地表預(yù)注漿加固TBM 施工隧洞淺埋沖溝段施工效果分析

劉 攀

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊830000)

0 前言

新疆某隧洞引水工程因地質(zhì)地形等因素的影響，要穿越破碎淺埋區(qū)，且淺埋區(qū)內(nèi)斷層、裂隙比較發(fā)育，對洞室穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響，存在重大的安全隱患。注漿法是一種利用壓力將可固化水泥基漿液或其他漿液壓入至破碎巖石區(qū)或基巖裂隙內(nèi)，以改善其物理力學(xué)性能的處理方法。今年來，該處理方法廣泛應(yīng)用在圍巖地質(zhì)條件差、淺埋等隧洞段的圍巖加固[1～3]。

本文結(jié)合地表預(yù)注漿加固巖體[4～5]在新疆某隧洞引水工程中沖溝淺埋段的應(yīng)用，通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析其加固效果。

1 工程背景

新疆某隧洞引水工程TBM4 施工隧洞全長12.8 km，埋深為6 m～110 m，平均埋深34 m，共穿過18 個(gè)地質(zhì)斷層帶。該TBM 施工段落位于剝蝕構(gòu)造低山丘陵區(qū)，地形開闊、略起伏，分布高程670 m～780 m，相對高差約110 m。該TBM 開挖直徑為7.8 m。目前，TBM 掘進(jìn)至樁號109+932 m，距離第一個(gè)淺埋沖溝地質(zhì)段（編號103#沖溝）約230 m。該沖溝段中心點(diǎn)樁號109+703 m，地表至隧洞頂約8.2 m，巖層為黑云母斜長片麻巖，為V 類圍巖，透水率10 Lu～15 Lu。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況和TBM掘進(jìn)進(jìn)度，預(yù)計(jì)到達(dá)103#沖溝時(shí)間為3 月底，正是當(dāng)?shù)厝谘┥胶榧竟?jié)，地表產(chǎn)生洪流，對洞室穩(wěn)定性影響極大。

為保證人員及TBM 掘進(jìn)施工安全，避免出現(xiàn)大規(guī)模塌方、TBM 主機(jī)被埋等情況，決定針對該沖溝段，采用地表注漿加固的方案進(jìn)行超前處理，以提高圍巖整體性及強(qiáng)度，降低圍巖裂隙的透水性，改善隧洞的成拱效應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到施工安全的目的。

2 地質(zhì)條件

103#沖溝內(nèi)主要發(fā)育f41 斷層，該斷層規(guī)模較大，破碎帶寬度10 m～15 m，產(chǎn)狀為53°NW∠80°～85°，斷層走向與洞線夾角85°～87°，在洞內(nèi)延伸長度約15 m～18 m，對洞室穩(wěn)定影響較大，103#沖溝內(nèi)以黑云母斜長片麻巖、碎裂巖為主，圍巖類別為V 類。洞內(nèi)地下水以基巖裂隙水為主，斷層破碎帶洞壁會產(chǎn)生線狀水流現(xiàn)象，估算隧洞段總涌水量456 m3/h，施工應(yīng)加強(qiáng)排水措施。根據(jù)地下水質(zhì)分析成果資料反應(yīng)，地下水中SO42-含量257.4 mg/L～776.2 mg/L，CL-含量138.3 mg/L～424.4 mg/L，對混凝土具有弱～強(qiáng)腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，需采取防腐措施。

3 地表預(yù)注漿施工方案

3.1 注漿材料

注漿漿液采用水泥單漿液，由稀變濃逐級變換，漿液水灰比按2∶1、1∶1、0.5∶1 三個(gè)比級，開灌比2∶1，具體應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。注漿水泥采用活性高，出廠日期不超過3 個(gè)月42.5R 型的抗硫酸鹽鹽水泥。

注漿過程中需根據(jù)不同情況，進(jìn)行漿液濃度的調(diào)整。漿液調(diào)整原則為：（1）若某濃度漿液的注入量超過300 L，而漿液注入率、注漿壓力等無明顯改變，應(yīng)調(diào)高一級漿液濃度；（2）若漿液注入時(shí)間達(dá)到30 min,漿液注入率、注漿壓力等無明顯改變，應(yīng)調(diào)高一級漿液濃度；（3）若漿液注入率超過30 L/min 時(shí)，可視具體情況越級調(diào)整漿液濃度；（4）若注漿過程中，壓力保持不變,而漿液注入率持續(xù)減小,不得調(diào)整漿液濃度。

3.2 注漿范圍、注漿孔布設(shè)

注漿范圍主要根據(jù)ZK-103 鉆孔揭露地質(zhì)以及沖溝構(gòu)造情況，同時(shí)結(jié)合TBM 施工等因素綜合考慮確定。最終確定平面注漿范圍為：沿隧洞軸線放線加固長度50 m（樁號109+678 m～109+728 m）,隧洞軸線法線方向兩側(cè)各加固6 m。豎向注漿范圍為：TBM 開挖洞頂以上注漿深度5 m，隧洞開挖線外的注漿至洞底以下2 m，隧洞開挖線范圍內(nèi)注漿至隧洞拱頂1 m。固結(jié)灌漿鉆孔布置平面圖及剖面圖見圖1。

圖1 固結(jié)灌漿鉆孔布置平面圖及剖面圖

根據(jù)現(xiàn)場注漿擴(kuò)散半徑，確定注漿孔的孔排距為3 m，鉆孔終孔直徑為50 mm～100 mm。

3.3 沖洗鉆孔

沖洗鉆孔的方法可采用敞開式水沖洗、風(fēng)沖洗以及聯(lián)合沖洗等，具體可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件、現(xiàn)場注漿試驗(yàn)等確定。

水沖洗壓力可取注漿壓力的80%，若大于1 MPa，取1 MPa。采用水沖洗時(shí)，回水清澈后10 min 停止沖洗，且單孔沖洗30 min 以上，串通孔沖洗2 h 以上。若鄰近孔正在注漿或者鄰近孔注漿結(jié)束時(shí)間低于24 h，不得沖洗鉆孔。

3.4 壓水試驗(yàn)

沖洗鉆孔結(jié)束24 h 內(nèi)進(jìn)行壓水試驗(yàn)。每個(gè)注漿段中選取5%的Ⅰ序孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，該注漿段中剩余孔可進(jìn)行簡易壓水試驗(yàn)，順序由先導(dǎo)孔至檢查孔依次進(jìn)行。

壓水試驗(yàn)時(shí)間約為20 min，壓水流量需每間隔5 min 測量一次，最終測量的流量值作為計(jì)算值，并用透水率表示。

壓水試驗(yàn)過程中，若出現(xiàn)以下情況可認(rèn)為壓水試驗(yàn)穩(wěn)定。（1）壓水試驗(yàn)過程中穩(wěn)定水壓，時(shí)間間隔4 min 左右進(jìn)行壓水流量測量，連續(xù)4 次測量的壓水流量中最大值與最小值差值低于終值的10%，結(jié)束試驗(yàn)，取終值作為計(jì)算值；（2）最大值與最小值差值低于1 L/min 時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)，取終值作為計(jì)算值。

3.5 注漿參數(shù)

沖洗鉆孔、壓水試驗(yàn)結(jié)束的注漿段需及時(shí)進(jìn)行注漿。沖洗鉆孔、壓水試驗(yàn)結(jié)束24 h 后未進(jìn)行注漿操作的，注漿作業(yè)前需重新進(jìn)行沖洗鉆孔、壓水試驗(yàn)操作。

本注漿方案采用分段注漿法，第一段段長為3.0 m，第二段及以下為5.0 m。注漿分段應(yīng)與鉆孔分段保持一致。注漿管末端距離孔底不超過0.5 m，在距注漿孔頂端0.5 m 處放置注漿塞。鉆孔成孔后注漿作業(yè)前或者注漿中間停止等情況，需采取措施對注漿孔口進(jìn)行防護(hù)，防止污水、雜物等進(jìn)入孔內(nèi)。

本方案采用自下而上分段方式進(jìn)行注漿，阻漿塞設(shè)置在基巖面以下0.5 m～1.0 m 范圍內(nèi)，注漿控制段長約5 m，各段注漿管距孔底不超過0.5 m，否則應(yīng)重新配置注漿管。

通常情況下，固結(jié)注漿結(jié)束后不待凝，便可直接進(jìn)行其他段落的鉆孔注漿作業(yè)。需要注意的是，遇到固結(jié)處理巖石斷層破碎帶等情況時(shí)，待凝處理后方可進(jìn)行下一操作作業(yè)，待凝的時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定。

為防止注漿作業(yè)對巖石面產(chǎn)生抬動等不利影響，固結(jié)注漿采取“一泵注一孔”的原則進(jìn)行操作。若注漿過程中發(fā)生串漿現(xiàn)象，在串漿孔注漿條件成熟時(shí)，可同時(shí)進(jìn)行注漿作業(yè)。否則，需對串漿孔處理，待注漿結(jié)束后，再對串漿孔進(jìn)行掃孔、沖洗處理，而后對串漿孔進(jìn)行注漿。

3.6 注漿壓力及注漿次序

注漿壓力大小對注漿效果起到?jīng)Q定性影響。本次注漿主要位于強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體內(nèi)，本次注漿壓力初定為0.5 MPa～3.0 MPa，涌水孔為灌漿壓力+涌水壓力，但最高不宜超過3.0 MPa；具體根據(jù)現(xiàn)場灌漿實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

結(jié)合注漿孔分布情況，先從外圍進(jìn)行注漿而后內(nèi)部孔注漿，同時(shí)采取隔孔注漿[3]。注漿過程中壓力逐漸增大，當(dāng)壓力增加至設(shè)計(jì)壓力，漿液注入率小于1 L/min，注漿持續(xù)10 min～20 min，注漿即可結(jié)束。

3.7 封孔

固結(jié)灌漿封孔通常采用“導(dǎo)管注漿封孔法”進(jìn)行封孔，封孔時(shí)采用水灰比為0.5∶1 的水泥漿液。封孔后待凝24 h，之后清除孔內(nèi)浮漿等，采用干硬性水泥砂漿對脫空處進(jìn)行封堵密實(shí)。

3.8 注漿效果檢查

（1）注漿效果檢查通常采用聲波法測量波速的方式進(jìn)行，并結(jié)合注漿前后物探成果以及有關(guān)注漿施工資料等進(jìn)行綜合評定。同時(shí)需注意聲波法測試應(yīng)在注漿結(jié)束7 d～14 d 進(jìn)行，選取5%的注漿孔數(shù)作為檢查孔?？锥魏细衤蕬?yīng)達(dá)到85%以上。

（2）孔段合格率應(yīng)達(dá)到85%以上。

（3）針對檢查過程中發(fā)現(xiàn)的不合格注漿孔段，需采取補(bǔ)救措施進(jìn)行處理。

4 注漿效果分析

為檢驗(yàn)103#沖溝范圍內(nèi)預(yù)注漿效果，針對注漿區(qū)域進(jìn)行鉆取芯樣，同時(shí)測試芯樣的結(jié)實(shí)情況及抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，芯樣體的結(jié)實(shí)率達(dá)到97%以上；巖體28 天抗壓強(qiáng)度達(dá)到8.1 MPa 以上。可知，103#沖溝內(nèi)注漿效果均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表1 注漿區(qū)域芯樣的結(jié)實(shí)情況及抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

后TBM4 掘進(jìn)至103# 沖溝影響范圍內(nèi)時(shí)，采取了降低掘進(jìn)速度與加強(qiáng)拱架支護(hù)相結(jié)合的方式，順利安全通過103# 沖溝及影響段掘進(jìn)。通過觀察TBM 掘進(jìn)掌子面情況，該沖溝注漿段內(nèi)出水情況相對于周圍無注漿區(qū)域有所減小，且掌子面裂隙內(nèi)有明顯注漿結(jié)石體。此上均表明注漿效果明顯，地表預(yù)注漿對TBM 掘進(jìn)施工起到保障作用。

5 結(jié)論

針對新疆某隧洞引水工程TBM 施工隧洞穿越淺埋沖溝段地質(zhì)情況，本文提出了采用地表注漿加固的方案進(jìn)行超前處理，并論述了地表預(yù)注漿加固處理施工方案。結(jié)果表明淺埋沖溝段地表預(yù)注漿，提高了破碎圍巖的整體性及強(qiáng)度，降低了圍巖裂隙的透水性，改善了隧洞的成拱效應(yīng)，保障了TBM 掘進(jìn)施工安全。

地表注漿加固進(jìn)行隧洞超前處理的方案，僅適用于埋深前，易于進(jìn)行地表注漿的隧洞。針對于TBM 施工深埋長隧洞的超前處理，建議承包商與TBM 設(shè)備廠家協(xié)商，加裝超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及處理設(shè)備，進(jìn)行洞內(nèi)超前處理。