TBM隧洞富水段高分子聚合物注浆技术研究

宋良明

（新疆维吾尔自治区额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

注浆是工程建设中常用的防渗止水方法，经过前人的摸索和实践，注浆堵水已是较为成熟、相关经验也较为丰富的施工工艺，相关的控制措施和方法也较为完善，在输水隧洞、堤坝和水库等领域取得了良好的应用效果，但这些工艺和方法主要是在混凝土浇筑后无外水压力或渗水量不大的情况下实施的。针对TBM掘进段的大流量且有压涌水的堵水注浆，可借鉴的类似工程较少，采用传统的固结灌浆、帷幕灌浆、劈裂灌浆、接缝灌浆等工艺处理的效果较差，无法达到有效封堵的目的[1-10]。笔者以新疆某工程TBM段注浆堵水工作为例，研究高分子聚合物注浆材料在TBM段大流量有压突涌水防控的应用技术，提出高压大流量条件下TBM系统注浆方法。

1 工程背景

新疆某工程TBM段隧洞总掘进长度为22.707km，区段地层岩性以凝灰质砂岩为主，局部夹凝灰质粉砂岩、沉凝灰岩、泥质粉砂岩。围岩富水地段密集，涌水点较多，隧洞涌水较为频繁且涌水量大，部分区段瞬时流量达到400 m3/h，最大单点涌水量超过600 m3/h。在该围岩富水段，TBM多次因突涌水造成停机（典型突涌水如图1所示），严重威胁作业人员和设备安全。

图1 隧洞典型突涌水情况

2 TBM浅层注浆堵水技术

高分子聚合物注浆技术的基本原理是向病害处治区内注射一定配比的发泡剂和异氰酸酯双组份材料，材料混合后迅速发生反应，体积膨胀并形成泡沫状固体，达到快速填充脱空、加固结构、防渗堵漏的目的。由于费用昂贵，在本项目中仅用于高压大流量涌水的浅层注浆封堵，与传统注浆材料结合，解决由于动水作用导致的传统注浆材料易跑浆、难凝固的问题。根据TBM突涌水及注浆堵水位置，TBM高聚物化学注浆堵水技术主要包含掌子面帷幕注浆、护盾后浅层注浆、底部浅层系统注浆3种情况。

2.1 掌子面帷幕注浆

对于掌子面高压大体量突涌水，宜采用高聚物帷幕注浆技术（如图2所示）。高聚物帷幕注浆一般在水泥浆帷幕注浆完成后进行，在水泥浆帷幕注浆圈后部1.5 m处，以30°角向外施作10个帷幕注浆孔，进行注浆堵水。注浆采取φ60孔进行灌浆，高聚物帷幕注浆不设专用的止浆塞，利用φ80消防水管制作1.5 m长双导管膜袋，将膜袋安装至泄水孔后，向膜袋内注入双组份材料，材料在膜袋内迅速膨胀，形成注浆塞，从而快速封堵涌水通道出口，稳固后向长管内注浆。注浆压力最高7 MPa，A∶B类高聚物化学原液体积比1∶1，温度37℃。帷幕注浆完成后，隧道内SD52+160.815掌子面涌水量已由水泥注浆封堵后的110 m3/h减少至79.6 m3/h，满足了TBM掘进需求，TBM恢复掘进。

图2 掌子面高聚物帷幕注浆技术

2.2 护盾后浅层注浆

高聚物具有堵水快、施工方便、对TBM掘进影响小等优点，渗漏水堵水注浆可采用高聚物化学灌浆边掘进边封堵的方式进行，在出水点外露部分护盾后，对出水点进行浅层注浆堵水（如图3所示），保证掘进工作可以正常开展。高聚物注浆堵水根据出水点情况大致可分为3类。

（1）单点小体量股状涌水。针对单点出水量不太大的股状涌水，采用的方法为在出水点约0.5 m处打直径16 mm、深度0.6～1.2 m的注浆孔，将注浆管楔入注浆孔内，利用棉纱等物按压出水点，临时减小出水量，减少高聚物成分随涌水流出，达到快速堵水目的。

（2）单点大体量股状涌水。单点出水量大的股状涌水水量大、流速快、压力大，可以先泄压，再封堵裂隙，最后进行堵水灌浆。泄压灌浆孔沿裂隙布置，间距1.5～2.0 m，孔径60 mm，与裂隙斜交。利用土工布、棉纱、防水板等封堵裂隙表层出水，以膨胀螺栓与钢板加以固定，当封堵住表层涌水后，向泄压孔内注浆，使注浆材料迅速发泡膨胀封堵涌水裂隙，达到堵水目的。

（3）大面积线状流水。由于大面积线状流水一般位于围岩破碎段，节理发育且相互贯通，所以需对整个节理发育区域进行注浆才能达到堵水效果。针对隧洞内大面积线状流水，可以在岩面上覆盖土工布，土工布表层安装专用网片，利用膨胀螺栓固定在岩面上后，施作贯穿整个破碎节理的注浆孔。注浆孔长度约4 m，距离岩石表面1～1.5 m。沿注浆孔注浆，直到封堵所有裂隙为止。

图3 护盾后高聚物浅层注浆技术

2.3 底部浅层系统注浆

围岩裂隙及节理发育段涌水面积大、涌水点较多区域在对涌水段表面封堵后，底部需要系统灌浆堵水，一般取纵向间距1.5 m、横向间距1.2 m实施系统钻孔，孔深2～3 m，然后进行化学灌浆。高聚物底部系统注浆在裂隙节理发育段效果明显，但注浆量较大，最大单孔注浆量312 kg。

3 TBM深孔注浆堵水技术

由于TBM掘进过程中高聚物化学灌浆主要采用浅层注浆对底部及拱腰以上部位进行浅表注浆，未进行全断面系统注浆，所以不能有效地封堵所有涌水。在浅层注浆基础上，需对TBM掘进完成段进行系统的深孔注浆，以减少TBM隧道总涌水量。一般在护盾尾部10 m范围内采用高聚物堵水，可以有效地封堵上述范围内的涌水。采用水泥注浆堵水与化学注浆堵水对TBM后部注浆区域进行系统性注浆处理，一般先施作区段内的帷幕孔，帷幕孔深10 m，间距为1.5 m。帷幕孔施工完成后，进行区段内的堵水作业。在拱腰及拱顶部位大面积出水区域采用与底部相同的系统注浆方式，在点状及裂隙出水区域采用有针对性的随机钻孔注浆，可以有效封堵出水区域。系统注浆效果，如图4所示。

图4 系统注浆效果

根据工程现场试验，采用浅层注浆结合深层注浆方式，以高聚物化学注浆结合传统注浆可有效解决高压大体量涌水封堵问题。在新疆某工程施工现场，目前主要采取的注浆方式为底部系统注浆+拱腰、拱顶针对性注浆，针对出水量较大区域和孔位多采取高聚物化学灌浆，效果极为显著；而针对一般区域，一般采用水泥浆注浆、水泥浆+水玻璃双液注浆，从而节省相关开支。

4 结论

对该TBM段注浆堵水案例进行分析总结，得到如下几点结论。

（1）高聚物堵水材料具有堵水快、施工方便、对TBM掘进影响小等优点，对于高压大体量突涌水防控具有突出效果。

（2）采用TBM高聚物浅层注浆堵水技术结合TBM富水段传统材料深孔注浆堵水技术，可实现TBM全断面封堵，有效减少TBM隧道总涌水量。

（3）采用底部系统注浆+拱腰、拱顶针对性注浆方式，综合利用水泥浆注浆、水泥浆+水玻璃双液注浆、高聚物化学注浆，可有效控制成本。