基于TBM工法施工用堵漏漿液研制

翟梁皓， 陳 晨， 吳景華， 張 晗

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012； 2.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012； 3.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130012； 4.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

TBM在掘進(jìn)中能夠根據(jù)圍巖變化不斷調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)和參數(shù)，掘進(jìn)速度極快，一般可達(dá)同等條件下鉆爆法的4～6倍。還具有全斷面開挖、精確超欠挖控制以及對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)[1]。

TBM工法可以實(shí)現(xiàn)在掘進(jìn)的同時(shí)完成支護(hù)，但是該工法作為一種全新的隧道施工方式卻存在著無(wú)法逾越的“瓶頸”[2]。(1)開敞式TBM對(duì)硬巖有很強(qiáng)的適應(yīng)性，但在軟弱圍巖中由于開敞式TBM無(wú)法對(duì)暴露的巖壁進(jìn)行足夠的支撐，出現(xiàn)由于圍巖變形而失穩(wěn)；(2)由于其為全斷面開挖，無(wú)法對(duì)掌子面進(jìn)行直接處理，因此TBM工法處理工程地質(zhì)災(zāi)害的靈活性遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)鉆爆法[3]。

吉林省內(nèi)某隧道施工項(xiàng)目中，根據(jù)前期勘測(cè)資料表明，在隧道沿線的低洼淺埋段，易與地表水發(fā)生連通，可能會(huì)存在涌水問(wèn)題。實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，涌水災(zāi)害是該工程面臨的主要地質(zhì)問(wèn)題。

涌水災(zāi)害洞段施工對(duì)本項(xiàng)目造成的影響主要包括：(1)在動(dòng)水壓力作用下，掌子面巖體失穩(wěn)，刀盤滾刀的貫入度瞬間增大，造成刀具非正常磨損加劇和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得TBM頻繁停機(jī)[5]；(2)淹沒(méi)機(jī)體，當(dāng)涌水量超過(guò)自身攜帶設(shè)備的排水極限時(shí)，會(huì)威脅洞內(nèi)工作人員的生命安全[6]；(3)TBM掘進(jìn)的動(dòng)力來(lái)自于巖壁的反作用力，圍巖與水接觸浸泡后軟化，TBM撐靴系統(tǒng)不能為掘進(jìn)系統(tǒng)提供足夠的支撐反力，使得TBM極易被困[7]。

實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)灌漿多采用純水泥漿液，注漿量大且效果不好，經(jīng)常出現(xiàn)竄漿等現(xiàn)象導(dǎo)致漿液流失浪費(fèi)嚴(yán)重。此外，無(wú)可控性純水泥漿液注入后不能及時(shí)開始工作，在動(dòng)水力作用下純水泥漿液的穩(wěn)定性也無(wú)法保證。因此，該調(diào)研項(xiàng)目急需一種可控漿液，該漿液可滿足在預(yù)定時(shí)間失去流動(dòng)性而迅速凝固，具有良好的水穩(wěn)定性和低滲性，達(dá)到堵塞涌水通道，減少漿液用量的目的。

1 堵漏漿液研制

開敞式TBM工法施工時(shí)，(1)堵漏漿液采用洞外拌合，洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)姆绞剑竭_(dá)工作面后，再進(jìn)行漿液的注入，因此，漿液運(yùn)輸期間需要保證一定的流動(dòng)性即可泵期的要求[10]，根據(jù)工程實(shí)際情況，漿液拌和后運(yùn)輸時(shí)間約為30 min；(2)漿液泵入后希望能盡快失去流動(dòng)性，封堵周圍地下水的補(bǔ)給通道，減少因封堵涌水而停機(jī)的時(shí)間，因此，漿液需要在可泵期的基礎(chǔ)上，滿足初凝時(shí)間盡量短的要求[11]；(3)由于開敞式TBM工法掘進(jìn)和襯砌施工是獨(dú)立進(jìn)行的兩個(gè)不同階段，兩個(gè)階段一般間隔時(shí)間較長(zhǎng)[12]，堵漏漿液形成的結(jié)石體需具有一定的抗壓強(qiáng)度，否則，形成的結(jié)石體極易破壞。

1.1 漿液配方研制

初步選定的配方有3組：第一組：水泥、粉煤灰、水、硫酸鐵[Fe2(SO4)3]、鋁酸鈉(NaAlO2)；第二組：水泥、粉煤灰、水、磷酸氫二鉀(K2HPO4)、鋁酸鈉(NaAlO2)；第三組：水泥、水、酒石酸(C4H6O6)、鋁酸鈉(NaAlO2)、水解聚丙烯酰胺(PHP)。在固定水灰比為0.59，以可泵期30 min來(lái)確定可控堵漏漿液的初選配方。

1.1.1 配方一的可泵期、初凝時(shí)間的測(cè)試

第一組配方通過(guò)調(diào)節(jié)不同組分的含量，可得配方一的初選配方為：水泥、粉煤灰、水、Fe2(SO4)3、NaAlO2，嘗試進(jìn)行多組試驗(yàn)后，該組配方的可泵期約為30 min，初凝時(shí)間約為326 min。

1.1.2 配方二的可泵期、初凝時(shí)間的測(cè)試

第二組配方通過(guò)調(diào)節(jié)不同組分的含量，可得配方二的初選配方為：水泥、粉煤灰、水、K2HPO4、NaAlO2，嘗試進(jìn)行多組試驗(yàn)后，該配方的可泵期約為33 min，初凝時(shí)間約為455 min。

1.1.3 配方三的可泵期、初凝時(shí)間的測(cè)試

第三組配方通過(guò)調(diào)節(jié)不同組分的含量，可得配方三的初選配方為：水泥、水、C4H6O6、PHP、NaAlO2，嘗試進(jìn)行多組試驗(yàn)后，該配方的可泵期約為30 min，初凝時(shí)間約為109 min。

1.1.4 初選配方

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，配方一和配方三的可泵期為30 min，滿足工程施工的要求。同時(shí)，配方三的初凝時(shí)間為109 min，配方一的初凝時(shí)間為326 min，配方三漿液注入后2 h內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)涌水通道的封堵，減少停機(jī)時(shí)間。因此，確定配方三為初選配方。

1.1.5 正交試驗(yàn)

為獲得優(yōu)化配方，采取正交試驗(yàn)對(duì)組分含量進(jìn)行優(yōu)化。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)為三因素三水平試驗(yàn)，根據(jù)初選配方確定正交試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

對(duì)表1中所示的配方進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)各因素對(duì)可泵期時(shí)間的影響進(jìn)行極差分析，確定主次因素。極差分析結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

表3 各組分對(duì)可泵期影響的極差分析

由表3可知，各組分對(duì)初凝時(shí)間影響的主次因素依次為：PHP、酒石酸(C4H6O6)、鋁酸鈉(NaAlO2)，根據(jù)上文所述，將可泵期時(shí)間暫定為30 min，因此可得配方為C3A3B2。

同理，根據(jù)各因素對(duì)初凝時(shí)間的影響進(jìn)行極差分析，確定因素的主次因素。極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 各組分對(duì)初凝時(shí)間影響的極差分析

由表4可知，各組分對(duì)可泵期時(shí)間影響的主次因素依次為：鋁酸鈉(NaAlO2)、酒石酸(C4H6O6)、PHP，根據(jù)上文所述，擬定漿液過(guò)可泵期后盡快達(dá)到初凝，因而取初凝時(shí)間最短為優(yōu)，可得配方為B1A1C3。

1.1.6 確定該配方漿液的最優(yōu)配方

以可泵期和初凝時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩組配方進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 配方性能比較

由表5可得，配方B1A1C3測(cè)得的可泵期為15 min，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)輸條件，在抵達(dá)工作面之前該漿液就因失去流動(dòng)性而無(wú)法泵注。因此，對(duì)比分析兩組配方后可能配方C3A3B2為該治理漿液的最優(yōu)配方。最優(yōu)配方為：水灰比0.59、酒石酸(C4H6O6)0.25%、PHP溶液3.0%、鋁酸鈉(NaAlO2)1.6%。

1.2 最優(yōu)配方漿液的性能評(píng)估

1.2.1 配方漿液的析水率測(cè)試

漿液材料按照配方混合后進(jìn)行攪拌，固體顆粒呈懸浮的狀態(tài)，當(dāng)漿液進(jìn)入洞內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸或運(yùn)輸過(guò)程中罐車攪拌不充分時(shí)，固體顆粒會(huì)逐漸沉淀。為了保證漿液運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)定性以及保證漿液注入后能夠充分填充巖體內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面，需要對(duì)研制的配方漿液進(jìn)行析水率測(cè)試。如果漿液析水率<5%時(shí)，該漿液為穩(wěn)定性漿液，否則為非穩(wěn)定性漿液[14]。

將各組分按照優(yōu)選的配方進(jìn)行混合并充分?jǐn)嚢韬蟮谷肓客仓校瑢⒘客卜旁谒教?0 min，觀察并測(cè)量量筒內(nèi)析出水的體積。測(cè)得配方漿液的析水率為1.5%，析水率<5%，為穩(wěn)定性漿液。

1.2.2 配方漿液終凝后抗壓強(qiáng)度測(cè)試

為了提高研制的可控水泥漿液對(duì)實(shí)際工程的適應(yīng)性，測(cè)試配方漿液凝固后的強(qiáng)度，防止由于結(jié)石體強(qiáng)度過(guò)低而產(chǎn)生其他次生災(zāi)害，對(duì)達(dá)到終凝狀態(tài)的漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。與現(xiàn)場(chǎng)工作人員交流后，得知工程現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生突涌水災(zāi)害洞段的埋深較淺，地應(yīng)力較小，要求配方漿液終凝時(shí)抗壓強(qiáng)度至少為0.70 MPa?？箟簭?qiáng)度測(cè)定采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試塊的尺寸為7.7 cm×7.7 cm×7.7 cm，脫模并養(yǎng)護(hù)，對(duì)其終凝狀態(tài)、7 d、28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。

配方漿液達(dá)到終凝狀態(tài)后測(cè)試的壓力曲線如圖1所示。結(jié)合試塊的實(shí)際尺寸，求得配方漿液終凝時(shí)的抗壓強(qiáng)度為0.84 MPa。

配方漿液結(jié)石體養(yǎng)護(hù)7 d后測(cè)試的壓力曲線如圖2所示。結(jié)合試塊的實(shí)際尺寸，求得配方漿液7 d后的抗壓強(qiáng)度為17.12 MPa。

圖1 配方漿液終凝時(shí)抗壓強(qiáng)度曲線

圖2 配方漿液結(jié)石體養(yǎng)護(hù)7 d后抗壓強(qiáng)度曲線

配方漿液結(jié)石體養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試的壓力曲線如圖3所示。結(jié)合試塊的實(shí)際尺寸，求得配方漿液28 d的抗壓強(qiáng)度為17.70 MPa。

圖3 試塊養(yǎng)護(hù)28 d后抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)曲線

對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析可得：試塊終凝時(shí)的抗壓強(qiáng)度為0.84 MPa，最終的抗壓強(qiáng)度維持在17 MPa左右。研制的漿液終凝時(shí)結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度>0.70 MPa，因此，該漿液可以滿足實(shí)際工程的要求。

1.2.3 漿液結(jié)石體滲透系數(shù)測(cè)試

為了測(cè)試配方漿液結(jié)石體的透水性，提高對(duì)涌水災(zāi)害的治理效果，需要測(cè)試漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)。根據(jù)TBM工法實(shí)際情況，采用注漿止水后，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)行最終襯砌的施工，因此，漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)決定了研制漿液的治理效果，因此，要求終凝狀態(tài)下的配方漿液結(jié)石體滲透系數(shù)<9.9×10-6cm/s。

試驗(yàn)采用FWP-B 型柔壁滲透儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，試樣高度為12 cm，直徑為6.4 cm，圍壓為253.71 kPa，滲透壓為220.25 kPa。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確及延長(zhǎng)試驗(yàn)器材的使用壽命，試驗(yàn)用水均為蒸餾水。最終測(cè)得漿液終凝后的滲透系數(shù)為7.19×10-6cm/s<9.9×10-6cm/s，本次試驗(yàn)選取的是終凝時(shí)的漿液結(jié)石體，隨著漿材進(jìn)一步凝結(jié)和硬化，結(jié)石體的滲透系數(shù)會(huì)持續(xù)減小，最終維持在更低的水平。因此，該配方漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)能夠滿足工程現(xiàn)場(chǎng)的需求。

2 配方漿液堵漏性能室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究

2.1 進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)的目的與變量選取

調(diào)研的項(xiàng)目中多數(shù)需要在隧道拱頂進(jìn)行注漿，結(jié)構(gòu)面傾角多以陡傾角為主，揭露的結(jié)構(gòu)面平均寬度>10 mm[15]。為了提高研制漿液與工程的適應(yīng)性，對(duì)漿液進(jìn)行模擬試驗(yàn)。選取結(jié)構(gòu)面寬度為12 mm,傾角分別為70°和90°的情況進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，測(cè)試配方漿液的實(shí)際堵漏效果[16]。

模擬試驗(yàn)預(yù)采用高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏試驗(yàn)儀如圖4所示。

圖4 堵漏試驗(yàn)儀設(shè)備組成

高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏試驗(yàn)儀的物理模型由兩塊鋼制材料拼接而成，且能夠隨時(shí)拆卸。兩塊鋼材中間設(shè)置不同形狀和寬度的縫隙，用以模擬真實(shí)地層中的裂縫。堵漏試驗(yàn)儀的物理模塊如圖5所示。

圖5 堵漏試驗(yàn)儀的物理模塊

2.2 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖6所示，第一組試驗(yàn)選取的物理模塊中裂縫寬度12 mm，模擬傾角為70°第一組試驗(yàn)的封堵效果、濾失量、進(jìn)口壓力如圖7～9所示。

圖6 第一組模擬試驗(yàn)

圖7 第一組試驗(yàn)堵漏效果

圖8 第一組試驗(yàn)的濾失量曲線

圖9 第一組試驗(yàn)進(jìn)口壓力曲線

第一組試驗(yàn)中，漿液的成型長(zhǎng)度為12.50 cm。從圖8可以得出，當(dāng)模擬試驗(yàn)開始注漿30 s后，總濾失量維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。從圖9可以看出，當(dāng)注漿時(shí)間為44 min時(shí)，進(jìn)口壓力曲線陡增，上述情況均表明已將物理模塊成功封堵。

如圖10所示，第二組試驗(yàn)選取的物理模塊中裂縫寬度12 mm，模擬傾角為90°。

圖10 第二組模擬試驗(yàn)

第二組試驗(yàn)的堵漏效果、濾失量、進(jìn)口壓力如圖11～13所示。

圖11 第二組試驗(yàn)堵漏效果

第二組試驗(yàn)中，漿液的成型長(zhǎng)度為13.00 cm。從圖12可以得出，當(dāng)模擬試驗(yàn)開始注漿70 s后，總濾失量維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。從圖13中可以看出，在該組試驗(yàn)中，當(dāng)注漿時(shí)間為39 min時(shí)，進(jìn)口壓力曲線陡增，上述情況均表明已將物理模塊成功封堵。

圖12 第二組試驗(yàn)濾失量曲線

圖13 第二組試驗(yàn)進(jìn)口壓力曲線

2.3 室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行的兩組試驗(yàn)中，第一組試驗(yàn)開始注漿30 s(第二組70 s)后，濾失量便維持在穩(wěn)定水平，表明漿液已經(jīng)在物理模塊內(nèi)逐漸成型；隨著時(shí)間增加，當(dāng)?shù)谝唤M試驗(yàn)進(jìn)行44 min(第二組試驗(yàn)39 min)時(shí)，物理模塊注入口壓力陡增，表明物理模塊縫隙已被漿液完全填充和封堵；結(jié)合圖7和圖11，將物理模塊打開后，內(nèi)部成型長(zhǎng)度分別為12.5 cm和13 cm。因此，以上兩組試驗(yàn)結(jié)果均表明研制的漿液已經(jīng)成果將物理模塊成功封堵，配方漿液對(duì)大角度裂隙有良好的封堵效果，可以滿足實(shí)際工程的要求。

3 研制漿液工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況

由于研制的涌水災(zāi)害治理漿液并沒(méi)有在工程項(xiàng)目上進(jìn)行普遍的應(yīng)用，因此，為了驗(yàn)證所研制漿液的實(shí)際應(yīng)用效果，與現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行溝通后，將治理漿液在洞內(nèi)指定的出水點(diǎn)進(jìn)行小型的灌注測(cè)試。在現(xiàn)場(chǎng)將研制的漿液灌入孔內(nèi)約50 min后，注漿壓力達(dá)到0.5 MPa，注漿率<1 L/min，已經(jīng)達(dá)到停泵條件，表明研制漿液已經(jīng)對(duì)該涌水點(diǎn)進(jìn)行了成功封堵。此外，與該涌水點(diǎn)附近采用傳統(tǒng)漿液進(jìn)行處理的注漿孔相比，漿液用量大幅降低，因此，該配方漿液對(duì)調(diào)研工程涉及的涌水災(zāi)害治理具有一定的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。注漿前后的封堵效果如圖14所示。

圖14 研制漿液注漿前后封堵效果

4 結(jié)論

本文針對(duì)純水泥漿治理工程現(xiàn)場(chǎng)涌水事故效果不佳的問(wèn)題，研制了一種具有良好可控性的堵漏漿液。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)漿液采用洞外拌和、洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)那闆r，將30 min作為可泵期對(duì)配方進(jìn)行初選，利用正交試驗(yàn)獲得了最終優(yōu)選配方，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試和模擬試驗(yàn)，最終在工程現(xiàn)場(chǎng)某涌水點(diǎn)進(jìn)行封堵后取得了良好的效果。得到的結(jié)論如下：

(1)根據(jù)正交試驗(yàn)，獲得該組配方漿液的最優(yōu)配方為：水灰比0.59、酒石酸(C4H6O6)0.25%、PHP溶液3.00%、鋁酸鈉(NaAlO2)1.60%。

(2)對(duì)配方漿液的性能進(jìn)行了測(cè)試，配方漿液的析水率為1.5%，為穩(wěn)定型漿液；漿液結(jié)石體終凝、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為0.84、17.12、17.70 MPa；配方漿液終凝后的滲透系數(shù)為7.19×10-6cm/s。為進(jìn)一步驗(yàn)證研制漿液的封堵效果，對(duì)配方漿液進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，從模擬實(shí)驗(yàn)物理模型中測(cè)量配方漿液成型長(zhǎng)度、濾失曲線及進(jìn)口壓力曲線表明，所研制的漿液對(duì)物理模型具有良好的封堵效果。

綜合性能測(cè)試和模擬試驗(yàn)結(jié)果，可以說(shuō)明所研制的漿液對(duì)該項(xiàng)目中的突涌水災(zāi)害的治理具有良好的適用性，可以滿足實(shí)際工程的需要。

(3)從現(xiàn)場(chǎng)堵漏效果可以看出，由于該出水點(diǎn)后期涌水量突然增大，導(dǎo)致洞壁坍塌，因此，選擇注漿的基礎(chǔ)上進(jìn)行了鋼拱架的施工。從圖14中可以看出，對(duì)該出水點(diǎn)進(jìn)行注入本文研制的漿液后，短時(shí)間達(dá)到停泵條件，對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行成功封堵，漿液結(jié)石體與圍巖形成共同的承重結(jié)構(gòu)，阻止了圍巖進(jìn)一步變形。封堵效果表面該漿液能夠滿足該工程需要，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。