中天山隧道TBM施工破碎圍巖段新型注漿加固技術(shù)

王盡忠，王玉鎖，曾宏飛，楊 超，唐建輝

(1．烏魯木齊鐵路局吐庫(kù)(庫(kù)阿)二線鐵路建設(shè)指揮部，新疆庫(kù)爾勒 841001;2．西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)，四川 峨眉 614202)

中天山特長(zhǎng)隧道為南疆鐵路吐魯番至庫(kù)爾勒段二線的附屬工程，隧道進(jìn)口端左右線采用兩臺(tái)TBM同時(shí)掘進(jìn)。進(jìn)口端施工以來(lái)，經(jīng)過(guò)了變質(zhì)砂巖、角斑巖和花崗巖地段。其中DK146+473—DK148+380段為花崗巖，圍巖完整性變化頻繁，局部地段存在構(gòu)造破碎帶和節(jié)理密集帶。最大單位體積節(jié)理數(shù)可達(dá)22條之多，節(jié)理主要為微張節(jié)理，風(fēng)化物填充，圍巖穩(wěn)定性較差，彈性波速4.9 km/s左右，單軸抗壓強(qiáng)度82～109 MPa，埋深超過(guò)1 600 m，受較高的地應(yīng)力場(chǎng)和交叉切割的作用，極易發(fā)生圍巖松弛坍塌等現(xiàn)象。從而導(dǎo)致TBM掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)的事故。

如隧道左線TBM機(jī)在掘進(jìn)至DK148+178里程時(shí)，由于圍巖節(jié)理發(fā)育，圍巖完整性較差，圍巖開(kāi)始出現(xiàn)連續(xù)掉塊、塌落現(xiàn)象，造成TBM機(jī)掘進(jìn)速度減緩，支護(hù)難度增大。當(dāng)隧道掘進(jìn)至DK148+200里程時(shí)，隧道左上拱頂出現(xiàn)較大連續(xù)坍塌，坍塌部位最大深度約4 m，環(huán)向長(zhǎng)約6 m，并隨圍巖暴露時(shí)間增加而持續(xù)坍塌掉塊，且裂隙水較發(fā)育，總長(zhǎng)度約9 m。同時(shí)TBM機(jī)護(hù)盾后側(cè)支護(hù)開(kāi)始發(fā)生較大變形，拱架侵限現(xiàn)象嚴(yán)重，最終造成TBM機(jī)護(hù)盾被卡而停機(jī)。

針對(duì)地質(zhì)因素所引起的隧道圍巖坍塌或圍巖變形過(guò)大，最有效的解決措施就是圍巖注漿。鑒于目前我國(guó)TBM施工隧道較少，其相關(guān)圍巖注漿技術(shù)也未有成熟經(jīng)驗(yàn)可循，因此，為防止中天山隧道節(jié)理密集段圍巖坍塌或軟巖段變形過(guò)大，避免再次發(fā)生卡機(jī)事故，以提高中天山隧道施工效率，特對(duì)中天山隧道圍巖注漿技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。內(nèi)容主要包括注漿材料、注漿設(shè)備、注漿工藝、注漿效果等。

1 注漿材料選擇

為選取合適的注漿材料，現(xiàn)場(chǎng)分別針對(duì)3種注漿材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，3種注漿材料分別為普通硅酸鹽水泥單液漿(P．O32.5R)、普通硅酸鹽水泥(P．O32.5R)—水玻璃雙液漿、新型杰夫萊雙組分化學(xué)漿液。各種注漿材料的試驗(yàn)配比如表1。

表1 各種注漿材料試驗(yàn)配合比

針對(duì)上述選取的注漿材料，對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目主要包括流變性、凝結(jié)時(shí)間、結(jié)石抗壓強(qiáng)度等。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)上述各種材料性能測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行匯總，結(jié)果如表2。

從表2可知，與其它注漿材料相比，新型化學(xué)漿液具有流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，最終強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，更加適合中天山隧道圍巖注漿要求，故可采用新型化學(xué)漿液進(jìn)行。

表2 各注漿材料測(cè)試指標(biāo)性能匯總

2 注漿設(shè)備

新型化學(xué)注漿設(shè)備為專(zhuān)用的3ZBQS-12/20氣動(dòng)注漿泵。此設(shè)備施工操作簡(jiǎn)便易行，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封孔技術(shù)。注漿施工時(shí)使用人力較少，一般注漿操作3人便可進(jìn)行，節(jié)省人力資源。施工設(shè)備輕便(140 kg)，配套的注漿泵為固定進(jìn)料配比(1∶1體積比)，自動(dòng)混料和輸出，輸出壓力20 MPa以上，輸出流量最大12 L/min;基本參數(shù)如表3。此設(shè)備注漿操作簡(jiǎn)單，分別向兩組分材料桶中插入吸料管，連接好出料管路，開(kāi)啟進(jìn)氣閥門(mén)便可注漿，只要施工位置有氣動(dòng)風(fēng)源，施工準(zhǔn)備時(shí)間僅需要15 min，施工速度快。

專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的灌注施工配件，封孔不必安裝閥門(mén)、澆筑或安裝注射嘴等，換孔便捷，打孔完畢即可注漿無(wú)需等待。可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量，不用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜配料，科學(xué)性、規(guī)范性強(qiáng)。配套技術(shù)先進(jìn)成熟。

表3 氣動(dòng)注漿泵基本參數(shù)

3 注漿工藝

3.1 施工工藝流程

現(xiàn)場(chǎng)施工采用超前自進(jìn)式錨桿注化學(xué)漿液施工，其施工工藝流程如圖1所示。

3.2 施工方法

3.2.1 鉆孔

在TBM刀盤(pán)隔倉(cāng)內(nèi)搭設(shè)簡(jiǎn)易作業(yè)架，利用刮渣孔空間，對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行鉆孔。鉆孔采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)施鉆，外插角為20°，偏差不超過(guò)3°，鉆孔深度為3 m。其斷面布置如圖2所示。

圖1 超前自進(jìn)式錨桿注化學(xué)漿液施工工藝流程

圖2 TBM超前注漿錨桿施作示意

鉆桿采用φ25 mm自進(jìn)式注漿錨桿，其同時(shí)作為注漿管，由于刀盤(pán)內(nèi)作業(yè)空間狹小，鉆桿長(zhǎng)度不易過(guò)長(zhǎng)，因而選用單節(jié)長(zhǎng)1 m的注漿錨桿，采用聯(lián)結(jié)套連接套打。即第一節(jié)前端套上鉆頭，當(dāng)一節(jié)錨桿鉆進(jìn)后，在其尾部套上聯(lián)結(jié)套連接后一節(jié)錨桿，直到每根錨桿鉆到需要長(zhǎng)度。注漿錨桿樣式如圖3所示。

圖3 超前自進(jìn)式注漿錨桿大樣

3.2.2 注漿

通過(guò)快速注漿接頭將錨桿尾端與注漿泵相連，注漿泵采用配套的專(zhuān)用于化學(xué)漿液的氣動(dòng)注漿泵，漿液按照化學(xué)漿液配比要求(A、B兩類(lèi)材料按1∶1配合)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配制，注漿壓力根據(jù)TBM刀盤(pán)前面掌子面漿液滲透情況確定，一般為2～4 MPa?；瘜W(xué)注漿示意如圖4。

圖4 化學(xué)注漿示意

4 注漿效果

現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中能清楚地感知到，新型化學(xué)漿液具有滲透性強(qiáng)、固結(jié)時(shí)間快等特點(diǎn)。在注漿前的試驗(yàn)中，試驗(yàn)檢測(cè)出在40 s時(shí)間，漿液出現(xiàn)固結(jié)。在1個(gè)注漿孔注漿，2 m外的裂隙中有漿液滲出，并在適當(dāng)?shù)乜刂谱{壓力后，溢出裂隙的漿液能快速固結(jié)，不會(huì)出現(xiàn)大面積的漿液滲出現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)注漿后的效果如圖5所示。

圖5 新型化學(xué)注漿使用效果照片

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)統(tǒng)計(jì)，一般每分鐘注漿量在5～8 kg，拱部90°范圍一循環(huán)注漿時(shí)間為3～5 h，拱部150°范圍一循環(huán)注漿時(shí)間為5～7 h。注漿完成后，即可進(jìn)行TBM掘進(jìn)，此時(shí)推力能達(dá)到90 MPa，且皮帶出渣中，所含大石塊數(shù)量減少，掌子面也未出現(xiàn)大面積坍塌，且周邊掉塊也有明顯減少，以致圍巖支護(hù)及仰拱塊鋪設(shè)清渣等作業(yè)工程量隨之減少，TBM作業(yè)效率有了明顯提高。再加上徑向注漿對(duì)圍巖的二次加固，圍巖收斂變形得到了有效的控制，各工序可正常開(kāi)展，TBM掘進(jìn)進(jìn)度有了大幅提升，在花崗巖節(jié)理密集帶月進(jìn)度由原來(lái)15～60 m/月提升到120 m/月以上。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)上述研究可知，新型化學(xué)漿液具有流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、強(qiáng)度增長(zhǎng)快、最終強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此與其它注漿材料如普通水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿相比，更加適合中天山隧道安全快速施工要求。

通過(guò)中天山隧道采用新型化學(xué)漿液注漿實(shí)踐表明，節(jié)理密集帶處經(jīng)注漿后，效果良好，其施工進(jìn)度由原來(lái)15～60 m/月提升到120 m/月以上，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

但需要指出的是，新型化學(xué)漿液價(jià)格較為昂貴，因此可對(duì)其它注漿材料的適用性情況進(jìn)行更深一步研究，以提高隧道圍巖注漿的經(jīng)濟(jì)性。

［1］黃海．中天山隧道深鉆孔及孔內(nèi)綜合測(cè)試研究［J］．北方交通，2010(5):140-142．

［2］黃海．中天山隧道地應(yīng)力測(cè)量及巖爆預(yù)測(cè)研究［J］．國(guó)防交通工程與技術(shù)，2011(5):45-48．

［3］朵生君．中天山隧道大埋深高水壓節(jié)理密集帶涌水處理［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(6):101-104．

［4］楊文國(guó)，王才高，付廷達(dá)．秀山隧道(出口)防涌水突砂施工配套技術(shù)［J］．鐵道建筑，2011(6):78-80．

［5］肖永忠．采用復(fù)合內(nèi)襯壁后注漿法加固既有線隧道施工［J］．鐵道建筑，2013(3):58-60．