TBM倒退预注浆处理前方溶洞施工技术

刘光星林莉娜

摘要：在某水利工程TBM隧洞施工中，经过多种地质预报反复验证，掌子面前方遇较大溶洞涌水，存在TBM设备被淹及施工人员伤亡风险，为确保万无一失，创新采用TBM倒退预注浆处理溶洞施工技术对涌水溶洞进行超前钻孔注浆处理，取得了很好的溶洞封堵与止水效果，该项技术创新、简单易行、经济性好，也适用于断层、破碎带等不良地层处理，经济效益可观，值得在其他类似工程推广应用。

关键词：TBM；倒退；预注浆处理；溶洞；施工技术

1、工程概况

广西桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程北干一标窑瓦～六浪隧洞全长23.745km，其中采用开敞式全断面隧道掘进机（TBM）施工长度为16.071km，隧洞直径Φ5.94m，该工程是粤水电首次在石灰岩地区采用开敞式TBM施工长距离水工隧洞。隧洞沿线岩溶发育，地下水丰富，溶洞涌水是本工程TBM掘进最大的风险之一。

TBM掘进至桩号B22+671时，掌子面三点钟方位距边线30cm位置及洞中心位置分别有两个涌水洞出现，水浑浊，涌水流量达0.12m3/s，隧洞内水位达到0.7m，接近TBM掘进极限水位，涌水携带有大量砂卵石，粒径0.3～3cm，次圆状。如下图所示：

图1溶洞涌水携带的砂图2隧洞内积水情况

2、超前地质预报情况

该段已开挖围岩地质条件为：石炭系上统（C3）灰岩，中厚层夹少量薄层状，岩层倾向洞外，倾角10°～20°，掌子面附近洞段隧洞埋深约200m，围岩整体性较好，围岩类别为Ⅲ类。为了进一步查明掌子面前方地质情况，施工、业主、设计院分别采用了TST、三维电法和地震法、大地电磁法进行了勘测。

TST预报掌子面B22+671～B22+631段共40m范围存在疑为溶洞、地下水、破碎带等不良地质。

三维电法与三维地震法预报掌子面前方0～30m（桩号：B22+671～B22+641）围岩较破碎，可能发育溶洞或暗河支管道，地下水丰富，可能出现管状涌水。

设计单位在隧洞上方地表进行大地电阻物探，在TBM施工隧洞掌子面上游70～210m（桩号：B22+600～B22+460）疑为地下河主干，在掌子面上游0～25m（桩号：B22+670～B22+645）疑为地下河的分支。地下河主干地下水流向从轴线往两侧流；地下河分支地下水流向为从轴线往北（左侧）流。地下暗河主干中心位置在隧洞上方。

经过多种不同勘探方法对掌子面前方不良地质体的探测，通过地质人员的总结分析，判断掌子面前方0～40m岩石破碎，发育有较大的溶洞或岩溶管道，为隧洞右上方附近地下河主干的分支，地下水丰富，可能出现较大涌水。

3、处理方案的确定

根据超前地质预报的分析，B22+671前方溶洞涌水对TBM掘进存在较大的风险，如不做处理继续掘进可能会出现更大的涌水导致TBM被淹造成严重损失。因此决定采用TBM倒退进行全断面钻孔注浆处理前方溶洞，处理范围为掌子面前方40m（桩号B22+671～B22+631），分为10个注浆施工段，每个注浆施工段5m，段间搭接1m。每个施工段完成5m超前注浆后，TBM往前掘进4m后，再退回5m，进行下一施工段钻孔及注浆作业，如此循环施工直至完成溶洞段处理。

4、处理方案的实施

4.1盾尾支护拆除和盾体围岩加固

TBM主机及护盾尾部围岩地质条件为Ⅲ类围岩，稳定性好，不需进行盾体围岩超前注浆小导管加固和盾尾围岩固结注浆加固，只需拆除护盾尾5.0m范围内拱顶120°钢筋网，割除露出围岩的锚杆头。

4.2TBM倒退

在TBM倒退之前，清理护盾尾部洞底石渣等杂物，拆除后支撑腿处已安装好的台车轨道，移至10#台车尾部向后延伸轨道，拆除9#台车连续皮带机支撑架、TBM尾部风管，倒退过往过程中及时回收高压电缆，TBM倒退操作如下：

①依次启动连续皮带机，台车皮带机，桥架皮带机，将推进油缸伸出一个行程1.8米；

②将撑靴伸出撑紧洞壁，回收后支撑腿，保证撑腿与洞底有一定间隙；

③开启主梁皮带机，缓慢开启刀盘运转，保持刀盘转速2～4转/min；

④启动主推油缸收回，控制主梁带动整机以20～50mm/min向后移动一个行程1.8米，立即停转刀盘，放下后支撑腿并必须保证撑紧状态；

⑤收回撑靴，将主推油缸伸出，完成整个退后循环，TBM整机向后移动1.8米；

重复以上动作，直至TBM整机退后5.0米。

4.3施工人员、设备、材料进入作业面

TBM整机倒退5.0m后，施工人员从主机主梁皮带开孔处下端（900mm×1000mm）进入渣料仓内，再通过刀盘检修孔（Φ520mm）进入刀盘与掌子面之间5.0m空间内；钻孔设备（YT28手风钻和KQD70B电动潜孔钻）分解成数个小部件从刀盘检修孔运进洞内再组装；拆除刀盘中心部位一把19英寸双刃滚刀，钻杆、钢管、风、水、电管路等从刀箱孔进入。各进入孔如下图所示：

掌子面灌浆布孔图

②采用YT28手风钻，钻孔直径Φ42mm。由下而上进行钻孔作业，分层采用Φ48mm×3mm钢管搭设施工平台。通过11个钻孔进一步探明了前方5.0范围内地质情况，11个钻孔中9个钻孔有溶洞，大部分为空洞，最大溶洞为涌水孔附近的8号孔，溶洞深度3.0m，有大量水涌出。

③注浆孔埋设φ25PVC管，并安装好球阀，在掌子面涌水口位置埋设数根长短不一的φ50PVC管，孔口用快硬水泥封堵，安装好球阀，既作为排水管，又作为注浆管。

掌子面注浆孔埋管

4.5注浆

①注浆前将掌子面及附近洞壁存在漏浆的溶蚀通道或缝隙采用麻绒、水泥浆、水玻璃、快硬水泥等材料进行封堵，确保注浆不漏浆。有漏水的地方先预埋排水管，并安装球阀，将水引出。

②注浆孔按照先从内到外、从下到上的原则进行注浆，先灌注出水量小的孔，再灌注出水量大的孔，最后灌注溶洞涌水口。注浆孔施工顺序9#→5#→10#→11#→7#→6#→1#→4#→3#→2#→8#。

③根据掌子面前方溶洞空腔大小，综合考虑水泥浆的扩散范围和结石率，掌子面前方每个钻孔平均需灌注约15～40m3水泥浆（按1～3米空腔溶洞、3倍洞径扩散范围、60～80%结石率计算）。由于每个钻孔遇到的溶洞大小不一，每个孔的实际注浆量会有所不同，视实际情况现场决定每个孔的灌注量。注浆水灰比采用0.8、0.6、0.5三种比级的水泥浆，由稀到浓逐级变换注浆，每种比级注浆量按15m3、15m3、10m3进行控制，当注浆压力达到0.3～0.5Mpa可结束注浆。

④如果单孔灌注超过40m3水泥浆仍达不到结束标准，则考虑采用浓水泥浆（水灰比为0.5）+1%、3%、5%水玻璃（玻美度30～40）三种配比的双浆液进行超前注浆，水玻璃掺量由少至多，每种配比注浆量按15m3进行控制，当采用水玻璃掺入量最大配比浆液长时间达不到注浆标准时，可采用限量（15m3）、间歇注浆直至达到最大注浆压力（0.3Mpa）。

⑤8#钻孔有3m空腔的溶洞，直接采用浓水泥浆（水灰比为0.5）灌注，如仍长时间达不到注浆压力，改注1：1：1的水泥砂浆，若灌注水泥砂浆达到40m3后不能将溶洞填满，则采用1：1：1的水泥砂浆+1%、3%、5%水玻璃三种配比的混合浆进行灌注，每种配比灌注方量控制在40m3左右，当采用水玻璃掺入量最大配比砂浆长时间达不到注浆压力时，可采用限量、间歇灌注，每次灌注方量控制在50m3左右，间隔时间2～3小时。

⑥注浆过程中，如果出现岩石表面串浆、漏浆等现象，采取表面封堵、间歇注浆、加浓浆液等措施及时处理，如出现相邻注浆孔冒浆，关闭注浆孔球阀，改从冒浆孔继续灌注，直至达到注降结束标准。

⑦实际注浆情况

11个钻孔共计灌入浆液172m3，其中纯水泥浆液163m3，砂浆9m3。统计数据如下：

5、注浆效果检查

①注浆完成后，两个涌水口被完全封堵，不再涌水，掌子面及四周洞壁也无新的涌水点出现。

②在掌子面溶洞周边布置了7个Φ76超前地质检查孔（图中A～G号孔），采用KQD70B电动潜孔钻机钻孔，孔深20m，其中D、E孔往下倾角11°，G孔往洞边涌水口方向外倾角10。，其他孔与洞轴线平行，7个钻孔发现前方有三层溶洞，分别为掌子面前方2～6m、8～12m、17～19m位置，洞底没有发现溶洞，三层溶洞均发现有水泥浆充填，浆液扩散到前方20m，达到3倍洞径范围，探孔无渗漏水，取得了很好的封堵效果。

检查孔钻孔情况统计表

掌子面灌浆检查孔布置图

③TBM掘进时可以清晰地看到溶洞内水泥浆充填密实，溶洞无渗漏水，只经过一次5m钻孔超前注浆就实现TBM掘进通过了20m长的地下暗河段，取得了很好的效果。

6、结论

TBM倒退预注浆处理溶洞施工技术的成功实施对B22+671前方溶洞（地下暗河）涌水进行超前钻孔注浆处理，取得了很好的溶洞封堵与止水效果，TBM快速、安全通过了该溶洞段。该项技术创新采用TBM倒退结合钻孔注浆工艺处理掌子面前方溶洞，技术先进、简单易行、经济性好，为保障北干一标TBM在后续13.5岩溶洞段掘进发挥了重要作用。该项技术应用广泛，也可在断层、破碎带等不良地层中应用，经济效益可观，值得在其他类似工程推广应用。