开敞式TBM施工渗水洞段堵水灌浆施工技术研究

开敞式 TBM施工渗水洞段堵水灌浆施工技术研究

林锋

新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐， 830000

摘要：新疆某长距离深埋输水隧洞KS段部分洞段采用开敞式TBM掘进施工，开挖洞段岩壁出现股状流水、明显线状流水，文章结合工程实例对渗水洞段堵水灌浆施工技术进行研究，为施工方制定堵水灌浆施工方案提供了强有力的技术支持。

关键字：TBM;长距离;深埋;输水隧洞;堵水灌浆

Study on Water Plugging and Grouting Construction Technology of Open TBM Seepage Tunnel Section

LIN Feng

(Xinjiang ErtixＲiver Basin Development Engineering Construction Management Bureau,Urumqi,830000)

Abstract:There is a long distance deep water tunnel in Xinjiang，in KS section of the water tunnel, open TBM tunneling is used for some sections ,and the rock wall of the excavated section appears a strand water flow and an obvious linear water flow. Combined with engineering examples, the paper studies the construction technology of water plugging and grouting in the seepage tunnel section, It provides strong technical support for the construction party to formulate the water plugging grouting construction scheme.

Keywords: TBM;long distance; deep buried; water tunnel; water plugging grouting

1概述

1.1工程概况

新疆某输水工程是一项跨流域、长距离调水工程，是某大型水利工程的重要组成部分。KSⅡ标是该隧洞控制性工程，工程位于新疆阿勒泰地区福海县和富蕴县境内，本标段包括23.34km的主洞，包括TBM开挖洞段和钻爆法开挖洞段。TBM开挖段桩号2+310~12+500（长10.19km），14+500~25+00（长10.5km），纵坡i=0.387‰。主洞采用1台TBM施工，TBM1由T0#支洞运入主洞，在T0#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内组装，掘进至P1#支洞与主洞交叉处的扩大洞室内检修，检修后掘进至桩号25+000。

1.2工程地质

洞室围岩为石炭系以凝灰质砂岩为主夹碳质粉砂岩地层，岩层产状310°NE∠55°，岩层走向与洞线方向夹角52°，洞身段岩体较完整，凝灰质砂岩呈厚层状、质坚硬；碳质粉砂岩呈片状、薄层状或透镜体状，黑色、油脂光泽，质脆、强度较低，易风化。该段无大的断裂发育，洞室节理裂隙较发育，主要有2组。①NW组：产状300°SW∠85°，走向与洞轴线夹角约62°，延伸较长，贯穿洞室，裂隙多闭合；②NE组：产状20°～80°NW∠45°～75°，走向与洞轴线夹角约18°～78°，一般长度4～7m。2+960～3+030段洞顶、洞壁多处见有滴水、线状流水现象，3+030～3+083段洞壁多处潮湿、渗水，估算该段隧洞涌水量Q=0.5～1m³/h；桩号2+994处基岩裂隙水取样检测，地下水中SO4^2-含量688.3mg/l，对普通砼具有中等腐蚀性，Cl^-含量162.1mg/l，对钢筋砼中的钢筋具有弱腐蚀性。

该段隧洞埋深100～130m，洞身处于新鲜岩体中，大部分围岩以坚硬岩为主，局部稳定性差，属Ⅲb类围岩,施工中一次支护采用锚杆、挂网及C30喷砼处理，喷砼采用中等抗硫酸盐水泥。其中 2+975～2+982段围岩以碳质粉砂岩为主，岩石质软、脆，易风化，施工中洞顶出现少量掉块现象，围岩不稳定，属Ⅳ类围岩,施工中一次支护采用锚杆、钢筋排、钢拱架及C30喷砼处理，喷砼采用抗硫酸盐水泥。

1.3水文地质

KSⅡ标项目TBM1段工程区主要处于阿尔泰山南麓的低山丘陵区，区内地表水贫乏，仅有额尔齐斯河临近工程区。工程区主要接受阿尔泰山区的冰雪融水补给，其次为区内的大气降水补给。地下水径流方向总体上由北向南，最终流向准噶尔盆地中心。工程区内部分低洼的山间小盆地也往往成为区域地下水的排泄区。工程区范围内由于蒸发量远大于降水量，低洼排泄区的地表水及浅埋地下水矿化度往往都比较高。

KSⅡ标项目TBM1段地下水：表层为残坡积粉质黏土、碎石土中的孔隙水、基岩风化带内的裂隙水、构造裂隙水及岩溶水，水量大小受空隙率、溶蚀、裂隙发育程度及季节变化影响，补给来源主要为大气降水下渗补给，由于洞身较长，穿越地层时代较多，各岩性差异风华较明显，且有断裂通过，不同类型的结构面发育，具较强的透水性，地表水顺各结构面渗入地下，成为丰富的地下水水源，使得隧道区地下水较为发育。地下水对隧道施工影响较大；由于受断层、岩性接触带及岩溶的影响，局部形成强透水带，在隧道施工时可能产生突水突泥；地下水对隧道施工具不利的影响，隧洞水文地质条件复杂。丰富的地下水将影响隧道的施工，施工时要注意排水、预防涌水。

2灌浆范围及原则

2.1灌浆范围

本标段灌浆堵水针对开敞式TBM施工隧洞，开敞式TBM现场不良地质条件适应性较差，但针对开挖洞段岩壁出现股状流水、明显线状流水的情况，开敞式TBM掘进受到的影响较小，故可在掘进之后再进行堵水灌浆。根据地质编录并结合对TBM1-1段隧洞围岩裂隙出水情况现场调查，已开挖洞段渗水较大洞段主要集中在2+740～3+850区段。

2.2灌浆原则

堵水灌浆^[1-5]遵循“先无水后有水、先小水后大水、先浅层后深层、先两端后中间、先拱脚后顶拱再边墙”的顺序依次进行灌注施工。

灌浆过程中，先对无水孔和出水量小的孔进行灌注，涌水量大的孔预留作为该部位的分流减压孔，待周边固结完善后再进行封堵。

3灌浆材料

注浆材料及浆液配比应根据工程地质、水文地质条件、注浆工艺等因素选择和调整。注浆材料和固结体应环保无毒，对人体无害。注浆材料形成的浆液应具有良好的流动性和可灌性。一般情况下应采用水泥基浆材，不宜采用化学灌浆。在全风化、中强风化及断层破碎带富水和动水条件下宜采用水泥-水玻璃双液浆，当岩层可灌性较差时，可采用超细水泥-水玻璃双液浆或其他环保型化学灌浆材料，但应经现场监理及设计同意。

3.1水泥基灌浆材料

1）考虑本工程地下水普遍具有硫酸盐侵蚀性，故水泥基灌浆材料采用42.5低碱中抗硫酸盐水泥，水泥质量应符合《抗硫酸盐硅酸盐水泥》GB 748-2005之有关规定。

2）灌浆用水泥应妥善保存，严格防潮并缩短存放时间。不应使用受潮结块

的水泥。

3.2灌浆用水

灌浆用水应符合《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）有关规定。

3.3外加剂

灌浆过程中，如遇到特殊情况，经监理人同意后，可选用下列外加剂：

①速凝剂：水玻璃、氯化钙、三乙醇胺；

②减水剂：木质素磺酸盐类减水剂、萘系高效减水剂、聚羧酸类高效减水剂等。

③稳定剂：膨润土及其他高塑性粘土等。所用外加剂凡能溶于水者，均应以水溶液状态加入，其最优掺量通过试验确定。

4堵水灌浆施工顺序及要求

（1）根据隧洞洞壁渗水、涌水情况，规划、划分堵水灌浆单元、区段，一般1个灌浆区段长度不超过50m，根据划分区段，分区段进行堵水灌浆施工、处理。在堵水灌浆前、后均应对灌浆区段出水量进行量测、记录，并进行拍照、摄像，以便评价、验收灌浆堵水效果。

（2）全面检查工作面范围的岩面裂隙和宽缝发育情况，必要时凿除表面喷混凝土，使岩面完全暴露，以方便查勘裂隙走向。使用快硬水泥、堵漏王等表面嵌缝封堵材料对可能漏浆的裂隙和宽缝等进行封堵处理。

（3）进行纵向阻水帷幕灌浆：根据隧洞洞壁渗水、涌水情况，必要时在仰拱两侧底板以上0.5m～2.5高度范围设两排纵向阻水帷幕灌浆孔，孔间排距1～2m、孔深度5～8m，孔向根据围岩裂隙发育情况现场确定。通过纵向阻水帷幕灌浆处理防止地下水通过环向裂隙向隧洞底板扩散。

（4）进行环向阻水帷幕灌浆：根据隧洞洞壁渗水、涌水情况，必要时在灌浆区段两端设两排环向阻水帷幕灌浆孔，孔间排距1～2 m、孔深度5～8m，孔向根据围岩裂隙发育情况现场确定。通过环向阻水帷幕灌浆处理防止地下水通过出水裂隙向两端延伸和扩散；

（5）进行浅层灌浆处理：在纵向和环向阻水帷幕封堵范围内，对无水和小水区域进行浅层封堵，形成一定岩盘厚度的灌浆封堵区；浅层封堵灌浆孔间排距1～2 m，孔深3～5m，孔向根据围岩裂隙发育情况现场确定。通过浅层封堵灌浆，可以防止集中出水区域封堵之后，地下水沿着周围浅层裂隙流出，形成新的出水带或通道。

（6）进行深层加固、集中堵水灌浆处理：为了防止集中大流量地下水封堵实施阶段地下水通过深层发育的裂隙向周边扩散，增加封堵难度，应在大流量出水点周边布置深层加固孔，孔间排距1～2m，孔深4～8m，孔向根据围岩裂隙发育情况现场确定。遇到大流量出水孔则预留作为分流减压孔，待后期进行集中封堵。为防止地下水通过裂隙向底板扩散，应先对仰拱至隧洞腰线范围的孔进行灌浆处理，之后再对出水点周边的孔进行灌浆处理。

（7）在浅层封堵和深层加固灌浆孔施工结束之后，择机进行分流减压孔、预留封堵孔的闭水试验和封堵灌浆；

（8）加密灌浆：对于闭水试验期间和分流减压孔封堵灌浆后仍然渗水的区域，随机布置一定数量的加密孔，加密孔根据渗水情况与前期堵水灌浆孔交叉并随机布置，孔深与周围灌浆孔相同，灌浆压力较周围灌浆孔增加0.2～0.5MPa，其他与周围灌浆孔相同，直至灌浆区段达到堵水灌浆效果。

（9）系统堵水灌浆：对无明显集中线状、股状渗水，而成面状渗水洞段，以及Ⅲb类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩无法清除喷混凝土层、无法查清出水点及裂隙走向的洞段，可进行系统堵水注浆，系统堵水灌浆孔孔深3～5m，钻孔间排距1～3m，梅花形布置，孔向一般垂直岩面布置。

（10）纵向阻水帷幕灌浆、环向阻水帷幕灌浆可根据灌浆段隧洞洞壁渗水、涌水情况选择性施作。

（11）以上各阶段堵水灌浆孔的间排距、深度，可根据各灌浆段涌水、渗水情况进行调整。各阶段堵水灌浆均可采用分序钻孔、分序灌浆、逐步加密的方式逐步推进。

5堵水灌浆技术要求^[6-7]

（1）灌浆前应先测量孔内涌水量及涌水压力。

（2）灌浆方法：孔口封闭、孔内纯压式灌浆法。

（3）灌浆阻塞：一般采用孔口设钢管及控制阀门方式，根据涌水情况、围岩及表面喷混凝土稳定完整情况，也可采用橡胶阻塞器，阻塞器卡在孔口，阻塞深度以灌浆过程孔口不移动为宜。

（4）灌浆段长：全孔一次性纯压式灌浆。

（5）浆液比级：采用纯水泥浆液时，普通水泥浆液水灰比可采用2、1、0.7、0.5四级。灌浆时由稀至浓逐级变换。开灌水灰比、浆液浓度、比级可根据实际工程地质条件、现场灌浆试验成果和灌浆效果总结等进行调整。

（6）浆液比级变换标准：灌浆时，当灌浆压力保持不变，注入率均匀减少；或者注入率不变，压力均匀升高时，灌浆工作持续下去，不得改变水灰比。

当某一比级浆液的灌入量已达300L以上，此时灌浆压力及注入率均无改变或改变不明显，可改浓一级灌注。

灌浆过程中，出现漏浆、冒浆、串浆时根据实际情况，随时调整灌浆浆液水灰比级。

（7）灌浆压力：分序灌浆时，灌浆压力Ⅰ序孔控制为1.2～1.5 MPa，Ⅱ序孔控制为1.5～2.0 MPa；当孔内有涌水时，灌浆压力控制为：涌水压力+1～2Mpa，当确定的灌浆压力小于设计灌浆压力时，按照设计灌浆压力控制。

（8）结束条件：当灌浆压力达到规定值，注入率不大于1L/min时，继续灌注30min后灌浆结束。

（9）封孔：灌浆结束后采用全孔灌浆封孔法封孔，利用原灌浆管注入0.5:1水泥浆液，保持灌浆压力直至浆液完全凝固（终凝），封孔灌浆持续时间不小于1h。

（10）孔口封堵：封孔结束后，割除堵水孔口装置的多余部分，清除孔口处不牢固的虚浆、虚渣，然后使用M25水泥砂浆对孔口空余部分进行封填抹平。

6灌浆检查标准

堵水灌浆前、后均应对灌浆区段出水量进行量测、记录，并进行拍照、摄像，以便评价、验收灌浆堵水效果。

灌浆堵水后封堵效果应达到减水率大于80%，且隧洞洞壁不出现线状流水。

7总结

本文针对长距离深埋开敞式TBM掘进的输水隧洞已开挖洞段岩壁出现股状流水、明显线状流水洞段进行堵水灌浆，遵循“先无水后有水、先小水后大水、先浅层后深层、先两端后中间、先拱脚后顶拱再边墙”的原则，全方位深层次给出了堵水灌浆施工技术要求，为施工方制定堵水灌浆施工方案提供了强有力的技术支持。

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