输水隧洞TBM 超前预注浆堵水施工技术研究

陈小龙

（山西中部引黄工程建设管理有限公司 山西太原 030001）

0 引言

近年来，随着我国水利基础设施建设提速增质，隧道掘进机TBM（Tunnel Boring Machine）以其高效、安全、环保的优点，越来越多地被应用于大型引调水工程。但在实践过程中，地形地质条件等对TBM 施工适用性造成一定限制。如在山西省万家寨引黄工程国际V 标，曾创造平均月进尺1 352 m、最高日进尺113 m的辉煌，但在滇中引水香炉山隧道和引汉济渭岭南隧道施工过程中，出现了围岩破碎带卡机、突发涌水、岩爆等困难。如何拓展和选择适当的TBM 施工法来应对不良地质条件带来的种种问题，以提高TBM 施工效率，是目前国内外TBM 施工时需要讨论和研究的课题。

本文以某水利项目TBM 施工段为研究对象，深入剖析小断面双护盾TBM 在空间狭小的富水环境下进行超前预注浆堵水的困难和技术特点，提出在掌子面应用超前预注浆堵水施工技术，取得了不错的效果。

1 工程概况

1.1 TBM 工程简介

本工程承担桩号9+700～28+762.89 洞段TBM 掘进任务，全长19.063 km，另外包含TBM 进洞支洞3.5 km的TBM 掘进及TBM 通风支洞1.3 km 钻爆施工。TBM开挖直径4.11 m，断面为圆形，预制C45 混凝土管片衬砌，管片外径3.9 m，管片厚度25 cm，管片内径3.4 m，四片管片组成一环，管片型式为六边形蜂窝状结构，管片与围岩之间的空隙，用豆砾石充填并进行回填灌浆。

1.2 水文地质情况

桩号9+700～17+621.87 段处于某泉域，穿过碳酸盐岩地层，涌水量较大。地下水类型为碳酸盐岩类裂隙岩溶水。

根据前期勘察资料，该段地下水位位于洞顶以上。根据物探测试结果，桩号10+510 附近存在低阻条带，推测裂隙发育，为枝柯向斜核部，富水性好。其余洞段均处于泉域内，穿过碳酸盐岩地层，隧洞开挖时可能发生突涌水。

1.3 工程前期涌水情况

在已完成的主洞段，遇到6 次大规模突发涌水险情，平均每次处理险情时间超过3 个月。突涌水是制约工程进度的关键，如何有效应对突涌水等地质灾害是工程难点。最近3 次掌子面突发涌水情况为：1）2020 年9 月27 日，掌子面突发涌水，涌水量约500 m3/h，出水点主要集中在顶部，裂隙发育，涌水量大且分散，堵水耗时63 d。2）2021 年11 月28 日，掌子面突发涌水，涌水量约320 m3/h，出水点在左边墙靠掌子面位置，出水点集中，压力大、流速快，堵水耗时111 d。3）2022 年5 月17日，掌子面突发涌水，涌水量约700 m3/h，出水点在掌子面7 点位置附近及洞顶溶腔处，分析为岩溶水，堵水耗时123 d。

2 超前预注浆堵水施工技术方案

2.1 超前预注浆堵水施工前期准备工作

根据工程前期试验总结，TBM 设备出厂配置的超前钻机不具有可操作性，故在超前预注浆堵水施工中不采用。因TBM 设计开挖洞径小，伸缩护盾内部空间局限，不具备架设钻机的条件，只能拆除管片，将TBM设备后退，在掌子面与刀盘之间形成钻孔、注浆作业空间。

1）TBM 设备后退：为使掌子面与刀盘之间形成满足超前预注浆的最小作业空间，需拆除3 环管片，将TBM 设备后退3.6 m。各项工作开展前需提前检查台车尾部延伸的给排水管、电缆以及连接桥处的轨道是否影响TBM 整机后退，若有影响将延伸的最后一节水管更换为橡胶软管，继续掘进时再恢复管路延伸；将延伸的电缆挂起，台车后退过程中绕至电缆卷线盘；将轨道拆除或做割断处理，继续掘进时再重新安装。

2）掌子面排水及清淤：根据现场实际情况，TBM后退之后，刀盘前方3.6 m 空间水深高达2 m，不具备施工条件，为保证掌子面人员施工安全，在管片拼装机附近加装一台45 kW 单级单吸离心泵（ISW200-315A，流量374 m3/h），通过8 寸橡胶管将进水口延伸至TBM 刀仓附近，同时在TBM 后配套上布置一趟10 寸聚丙烯管路，将涌水抽排至TBM 尾部。为避免涌水回流，在TBM 尾部用沙袋修筑一道高0.8 m 的堵水围堰。待掌子面水位降低后进行人工清理淤砂，并在钻孔注浆期间要随时清除淤砂，保持掌子面内施工工作面处于无淹埋状态。

3）顶拱堵水灌浆施工：通过刀盘上的人孔对掌子面及顶拱围岩情况进行观察，掌子面底部为紫红色砂岩，泥质含量较高；中上部为灰黄色石英岩状砂岩；顶部为灰色夹有深色条纹石英岩状砂岩；顶拱节理裂隙较为发育，所有裂隙都出水，而且有压。因此，将掌子面水位降低之后，必须考虑对刀盘前方3.6 m 临空面顶拱区域进行堵水灌浆施工。鉴于施工人员不能贸然通过人孔进入刀盘前方，从安全和技术双重考虑，采用柱架式液压钻（ZYJ-1000/180）使用撑靴盾预留的专用通道来进行不同角度钻孔，钻孔深度15 m 左右，可直达刀盘前方顶拱区域，之后采用改性聚氨酯实施堵水灌浆施工。

4）围岩加固：待顶拱涌水得到有效封堵之后，必须在掌子面堵水灌浆之前对3.6 m 的临空面进行加固，以确保施工安全。在3.6 m 空间布设7 榀I18 环形钢拱架，由于TBM 设备上运输困难，钢拱架按1.3 m分段加工，各段连接板之间采用M16 螺栓连接，钢拱架通过Φ25 锚杆固定在洞壁上。同时在钢拱架上布置3 mm 厚的EVA 防水板（3.6 m×4.5 m），将顶拱剩余涌水引流至隧洞两侧，给掌子面超前预注浆施工提供较好的施工条件。

2.2 技术方案

此方案首先进行化学灌浆或速凝水泥浆堵水施工，对掌子面进行浅层堵水，其次沿掌子面轮廓线辐射超前预注浆孔由浅至深灌浆封堵围岩裂隙水。

1）掌子面浅层堵水

在节理、裂隙较发育，已揭露岩石有明显线状流水、股状涌水的掌子面，采用化学（改性聚氨酯）灌浆或速凝水泥浆进行浅层灌浆堵水，为超前预注浆提供注浆条件。

工艺流程：裂隙分析→脚手架搭设→手风钻钻孔→洗孔→安装注浆管→注浆→结束注浆（裂隙不出水）→清理→进入下一孔灌注。

注意事项：（1）掌子面跑浆的处理方法：采用合理的注浆量控制或间歇性注浆处理即可。（2）串浆：注浆过程中，浆液从其它钻孔内流出，主要是由于岩层间裂隙互通。当串浆发生时，应继续加大注浆量，使浆液填满串浆孔。（3）注浆量异常变大：注浆时浆液压力击穿了导水裂隙所致，应采用缩短浆液凝结时间或间歇灌注的措施。（4）注浆结束后，拆卸各注浆器件，全部清洗干净，并对注浆泵进行检查保养。

2）超前预注水泥浆施工方案

掌子面浅层堵水完成后，搭设脚手架临时工作平台，沿隧洞掌子面轮廓线边缘均匀布置12 个超前预注浆孔，采用普通水泥浆进行超前预注浆，实现掌子面前部30 m 范围封堵涌水的目的。

超前预注浆完成后，撤除掌子面工作平台和钻机，恢复TBM 掘进。后续掘进中根据现场实际情况判断是否进行下一循环超前预注浆，若要进行下一循环超前预注浆，掘进至超前预注浆远端剩余3～5 m 时停止掘进，剩余段作为下一循环的止浆岩盘。

（1）孔位布置

沿掌子面轮廓线边缘均匀辐射状布置10～12 个超前预注浆孔，辐射角度控制在5～10°以内，孔深L=30.0 m，孔径Φ=65 mm。具体示意如图1。

图1 掌子面超前预注浆孔位布置示意图

图2 掌子面超前预注浆施工示意图

（2）钻机安装

根据掌子面与刀盘间空间合理布置钻机。

（3）钻孔

钻孔前，先进行掌子面定位，做好标记，一次性钻进，遇到出水时灌浆后重新扫孔钻进。

（4）孔内冲洗

每个钻孔完成后，进行钻孔冲洗，冲洗压力为灌浆压力的80%，时间不少于15 min，孔内有涌水的钻孔不进行冲洗。

（5）灌浆

注浆阻塞：采用与浅层注浆相同的胶囊注水式高压注浆塞。

灌浆顺序：根据钻孔编号，沿掌子面轮廓径向对称顺序灌注。

进浆管：进浆管距孔底距离不大于50 cm。

灌浆方式：采用纯压式灌浆法，材料选用单液水泥浆或水泥水玻璃双液浆，根据情况确定。

灌浆分段：根据钻孔出水情况，水量较小时采取一次性灌浆，水量较大或特大时采用每6 m 一段由外向内的灌浆方式，极端条件下加深钻孔，先提高灌浆压力封堵涌水后再扫孔。

（6）浆液比级

采用P.O 42.5 纯水泥浆浆灌注，一般孔采用2∶1浆液开灌，孔内涌水量大于30 L/min 时，可用0.5∶1 浆液开灌。

浆液比级变换标准：当灌浆压力不变，单位时间内灌浆量持续减少时，或单位时间内注浆量不变而灌浆压力一直上升时，不应改变水灰比。

灌浆过程中，应根据灌浆压力、浆液流速、和易性等实际情况，随时调整浆液水灰比。

（7）灌浆压力

设计最大灌浆压力为：Pmax=3.5×1.5=5.25 MPa；当压力大于4 MPa 时，单位时间内注浆量宜小于10 L/min。

结束条件：在最大设计压力下，单位时间内灌浆量不大于1 L/min 后，继续灌注30 min，可结束灌浆。当地质条件复杂、导水裂隙特别发育、灌浆压力持续较低时，灌注的时间应适当延长。

（8）封孔

掌子面全部孔位灌浆结束后，用0.5∶1 新鲜水泥浆置换孔内稀浆或积水，进行全孔封堵，封孔灌浆压力采用该孔灌浆压力，封孔灌浆时间可为0.5～1 h。

（9）灌浆质量检查

一般掌子面灌浆量较大时，在灌浆结束后于掌子面中心打一检查孔，灌浆合格的标志为检查孔基本不出水或少量渗水。如检查孔出现大量涌水，须对检查孔周边进行加密灌浆处理，然后再进行检查。

3 效果评价

本方案经实施后，掌子面涌水量减少95%以上，一个注浆循环根据注浆量不同平均耗时7～10 d，月进尺约80 m，在面对可能发生的突发较大涌水（涌水量500 m3/h 以上）的洞段有较好效果，能保证TBM 顺利通过涌水段。

4 结论

随着近年来我国水利项目的不断实施，TBM 施工法在水利水电工程中的应用更加成熟，在面对穿越不良地质区域等施工技术难点时，TBM 设备的选型和施工方法的选择也更加科学经济合理。

本文以某水利项目TBM 施工段为例，研究在空间有限的富水条件下如何有效解决TBM 安全掘进的技术难题。针对项目特点，全面分析和探讨了小断面双护盾TBM 施工中遇到掌子面突发涌水时的应对策略，提出了应对灰岩区域地下裂隙水及岩溶水的围岩改性治理方案，探讨了掌子面超前预注浆的实施方法和技术难点。并在项目实施过程中成功应用，达到了安全施工、保障工期的目的。