TBM隧洞富水段高分子聚合物注漿技術(shù)研究

宋良明

（新疆維吾爾自治區(qū)額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

注漿是工程建設(shè)中常用的防滲止水方法，經(jīng)過前人的摸索和實(shí)踐，注漿堵水已是較為成熟、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也較為豐富的施工工藝，相關(guān)的控制措施和方法也較為完善，在輸水隧洞、堤壩和水庫等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果，但這些工藝和方法主要是在混凝土澆筑后無外水壓力或滲水量不大的情況下實(shí)施的。針對TBM掘進(jìn)段的大流量且有壓涌水的堵水注漿，可借鑒的類似工程較少，采用傳統(tǒng)的固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、劈裂灌漿、接縫灌漿等工藝處理的效果較差，無法達(dá)到有效封堵的目的[1-10]。筆者以新疆某工程TBM段注漿堵水工作為例，研究高分子聚合物注漿材料在TBM段大流量有壓突涌水防控的應(yīng)用技術(shù)，提出高壓大流量條件下TBM系統(tǒng)注漿方法。

1 工程背景

新疆某工程TBM段隧洞總掘進(jìn)長度為22.707km，區(qū)段地層巖性以凝灰質(zhì)砂巖為主，局部夾凝灰質(zhì)粉砂巖、沉凝灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖。圍巖富水地段密集，涌水點(diǎn)較多，隧洞涌水較為頻繁且涌水量大，部分區(qū)段瞬時流量達(dá)到400 m3/h，最大單點(diǎn)涌水量超過600 m3/h。在該圍巖富水段，TBM多次因突涌水造成停機(jī)（典型突涌水如圖1所示），嚴(yán)重威脅作業(yè)人員和設(shè)備安全。

圖1 隧洞典型突涌水情況

2 TBM淺層注漿堵水技術(shù)

高分子聚合物注漿技術(shù)的基本原理是向病害處治區(qū)內(nèi)注射一定配比的發(fā)泡劑和異氰酸酯雙組份材料，材料混合后迅速發(fā)生反應(yīng)，體積膨脹并形成泡沫狀固體，達(dá)到快速填充脫空、加固結(jié)構(gòu)、防滲堵漏的目的。由于費(fèi)用昂貴，在本項(xiàng)目中僅用于高壓大流量涌水的淺層注漿封堵，與傳統(tǒng)注漿材料結(jié)合，解決由于動水作用導(dǎo)致的傳統(tǒng)注漿材料易跑漿、難凝固的問題。根據(jù)TBM突涌水及注漿堵水位置，TBM高聚物化學(xué)注漿堵水技術(shù)主要包含掌子面帷幕注漿、護(hù)盾后淺層注漿、底部淺層系統(tǒng)注漿3種情況。

2.1 掌子面帷幕注漿

對于掌子面高壓大體量突涌水，宜采用高聚物帷幕注漿技術(shù)（如圖2所示）。高聚物帷幕注漿一般在水泥漿帷幕注漿完成后進(jìn)行，在水泥漿帷幕注漿圈后部1.5 m處，以30°角向外施作10個帷幕注漿孔，進(jìn)行注漿堵水。注漿采取φ60孔進(jìn)行灌漿，高聚物帷幕注漿不設(shè)專用的止?jié){塞，利用φ80消防水管制作1.5 m長雙導(dǎo)管膜袋，將膜袋安裝至泄水孔后，向膜袋內(nèi)注入雙組份材料，材料在膜袋內(nèi)迅速膨脹，形成注漿塞，從而快速封堵涌水通道出口，穩(wěn)固后向長管內(nèi)注漿。注漿壓力最高7 MPa，A∶B類高聚物化學(xué)原液體積比1∶1，溫度37℃。帷幕注漿完成后，隧道內(nèi)SD52+160.815掌子面涌水量已由水泥注漿封堵后的110 m3/h減少至79.6 m3/h，滿足了TBM掘進(jìn)需求，TBM恢復(fù)掘進(jìn)。

圖2 掌子面高聚物帷幕注漿技術(shù)

2.2 護(hù)盾后淺層注漿

高聚物具有堵水快、施工方便、對TBM掘進(jìn)影響小等優(yōu)點(diǎn)，滲漏水堵水注漿可采用高聚物化學(xué)灌漿邊掘進(jìn)邊封堵的方式進(jìn)行，在出水點(diǎn)外露部分護(hù)盾后，對出水點(diǎn)進(jìn)行淺層注漿堵水（如圖3所示），保證掘進(jìn)工作可以正常開展。高聚物注漿堵水根據(jù)出水點(diǎn)情況大致可分為3類。

（1）單點(diǎn)小體量股狀涌水。針對單點(diǎn)出水量不太大的股狀涌水，采用的方法為在出水點(diǎn)約0.5 m處打直徑16 mm、深度0.6～1.2 m的注漿孔，將注漿管楔入注漿孔內(nèi)，利用棉紗等物按壓出水點(diǎn)，臨時減小出水量，減少高聚物成分隨涌水流出，達(dá)到快速堵水目的。

（2）單點(diǎn)大體量股狀涌水。單點(diǎn)出水量大的股狀涌水水量大、流速快、壓力大，可以先泄壓，再封堵裂隙，最后進(jìn)行堵水灌漿。泄壓灌漿孔沿裂隙布置，間距1.5～2.0 m，孔徑60 mm，與裂隙斜交。利用土工布、棉紗、防水板等封堵裂隙表層出水，以膨脹螺栓與鋼板加以固定，當(dāng)封堵住表層涌水后，向泄壓孔內(nèi)注漿，使注漿材料迅速發(fā)泡膨脹封堵涌水裂隙，達(dá)到堵水目的。

（3）大面積線狀流水。由于大面積線狀流水一般位于圍巖破碎段，節(jié)理發(fā)育且相互貫通，所以需對整個節(jié)理發(fā)育區(qū)域進(jìn)行注漿才能達(dá)到堵水效果。針對隧洞內(nèi)大面積線狀流水，可以在巖面上覆蓋土工布，土工布表層安裝專用網(wǎng)片，利用膨脹螺栓固定在巖面上后，施作貫穿整個破碎節(jié)理的注漿孔。注漿孔長度約4 m，距離巖石表面1～1.5 m。沿注漿孔注漿，直到封堵所有裂隙為止。

圖3 護(hù)盾后高聚物淺層注漿技術(shù)

2.3 底部淺層系統(tǒng)注漿

圍巖裂隙及節(jié)理發(fā)育段涌水面積大、涌水點(diǎn)較多區(qū)域在對涌水段表面封堵后，底部需要系統(tǒng)灌漿堵水，一般取縱向間距1.5 m、橫向間距1.2 m實(shí)施系統(tǒng)鉆孔，孔深2～3 m，然后進(jìn)行化學(xué)灌漿。高聚物底部系統(tǒng)注漿在裂隙節(jié)理發(fā)育段效果明顯，但注漿量較大，最大單孔注漿量312 kg。

3 TBM深孔注漿堵水技術(shù)

由于TBM掘進(jìn)過程中高聚物化學(xué)灌漿主要采用淺層注漿對底部及拱腰以上部位進(jìn)行淺表注漿，未進(jìn)行全斷面系統(tǒng)注漿，所以不能有效地封堵所有涌水。在淺層注漿基礎(chǔ)上，需對TBM掘進(jìn)完成段進(jìn)行系統(tǒng)的深孔注漿，以減少TBM隧道總涌水量。一般在護(hù)盾尾部10 m范圍內(nèi)采用高聚物堵水，可以有效地封堵上述范圍內(nèi)的涌水。采用水泥注漿堵水與化學(xué)注漿堵水對TBM后部注漿區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)性注漿處理，一般先施作區(qū)段內(nèi)的帷幕孔，帷幕孔深10 m，間距為1.5 m。帷幕孔施工完成后，進(jìn)行區(qū)段內(nèi)的堵水作業(yè)。在拱腰及拱頂部位大面積出水區(qū)域采用與底部相同的系統(tǒng)注漿方式，在點(diǎn)狀及裂隙出水區(qū)域采用有針對性的隨機(jī)鉆孔注漿，可以有效封堵出水區(qū)域。系統(tǒng)注漿效果，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)注漿效果

根據(jù)工程現(xiàn)場試驗(yàn)，采用淺層注漿結(jié)合深層注漿方式，以高聚物化學(xué)注漿結(jié)合傳統(tǒng)注漿可有效解決高壓大體量涌水封堵問題。在新疆某工程施工現(xiàn)場，目前主要采取的注漿方式為底部系統(tǒng)注漿+拱腰、拱頂針對性注漿，針對出水量較大區(qū)域和孔位多采取高聚物化學(xué)灌漿，效果極為顯著；而針對一般區(qū)域，一般采用水泥漿注漿、水泥漿+水玻璃雙液注漿，從而節(jié)省相關(guān)開支。

4 結(jié)論

對該TBM段注漿堵水案例進(jìn)行分析總結(jié)，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）高聚物堵水材料具有堵水快、施工方便、對TBM掘進(jìn)影響小等優(yōu)點(diǎn)，對于高壓大體量突涌水防控具有突出效果。

（2）采用TBM高聚物淺層注漿堵水技術(shù)結(jié)合TBM富水段傳統(tǒng)材料深孔注漿堵水技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)TBM全斷面封堵，有效減少TBM隧道總涌水量。

（3）采用底部系統(tǒng)注漿+拱腰、拱頂針對性注漿方式，綜合利用水泥漿注漿、水泥漿+水玻璃雙液注漿、高聚物化學(xué)注漿，可有效控制成本。