地表预注浆加固TBM 施工隧洞浅埋冲沟段施工效果分析

刘 攀

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐830000)

0 前言

新疆某隧洞引水工程因地质地形等因素的影响，要穿越破碎浅埋区，且浅埋区内断层、裂隙比较发育，对洞室稳定产生较大影响，存在重大的安全隐患。注浆法是一种利用压力将可固化水泥基浆液或其他浆液压入至破碎岩石区或基岩裂隙内，以改善其物理力学性能的处理方法。今年来，该处理方法广泛应用在围岩地质条件差、浅埋等隧洞段的围岩加固[1～3]。

本文结合地表预注浆加固岩体[4～5]在新疆某隧洞引水工程中冲沟浅埋段的应用，通过现场试验分析其加固效果。

1 工程背景

新疆某隧洞引水工程TBM4 施工隧洞全长12.8 km，埋深为6 m～110 m，平均埋深34 m，共穿过18 个地质断层带。该TBM 施工段落位于剥蚀构造低山丘陵区，地形开阔、略起伏，分布高程670 m～780 m，相对高差约110 m。该TBM 开挖直径为7.8 m。目前，TBM 掘进至桩号109+932 m，距离第一个浅埋冲沟地质段（编号103#冲沟）约230 m。该冲沟段中心点桩号109+703 m，地表至隧洞顶约8.2 m，岩层为黑云母斜长片麻岩，为V 类围岩，透水率10 Lu～15 Lu。结合现场地质情况和TBM掘进进度，预计到达103#冲沟时间为3 月底，正是当地融雪山洪季节，地表产生洪流，对洞室稳定性影响极大。

为保证人员及TBM 掘进施工安全，避免出现大规模塌方、TBM 主机被埋等情况，决定针对该冲沟段，采用地表注浆加固的方案进行超前处理，以提高围岩整体性及强度，降低围岩裂隙的透水性，改善隧洞的成拱效应，进而达到施工安全的目的。

2 地质条件

103#冲沟内主要发育f41 断层，该断层规模较大，破碎带宽度10 m～15 m，产状为53°NW∠80°～85°，断层走向与洞线夹角85°～87°，在洞内延伸长度约15 m～18 m，对洞室稳定影响较大，103#冲沟内以黑云母斜长片麻岩、碎裂岩为主，围岩类别为V 类。洞内地下水以基岩裂隙水为主，断层破碎带洞壁会产生线状水流现象，估算隧洞段总涌水量456 m3/h，施工应加强排水措施。根据地下水质分析成果资料反应，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，对混凝土具有弱～强腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性，需采取防腐措施。

3 地表预注浆施工方案

3.1 注浆材料

注浆浆液采用水泥单浆液，由稀变浓逐级变换，浆液水灰比按2∶1、1∶1、0.5∶1 三个比级，开灌比2∶1，具体应根据现场试验确定。注浆水泥采用活性高，出厂日期不超过3 个月42.5R 型的抗硫酸盐盐水泥。

注浆过程中需根据不同情况，进行浆液浓度的调整。浆液调整原则为：（1）若某浓度浆液的注入量超过300 L，而浆液注入率、注浆压力等无明显改变，应调高一级浆液浓度；（2）若浆液注入时间达到30 min,浆液注入率、注浆压力等无明显改变，应调高一级浆液浓度；（3）若浆液注入率超过30 L/min 时，可视具体情况越级调整浆液浓度；（4）若注浆过程中，压力保持不变,而浆液注入率持续减小,不得调整浆液浓度。

3.2 注浆范围、注浆孔布设

注浆范围主要根据ZK-103 钻孔揭露地质以及冲沟构造情况，同时结合TBM 施工等因素综合考虑确定。最终确定平面注浆范围为：沿隧洞轴线放线加固长度50 m（桩号109+678 m～109+728 m）,隧洞轴线法线方向两侧各加固6 m。竖向注浆范围为：TBM 开挖洞顶以上注浆深度5 m，隧洞开挖线外的注浆至洞底以下2 m，隧洞开挖线范围内注浆至隧洞拱顶1 m。固结灌浆钻孔布置平面图及剖面图见图1。

图1 固结灌浆钻孔布置平面图及剖面图

根据现场注浆扩散半径，确定注浆孔的孔排距为3 m，钻孔终孔直径为50 mm～100 mm。

3.3 冲洗钻孔

冲洗钻孔的方法可采用敞开式水冲洗、风冲洗以及联合冲洗等，具体可根据实际地质条件、现场注浆试验等确定。

水冲洗压力可取注浆压力的80%，若大于1 MPa，取1 MPa。采用水冲洗时，回水清澈后10 min 停止冲洗，且单孔冲洗30 min 以上，串通孔冲洗2 h 以上。若邻近孔正在注浆或者邻近孔注浆结束时间低于24 h，不得冲洗钻孔。

3.4 压水试验

冲洗钻孔结束24 h 内进行压水试验。每个注浆段中选取5%的Ⅰ序孔进行压水试验，该注浆段中剩余孔可进行简易压水试验，顺序由先导孔至检查孔依次进行。

压水试验时间约为20 min，压水流量需每间隔5 min 测量一次，最终测量的流量值作为计算值，并用透水率表示。

压水试验过程中，若出现以下情况可认为压水试验稳定。（1）压水试验过程中稳定水压，时间间隔4 min 左右进行压水流量测量，连续4 次测量的压水流量中最大值与最小值差值低于终值的10%，结束试验，取终值作为计算值；（2）最大值与最小值差值低于1 L/min 时，结束试验，取终值作为计算值。

3.5 注浆参数

冲洗钻孔、压水试验结束的注浆段需及时进行注浆。冲洗钻孔、压水试验结束24 h 后未进行注浆操作的，注浆作业前需重新进行冲洗钻孔、压水试验操作。

本注浆方案采用分段注浆法，第一段段长为3.0 m，第二段及以下为5.0 m。注浆分段应与钻孔分段保持一致。注浆管末端距离孔底不超过0.5 m，在距注浆孔顶端0.5 m 处放置注浆塞。钻孔成孔后注浆作业前或者注浆中间停止等情况，需采取措施对注浆孔口进行防护，防止污水、杂物等进入孔内。

本方案采用自下而上分段方式进行注浆，阻浆塞设置在基岩面以下0.5 m～1.0 m 范围内，注浆控制段长约5 m，各段注浆管距孔底不超过0.5 m，否则应重新配置注浆管。

通常情况下，固结注浆结束后不待凝，便可直接进行其他段落的钻孔注浆作业。需要注意的是，遇到固结处理岩石断层破碎带等情况时，待凝处理后方可进行下一操作作业，待凝的时间可根据现场实际情况确定。

为防止注浆作业对岩石面产生抬动等不利影响，固结注浆采取“一泵注一孔”的原则进行操作。若注浆过程中发生串浆现象，在串浆孔注浆条件成熟时，可同时进行注浆作业。否则，需对串浆孔处理，待注浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗处理，而后对串浆孔进行注浆。

3.6 注浆压力及注浆次序

注浆压力大小对注浆效果起到决定性影响。本次注浆主要位于强风化破碎岩体内，本次注浆压力初定为0.5 MPa～3.0 MPa，涌水孔为灌浆压力+涌水压力，但最高不宜超过3.0 MPa；具体根据现场灌浆实际情况进行相应调整。

结合注浆孔分布情况，先从外围进行注浆而后内部孔注浆，同时采取隔孔注浆[3]。注浆过程中压力逐渐增大，当压力增加至设计压力，浆液注入率小于1 L/min，注浆持续10 min～20 min，注浆即可结束。

3.7 封孔

固结灌浆封孔通常采用“导管注浆封孔法”进行封孔，封孔时采用水灰比为0.5∶1 的水泥浆液。封孔后待凝24 h，之后清除孔内浮浆等，采用干硬性水泥砂浆对脱空处进行封堵密实。

3.8 注浆效果检查

（1）注浆效果检查通常采用声波法测量波速的方式进行，并结合注浆前后物探成果以及有关注浆施工资料等进行综合评定。同时需注意声波法测试应在注浆结束7 d～14 d 进行，选取5%的注浆孔数作为检查孔。孔段合格率应达到85%以上。

（2）孔段合格率应达到85%以上。

（3）针对检查过程中发现的不合格注浆孔段，需采取补救措施进行处理。

4 注浆效果分析

为检验103#冲沟范围内预注浆效果，针对注浆区域进行钻取芯样，同时测试芯样的结实情况及抗压强度，结果见表1。试验结果表明，芯样体的结实率达到97%以上；岩体28 天抗压强度达到8.1 MPa 以上。可知，103#冲沟内注浆效果均满足相关规范要求。

表1 注浆区域芯样的结实情况及抗压强度统计表

后TBM4 掘进至103# 冲沟影响范围内时，采取了降低掘进速度与加强拱架支护相结合的方式，顺利安全通过103# 冲沟及影响段掘进。通过观察TBM 掘进掌子面情况，该冲沟注浆段内出水情况相对于周围无注浆区域有所减小，且掌子面裂隙内有明显注浆结石体。此上均表明注浆效果明显，地表预注浆对TBM 掘进施工起到保障作用。

5 结论

针对新疆某隧洞引水工程TBM 施工隧洞穿越浅埋冲沟段地质情况，本文提出了采用地表注浆加固的方案进行超前处理，并论述了地表预注浆加固处理施工方案。结果表明浅埋冲沟段地表预注浆，提高了破碎围岩的整体性及强度，降低了围岩裂隙的透水性，改善了隧洞的成拱效应，保障了TBM 掘进施工安全。

地表注浆加固进行隧洞超前处理的方案，仅适用于埋深前，易于进行地表注浆的隧洞。针对于TBM 施工深埋长隧洞的超前处理，建议承包商与TBM 设备厂家协商，加装超前地质预报及处理设备，进行洞内超前处理。