刘海波

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院 新疆乌鲁木齐市830000）

1 工程概况

新疆某输水工程是一项长距离输水工程，其中SS隧洞总长92.35 km，为无压输水隧洞。SS 隧洞地质条件复杂，采用开敞式TBM（全断面硬岩掘进机）、土压平衡盾构机、矿山法等多种掘进方式相结合施工。SS段Ⅲ标 隧 洞 桩 号SD40+495.307 ～SD52+585.465 为TBM 施工段，长度为12.1 km，开挖洞径5.5 m，逆坡掘进，该段富存地下水，在掘进中出现多处渗涌水情况，每公里出水量在600～1 900 m3/h 之间。

SS 隧洞桩号SD40+495.3～SD52+585.5 段根据地勘成果采用国产EH-DZ307 型全断面开敞式TBM 执行隧洞掘进任务。但隧洞掘进过程中揭露地下水文地质情况较复杂，出现洞内地下水持续、大量出露现象。具体原因为：隧洞北部张扭性结构面、南侧的乌晋迪苏断裂破碎带及洞线北侧的北塔山南部山前第四系洪积扇形成的蓄水洼地为地下水提供持续的补给，造成在TBM 掘进施工过程中，洞身沿围岩裂隙不断出现股状射流，刀盘涌水。掌子面涌水瞬时最大流量达到650 m3/h，TBM 被迫多次停机启动应急排水系统并进行堵水，大幅降低现场施工进度。

因此，经参建各方研究确定：隧洞渗、涌水处理遵循“以堵为主、限量排放”的处理原则，以保证隧洞的正常掘进[1]。

2 堵水原则

涌水洞段出水情况具有随机性较强、流量大以及水流形态多样的特点。主要水流形态有股状涌水、线状流水、大面积集中涌水、大面积集中渗水（含裂隙水）。掌子面出水具有突发性、水量大、压力高、无衰减的特点。

若使用全部抽排的方式解决隧洞涌水，则需要增加的排水设施较多，一方面隧洞可提供布设的空间、可提供的电力供应有限；另一方面极大增加扬水费用，加大突发停电、抽排水设施故障等情况下作业人员安全、TBM 设备被淹风险，同时排水量过大也会对当地生态环境造成影响[2]。

研究确定隧洞渗、涌水处理遵循“以堵为主、限量排放”的处理原则，在经过堵水、抽排水后使得掌子面的水不至于影响隧洞的正常掘进，通过采取切实可靠的施工措施，达到堵水可靠、排水通畅、经济合理的目的。

3 灌浆堵水流程

TBM 涌水段灌浆堵水可分为两部分：

1）TBM 掌子面灌浆堵水，具体流程见图1 TBM掘进堵水灌浆流程图。

图1 TBM 掘进堵水灌浆流程图

2）TBM 刀盘后部及洞身段灌浆堵水，该段由于部位和空间的影响因素不同故堵水灌浆方法与灌浆材料的选择有别于刀盘前部，具体流程见图2 TBM 刀盘后部堵水灌浆流程图。

图2 TBM 刀盘后部堵水灌浆流程图

4 主要关键技术

1）超前探水预报

根据SS 隧洞线路长度、地质条件等实际情况，坚持超前地质预报“三结合”和风险靶段划分原则，即“地质与物探结合，洞内与洞外结合，长短距离及不同物探方法结合”。按照该原则：地表长距离探水选择地表瞬变电磁法及EH-4 大地电磁法，洞内短距离选择复频电导率法（CFC）和激发极化法。

根据开挖后隧洞出水实际情况与超前探水预报成果对比，洞内短距离探水仪预测精度好于地表长距离探水仪，但预测结果与实际开挖情况均有出入，预测质量与电磁干扰、分析人员经验有关。

通过对吉林引松工程隧洞、辽宁公路隧道工程、辽西北调水工程隧洞、引汉济渭工程引水隧洞、云南大瑞铁路高黎贡山隧洞段的调研工作[3][4]，结合对本工程的勘探试验洞实际测试应用预报及隧洞开挖后对比验证确定如下：

裂隙水及附近区段采用地表瞬变电磁法沿线做探水预报普查，并与现有地勘成果对比分析，通过多信息元对富水风险区域进行预报。根据普查结果，在洞内有针对性地采用激发极化法对掌子面前方30～100 m 范围地下水情况作短距离预报，出现异常情况下应适当加密物探预报频次。

2）钻孔设备选型

由于TBM 空间有限，其前部刀盘遮挡人员及钻机无法直接面对掌子面围岩，需要拆除滚刀留出刀座孔或TBM 退机（后退4 m 左右）等方式创造空间，通过刀盘进人孔将人员设备送入作业现场，钻机能在狭小空间内满足钻距长、尽量减少超前帷幕灌浆作业循环频次的要求。

因此，钻机应选择体积小、功率大、重量轻、解体性好的型号，以便于搬迁和运输。若钻机选型不当，钻机功率小，输出扭矩小，则达不到要求的钻孔深度；钻机转速不合适，则达不到钻机切割岩石所需要的线速度；钻机功能不完善，没有打捞钻杆和排渣的设备等，则打向下倾斜孔时易出现问题影响效率；钻机质量差，则易出现故障。应根据岩石特性，选择合理的钻头类型、直径和钻机转速，以保证钻孔进尺稳定，才能提高堵水灌浆的效率。经过对市场上众多的小型钻机调查对比，选择了某国产100 型潜孔钻机，该设备大小合适，操作简便，整机可拆性好，搬运较为方便。在现场使用该型号设备进行超前钻孔试验，钻孔效果良好，可满足超前灌浆孔径76 mm、孔深20～30 m 的要求。

3）堵水灌浆材料与工艺

堵水灌浆技术的核心是材料和工艺，针对实际复杂多样的围岩地质特性及出水形式，在堵水高效、安全、经济的原则下，针对不同堵水位置采用不同的堵水方案：

（1）水泥+水玻璃双浆液配套施工方案

灌浆材料为42.5#中抗硫袋装水泥及波美度35～37 水玻璃，适用性一般偏好、系统堵水效果较好，适用于一般涌水，大面积系统灌浆部位及掌子面超前注浆，价格适中，多用于深层堵水，超前帷幕注浆深度9～20 m，阻水环注浆深度6～10 m，系统注浆深度2～4.5 m。

（2）化学灌浆配套施工方案

化学灌浆材料为高聚物（改性异氰酸酯+组合聚醚）及聚氨酯（组合聚醚多元醇），堵水效果好，适用于大涌水，但价格偏高，可用于紧急情况处理，基本为浅孔注浆，掌子面注浆深度1.5～2 m，洞壁注浆深度0.6～1.2 m。

（3）水泥单浆液配套施工方案

灌浆材料为42.5#中抗硫袋装水泥，堵水效果较差，价格偏低，多用于后期补强处理，配合双浆液使用。

通过水泥、高聚物、聚氨酯三种不同灌浆材料分别进行堵水试验方案后，对三种方法堵水效果进行分析比较，常规水泥灌浆堵水（水泥灌浆堵水、水泥+水玻璃灌浆堵水）历时长，灌浆材料反应时间长，在动水条件下进行灌浆效果不明显，由于水玻璃胶凝时间调节可控范围小，胶凝时间长，胶凝强度低，易收缩等缺点，不利于TBM 快速掘进，但价格较低，但对后期深层永久灌浆有利。化学材料具有膨胀率高，固化时间短，渗透性、密封性好，施工工艺简单，堵水针对性强，成功率高，堵水效果明显等特点。对TBM 快速掘进影响较小，灌浆效果好，但价格偏高。

4）系统措施方案

经过对各堵水方案的对比分析及现场施工的总结，若使用超前预报、合适的钻孔设备及合理搭配不同灌浆材料配套施工方案，可使堵水效率大幅提高，全洞总出水量明显下降，堵水效果显著，减少TBM 停机时间。现针对TBM 涌水段堵水灌浆形成以下系统性措施方案：

（1）隧洞富水区段，应全程进行超前探水预报，初判前方涌水位置。

（2）隧洞富水区段应根据现场出水情况限量采用高聚物化学浅层注浆，满足TBM 正常掘进即可，当TBM 后配套通过出水点后进行水泥+水玻璃深孔系统注浆堵水。

（3）易形成突发大涌水的极富水区域，加强超前地质预报与探孔，应架设100 型潜孔钻机钻孔进行超前帷幕注浆，保障人员、设备安全前提下快速通过。

5 效果检查及总结

通过以上对TBM 涌水段封堵措施的实施，TBM施工段富水洞段出水量已明显得到控制，截止至2019年6月，隧洞累计出水涌水量为6 569 m3/h，累计堵水量为5 619 m3/h，堵水量为总出水量的86%，已满足初期设定的堵水量占总水量的比例目标。由于封堵效率的提高，停机时间较初期遇涌水段有明显减少，每月进尺随着掘进时长的增加也有明显增长。涌水段封堵情况经参建各方联合对堵水效果进行评价满足要求且验收合格。

由于开敞式TBM 现场不良地质条件适应性较差，面对涌水情况处理起来相对棘手，若针对TBM 涌水封堵的关键技术：“1）前方出水情况的探测；2）钻孔设备的选择；3）堵水灌浆材料的选择；4）堵水灌浆的施工方法”几个方面选取合适的处理方案会有效改善现场堵水效果，提高施工效率。