开敞式TBM不良地质段超前预处理技术研究及应用

文敬

摘要：随着TBM设备在各施工领域的应用越来越广泛，在其施工过程中不可避免地遭遇各种不良地质段，若不能及时处理，则可能造成TBM卡机、垮塌、人员设备伤亡等。

本文基于新疆北部某引水隧洞TBM施工项目，为保证TBM掘进施工安全，避免出现大规模塌方、TBM主机被埋等情况，保证TBM通过冲沟段层破碎带时，设备和人员能够安全施工，针对冲沟断层不良地质段，采用地表注浆加固的方法进行超前处理，针对施工过程中遇到的软岩塌腔、断层带、涌水等各种不良地质段，总结了相应的施工处理措施。

关键词：开敞式TBM;引水隧洞;不良地质段;地表注浆

1、前言

新疆北部某引水隧洞采用一台开敞式TBM进行施工，该段隧洞位于剥蚀构造低山丘区，地形开阔、略起伏，TBM施工段长21.5km，开挖洞径7.8m。隧洞分布埋深6～127m，平均埋深34m，为浅埋隧洞。沿线穿越18条浅埋冲沟和9条大规模断层破碎带，冲沟底宽约6～70m，冲沟规模较大，断层破碎带宽度10～35m，洞内地下水以基岩裂隙水为主，断层破碎带洞壁会产生线状水流现象，估算隧洞段总涌水量456～2450m3/h，施工应加强排水措施，在TBM掘进遇到的各种不良地质可能引起的安全、质量、施工风险，以及造成的严重后果。本文針对该项目TBM掘进施工过程中遇到的不良地质地段，总结了一些处理施工经验，采取相应的处理措施以提高TBM掘进效率和施工安全性。

2、地表灌浆施工规划

2.1 灌浆规划

通过现场施工总结，提前判别不良地质段，在被揭露之前根据地质资料和地表勘探孔，再结合超前地质预报结果进行综合研判，提前采取相应的处理措施，判别围岩断层和涌水等不良地质段。将水泥浆液注入TBM将要掘进的隧洞洞底2m，洞身7.8m，洞顶5m，总注浆长度14.8m，注浆使岩石裂隙连成一个整体。

2.2 施工准备

（1）灌浆施工前，对施工人员进行详细的技术交底和技术培训;

（2）做好人员组织和机械设备配备、材料准备等工作，做到分工明确，职责分明，人员稳定，保证施工顺利有序进行;

（3）灌浆地点一般处于冲沟段和断层带，在灌浆设备进场前，需要在灌浆地点进行场地平整，填筑进场道路，进场道路主要由隧洞废渣铺筑;

（4）施工前由测量工程师将隧道导线引至地表注浆处对隧道浅埋区进行原地面地形测量，测设出隧道中线里程、高程，根据中线放样，测设隧道边线及需注浆边线，按设计放样注浆宽度;

（5）利用挖掘机、装载机将施工面清理干净，排水系统形成及施工辅助设施完成并经检查验收合格后方可钻灌施工。

2.3 施工原理

地表注浆的原理首先是地表钻孔，然后让注浆机通过孔和地下裂隙，使其水泥浆液充填地下裂隙，并产生硬化。地表注浆的作用主要有两个，第一个是将原有的裂隙水和地下水从节理裂隙中挤压出来，另一方面是将破碎岩石连成一个整体，提高TBM穿越不良地质段减少施工风险，提高施工效率。[1]

3、地表灌浆

3.1 布孔钻孔

（1）孔位放样采用GPS测量仪进行，分序。孔位与设计孔位的偏差值不得大于10cm，孔深应符合设计规定。实际孔位、孔深做好详实记录。

（2）注浆孔应进行孔斜测量。孔底的偏差不得大于0.25m。

（3）注浆孔采用地质钻钻进。钻孔过程中，遇岩层、岩性变化，发生掉钻、坍孔、钻速变化、回水变色、失水、涌水等异常情况，应详细进行记录。

（4）钻孔遇有洞穴、塌孔或掉块难以钻进时，可先进行注浆处理，再行钻进。如发现集中漏水或涌水，应查明情况、分析原因，经处理后再行钻进。

（5）注浆孔（段）在钻进结束后，进行钻孔冲洗，孔底沉积厚度不得超过20cm。

（6）钻孔施工作业暂时中止时，孔口应妥加保护，防止流进污水和落入异物。

（7）注浆孔按分序加密的原则进行钻进。注浆孔排与排之间和同一排孔内孔与孔之间，分为二序施工。

3.2 钻孔冲洗

钻孔冲洗：采用自孔底向孔外大水量敞开冲洗及压力风冲洗或风水联合冲洗，钻孔冲洗方法根据不同的地质条件，通过现场注浆试验确定。

裂隙冲洗：根据不同的地质条件采用压力水冲洗、压力风冲洗、风水轮换冲洗的方法进行裂隙冲洗。

冲洗压力：冲洗水压采用80%的注浆压力，压力超过1MPa，则采用1MPa;冲洗风压可为注浆压力的50%，压力超过0.5MPa，采用0.5MPa。

裂隙冲洗冲至回水清净后结束，且总的时间要求，单孔不少于20min，串通孔不少于2h。对回水达不到清净要求的孔段，继续进行冲洗，孔内残存的沉积物厚度不超过20cm。

当邻近有正在注浆的孔或邻近注浆孔结束不足24h时，不得进行裂隙冲洗。

注浆孔（段）裂隙冲洗后，该孔（段）立即进行注浆作业，因故中断时间间隔超过24h者，在注浆前重新进行裂隙冲洗。

特殊地段：对于地质构造带（特别是断层破碎带、遇水泥化带），采用自孔底向孔外进行压力风冲洗的方式，避免用水冲洗使破碎岩体遇水泥化造成对裂隙的堵塞，从而影响注浆质量。

3.3 压水试验

各灌浆孔在钻孔冲洗和裂隙冲洗后进行压水试验，压水试验采用单点法对孔底段做简易压水试验，其余各段在灌浆前一般不进行裂隙冲洗和简易压水试验，以免影响前一段灌注浆液的凝固，对灌浆质量不利。

“单点法”简易压水的压力为注浆压力的80%，若大于1MPa时，采用1MPa，遇到特殊情况则按设计通知执行。

简易压水试验压水时间为20min，每5min测读一次压水流量，取最后的流量值作为计算值，其成果以透水率表示。

单点法压水试验稳定标准：在稳定压力下每2min～5min测读一次压水流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%;或最大值與最小值之差小于1L/min时即可结束，取最终值作为计算值。

3.4 注浆

3.4.1 注浆参数

注浆段在洗孔压水结束后应及时进行注浆作业，因故中断时间间隔超过24小时，灌前应重新进行裂隙冲洗、压水试验。本方案采用分段注浆法，分三段进行，各段灌浆长度根据灌浆塞封堵位置可适当调整，各注浆段注浆结束后一般不待凝。分段注浆孔采用自下而上、孔内循环分段注浆法。注浆塞置于该段段顶0.5m处，射浆管距孔底不大于0.5m。注浆结束待加深或钻孔结束待注浆时，注浆孔孔口应妥善保护，严防污水，污物流入孔内。

注浆阻塞：本方案采用无盖重注浆一次成孔、自下而上分段方式进行。各段应控制段长3～8m左右，各注浆段射浆管应保证其距注浆段段底不应大于0.5 m，否则应重新配置射浆管。

注浆孔注浆结束后一般不待凝，可直接进行下一段钻灌作业。当遇断层破碎带等特殊情况时，注浆结束后应进行待凝处理，待凝时间依据实际情况确定。

如果钻孔过程中成孔困难，发生塌孔、卡钻、涌水，则采用自上而下、孔内循环分段注浆法，分段长度根据钻孔情况确定。

3.4.2 注浆设备及材料

BW150注浆泵，ZJ-800型制浆机，ZSQ-42型液（气）止浆塞、三参数大循环注浆自动记录仪。水泥采用42.5MPa抗硫酸盐水泥或42.5MPa普通硅酸盐水泥。水泥浆液采用2：1、1：1、0.5：1三个比级。

3.4.3 变浆标准：

① 当注浆压力保持不变，注入率持续减少，或当注入率保持不变而注浆压力持续升高时，不能改变水灰比。

② 当某一比级浆液注入量已达300L以上、或灌注时间已达30min，而注浆压力和注入率均无显著改变时，换浓一级水灰比浆液灌注。

③ 当注入率大于30L/min时，可视具体情况越级变浓水灰比。

注浆过程中，浆液变换及注浆结束时必须测记浆液密度，其测值应反映在注浆原始记录中。

注浆压力根据现场注浆试验成果确定后报请监理工程师批准或由监理工程师确定。

当注浆开始后尽快使压力达到设计值，接触段和注入率大的孔段逐级升压。

为防止岩石面抬动，注浆原则上一泵灌一孔，当相互串浆时，如串浆孔具备注浆条件，一泵一孔同时进行灌注。否则，塞住串浆孔，待注浆孔注浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗，而后进行钻进或注浆。

3.5 封孔

当注浆压力达到规定值时，注入率小于或者等于1L/min，继续灌注30min，即可结束注浆。当长时间达不到结束标准时报请监理工程师研究处理措施。

注浆封孔应采用 “导管注浆封孔法”，封孔采用浆液水灰比为0.5：1的浓浆，灌浆结束后，安设孔口管，使用水灰比为0.5的浓浆从孔口管内注入，自管外孔口管返出，固定孔口管待凝。待凝24小时后清除孔内污水、浮浆，脱空处采用干硬性水泥砂浆封填密实。

3.6 注浆效果检查

灌浆质量检查应以检查孔压水试验成果为主，灌浆检查孔应布置在以下位置;

（1）岩体破碎、断层、有塌孔等地质条件不良段;

（2）钻孔偏斜过大，灌浆情况不正常等，对灌浆质量有影响部位;

灌浆过程中，周边各孔灌浆量大的部位，检查孔采用单点法做简易压水试验，数量为灌浆孔总数的5%，检查孔应采取钻芯法进行观察，检查时间可在灌浆结束后3d或7d后进行，灌浆质量合格标准为：各段的合格率应达到85%，不合格孔段的透水率值不超过150%。

4、质量控制

4.1 材料质量控制措施

（1）水泥经由指定厂家供应，材质检验合格后方可使用。每批次水泥须有检验合格证，并送中心试验室进行物理、力学性质检测;各类施工材料应附有生产厂家的质量证明书和产品使用说明书，杜绝不合格材料用于工程。

（2）施工现场设置专用的注浆水泥仓库，水泥的标号、细度、有机物含量等指标满足技术要求和规范要求，水泥的储存距出厂日期不超过三个月;严禁使用受潮结块等不符合质量要求的水泥。

（3）同一部位的注浆水泥尽量使用同一品种、同一类型、同一强度等级的水泥。砂的细度模数、含泥量等指标满足规范要求。拌浆用水、外加剂的质量需符合规范有关规定。

（4）浆液使用前过筛，从开始制备至用完的时间不超过3h;浆液温度保持在5℃～40℃间。

4.2 设备控制措施

（1）钻孔机械各施工参数，满足其相应的技术要求，能方便定位，保证孔位和孔向。取芯孔能达到芯样获得率要求，钻机的深度满足孔深的要求，气动钻机具备消音、除尘装置。制浆设备采用高速制浆机，配置相应的过滤装置。注浆设备采用三缸柱塞泵，其压力满足技术要求需要，三缸运行稳定，摆动范围小，输浆过程中活塞不漏浆。

（2）注浆记录仪器设备采用由监理工程师批准的、经过国家有关部门鉴定的、可测记注浆压力、注入率和水灰比等施工参数的三参数大循环注浆自动记录仪，并能反映注浆压力和流量过程曲线。施工前准备足够的流量计、压力表、压力软管、供水管及阀门等备品。

（3）钻孔注浆设备数量满足高峰期施工强度要求和质量、进度控制的要求，杜绝采用超压钻进、不符合要求的多孔并联灌注现象。

（4）所有注浆设备、仪器、仪表等均要经常维护保养，使其保持正常的工作状态，另外还根据需要配备一定的备用量，保证施工顺利进行。

4.3 施工人员控制措施

（1）对负责注浆施工的员工进行进场培训，进行全面技术、质量交底;讲解图纸、作业程序及质量要求，使作业人员熟知作业内容及质量要求;提高作业人员的质量意识和保证施工质量的能力。

（2）特殊作业人员持证上岗，上岗前在现场进行培训考核，合格后方能上岗作业。

4.4 施工控制措施

钻孔孔位与设计图纸一致，开孔孔位与设计位置的偏差不大于10cm。钻孔孔斜控制在2.5%以内。钻孔过程中的地质缺陷情况、孔内事故情况认真记录、仔细分析。取芯孔的岩芯获得率要求满足80%以上的技术规范要求。

注浆孔段的冲洗方法、冲洗压力、阻塞位置、分段长度、射浆管距孔底距离、注浆分序、注浆方式、注浆压力、变浆标准、结束标准、封孔方式及封孔质量满足有关技术要求。注浆监测和注浆记录满足自动化控制标准。注浆质量检查达到相应的合格标准;否则，主动采取补救措施。

4.5 注浆效果检查和评价

灌浆质量检查应以检查孔压水试验成果为主，灌浆检查孔应布置在以下位置;岩体破碎、断层、有塌孔等地质条件不良段;钻孔偏斜过大，灌浆情况不正常等，对灌浆质量有影响部位;灌浆过程中，周边各孔灌浆量大的部位，检查孔采用单点法做简易压水试验，数量为灌浆孔总数的5%，检查孔应采取钻芯法进行观察，检查时间可在灌浆结束后3d或7d后进行，灌浆质量合格标准为：各段的合格率应达到85%，不合格孔段的透水率值不超过150%。同时，通过提前对不良地质段进行注浆，TBM在穿越该段时只体现出围岩不完整，并无明显的塌腔，TBM穿越该段所用时间也有明显的减少，提高了TBM施工效率。

5、结语

（1）不良地质段灌浆段经过提前的判别，通过制定的孔位布置、钻孔深度、灌浆压力以及灌浆材料的选择，符合现场条件，满足灌浆要求。

（2）地表灌浆的灌浆孔在钻孔冲洗和裂隙冲洗后要进行压水试验，压水试验采用单点法对孔底段做简易压水试验。

（3）对于个别不良地质段，灌浆孔位分布可根据地质条件适当加密或适当放大，通过此次处理方式，建议灌浆段洞底1～2m，洞身全部灌浆，洞顶4～5m段灌浆，在该段注浆既可以节省材料也具有良好的效果。

（4）开敞式TBM在不良地质段经过地表注浆，可有效的达到预期的效果，使TBM在隧洞掘进过程中安全，同时避免出现大规模塌方、TBM主机被埋等情况。

（5）通过对不良地质段提前地表注浆，有效的避免了TBM穿越不良地质段引起的塌腔、停机等事故，预处理后TBM安全高效通过并且良好效果。

參考文献：

[1]王丽瑶 王成 王春晓. 地表注浆技术在隧道浅埋偏压破碎带中的应用[B]. 中国公路工程咨询集团有限公司，北京.