mΦ51自进式管棚35根，进行护盾及刀盘上部围岩化灌固结，固结完成后打设Φ76自进式管棚36根，并进行HC灌浆施工，施工完成后对扩挖段进行回填，TBM设备掘进通过。

2.2 第二循环

在护盾尾部扩挖长3.5m钻机工作室，采用阿特拉斯1838凿岩机沿隧洞上半圆，按间距70cm，施做11根长8mΦ25自进式中空注浆锚杆，注化学浆液，起到保护刀盘和护盾作用。

采用ZM- 90钻机依次施做11根，长8m，Φ146跟管，间距70cm，外插角2°，完成后依次穿过跟管向前钻进，每段长6m，分段进行灌浆加固，反复扫孔和灌浆，直至加固范围到达40m左右。

根据注浆完成后探测孔的检查情况，施作Φ146跟管，跟管长度为30m，跟管施工完成后插入Φ108管棚，拔出Φ146跟管后对Φ108管棚进行注浆。

2.3 第三循环

第二循环掘进过程中揭示围岩情况为：围岩岩性主要为花岗岩，并伴有不同程度蚀变现象，岩石显性节理和隐性节理极发育，且杂乱无章，自稳能力极差，强度较高的小块孤石、飘石较第一循环围岩数量减少，岩石间空隙由大量小颗粒物质填充，根据颗分报告显示，渣样的基本均在10mm以下。

掘进过程中刀盘内局部位置有线状和股状出水现象，但几乎没有出现水流引起的涌泥、涌砂现象，证明第二循环注浆起到一定固结围岩和止水并改变水路的作用。

通过总结第一、第二循环经验，继续调整施工方法，采用阿特拉斯1838钻机钻孔对护盾上方与刀盘部位采用化学灌浆进行固结，采用ZM- 90管棚钻机施工管棚，管棚安装完成后进行大循环注浆施工，施工完成后对扩挖段进行回填，TBM设备掘进通过，根据情况重复进行此项施工。

3 施工总结

3.1 第一循环

管棚注浆共分7次施工完成，施工中采用间隔注浆方式，共计施工Φ76管棚22根，Φ42管棚13根，共计注入HC材料75.65t，其中最大注入量为9.5t，最小注入量为0.45t，注浆施工共计耗时38.5h，其中最长、最短耗时分别为：330min、13min，最大注浆压力为5.6Mpa，管棚施工注浆情况如图1所示。

图1 第一循环管棚施工注浆量分布(单位：m3)

根据护盾后方围岩情况，原12点与1点半位置均渗水严重，均为股状出水，其中12点位置渗水大于1点半，注浆施工完成后渗水得到了明显的封堵，紧贴护盾后方基本无渗水，渗水较多地出现于扩挖段位置。管棚施工完成后掘进时人孔无石渣流出，拱顶掉块塌落深度较管棚施工前出现明显改善，盾尾出漏围岩可以见明显的浆液固结围岩情况。

上述情况说明：采用HC双液浆进行灌注，达到堵水、改变水流路径的目的，采用的柱塞泵+计量泵设备和相配合的灌浆工艺很适合岩层破碎并伴有出涌水的地质加固；高压注浆达到了预期效果。第一循环管棚施工总耗时63d，掘进11.7m。

3.2 第二循环

第二循环管棚施工共计完成钻孔41根，其中：护盾与刀盘上部固结钻孔11根(Φ25自进式中空注浆锚杆，共88.5m)、超前围岩改良预注浆钻孔11根(成孔445.5m，其中Φ146跟管82.5m，Φ100裸孔363m，加上反复扫孔共计钻进1518m)、探测孔8根(共212m，Φ146跟管15m，Φ100裸孔197m)、管棚钻孔11根(共309m，Φ146跟管108m，Φ108跟管54m，Φ108裸孔(内插108钢管24m)147m)，累计注入化学灌浆材料5.87t、HC材料78.64t(47.18m3)、水泥5.85t(4.1m3)。

图2 第二循环化学灌浆注浆量分布

管棚施工完成后在TBM掘进过程中刀盘主梁人孔基本无石渣流出，掘进完成后可看到浆液扩散的痕迹，施工中仍出现护盾顶部管棚下部围岩塌落后形成的三角区域，同时掘进过程中刀盘内出现管棚钢管。第二循环管棚施工共计耗时55d，完成掘进18.3m。

3.3 第三循环

(1)第三循环管棚施工共计完成钻孔39根，其中：护盾与刀盘上部固结钻孔20根(Φ25自进式中空注浆锚杆，共210m)、超前围岩改良预注浆钻孔19根(成孔585.2m，Φ130裸孔431.2m，Φ146裸孔154m，孔内插入Φ108跟管570m)、探测孔3根(共71.6m，Φ130裸孔10m长1根，30.8m长2根)、累计注入化学灌浆材料16.05t(其中护盾上部围岩固结14.85t、管棚与裸孔间隙封孔1.2t)、HC材料99.825t(59.9m3)。

图3 第三循环化学灌浆注浆量分布

图4 第三循环管棚注浆量统计

(2)与第一、二循环管棚施工对比。①化学灌浆。根据化学灌浆量与第一、二循环管棚施工对比(化学灌浆对比如下表)，结合护盾上部裸孔钻进情况，化灌锚杆间距缩小后，护盾上部化学灌浆固结总体有所增强，见表1。②管棚注浆。第一循环管棚施工HC注浆总量为75.65t，加固长度为30m，平均2.52t/m；第二循环管棚施工共计注入HC材料与水泥浆84.49t，加固长度为40m，平均2.11t/m；第三循环管棚施工共计注入HC材料99.825t，加固长度为30m，平均3.33t/m。在灌浆过程中多次出现串浆现象，因此初步推断第三循环管棚注浆施工效果较好，后续将根据施工情况实时调整管棚方案，直至通过不良地质洞段，恢复正常掘进。

表1 第一循环与第二循环化学灌浆对比

4 结论及建议

实际施工情况证明，管棚施工方法能够保证在安全的前提下使TBM机通过不良地质洞段，但施工工期较长，成本较高，需对地质变化情况实时监测，并根据实际情况总结经验教训，及时调整施工方法，加强各施工工序之间的配合，在保证施工质量安全的前提下，尽量缩短施工工期和减少施工成本。