盾构隧道穿越断裂带超前预注浆加固研究

2023-02-09王诚文刘晓丽高平安

水利规划与设计 2023年1期

龚斌，王诚文，刘晓丽，许清，高平安

(1.广东水电二局股份有限公司，广东广州 510030；2.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

1 概述

近几十年来，随着我国经济和社会的快速发展，城市水资源短缺成为一大亟待解决的问题。为此，我国修建了一批引水输水工程[1- 4]，以缓解水资源短缺与水资源分布不均的问题，其中，输水隧道作为引水输水工程的重要形式被越来越普遍采用，然而，随着输水隧道的发展和大量建设，隧道建设所面临的地质条件越来越复杂，比如隧道穿越河流[5- 6]、岩溶区[7- 8]、断裂带[9- 10]等。

穿越断裂带是隧道施工中面临的最大挑战之一，通过断裂带可能导致掌子面失稳、刀盘卡阻、盾体包裹、盾构卡机、地表塌陷以及突水突泥等灾害[11- 12]，严重危害施工安全，造成巨大经济损失。目前，隧道穿越断裂带常用的方法有优化掘进方案和预加固处理。李翔等[13]结合胶州湾第二海底隧道对盾构法穿越大错动量断层带的抗错方案进行了研究；曾伟华[14]以广州市轨道交通三号线为例，详细阐述了盾构隧道穿越断裂带过程中遇到的建筑物保护、结泥饼、喷涌、土仓压力控制空难以及刀具破坏等难题和解决思路。王淑娟[15]以跨海隧道穿越断裂带为例，采用数值模拟的方法，评估了管棚法和径向注浆法两种加固措施的加固效果。马腾飞[16]以大连某地铁工程为研究对象，采用数值模拟系统研究了穿越不同断层的盾构隧道的位移、应力变化规律及断层对隧道的影响范围。为了减少断裂带对隧道施工的影响，确保施工安全，通常采用先进的支护手段和提高支护强度解决该问题，比如帷幕灌浆技术、管棚、注浆以及双层一次支护[17- 20]。目前的研究主要针对于浅埋地铁隧道或敞开式TBM隧道，而对于珠三角水资源配置工程这种深埋泥水盾构隧道穿越断裂带加固方法的研究比较少，急需提出合理的加固方案已解决类似工程问题。

本文依托珠江三角洲水资源配置工程A2标段，对大埋深、高水压盾构隧道穿越断裂带的预加固方案进行研究，比较了地面钻孔预注浆加固、预注浆填仓加固、超前孔预注浆加固3种预加固方法，详细阐述了超前孔预注浆加固方案的施工要点，对预加固效果进行了评估，为将来类似盾构隧道穿越断裂带工程安全、高效、经济地施工提供参考。

2 项目概况

2.1 工程背景

珠江三角洲水资源配置工程由输水干线(鲤鱼洲取水口至罗田水库)、深圳分干线(罗田水库至公明水库)、东莞分干线(罗田水库至松木山水库)和南沙支线(高新沙水库至黄阁水厂)组成，输水线路总长度113.2km。该工程可有效解决受水区城市经济发展的缺水矛盾，提高供水安全性和应急备用保障能力，适当改善东江下游河道枯水期生态环境流量，对维护广州市南沙区、深圳及东莞市供水安全和经济社会可持续发展具有重要作用。

珠江三角洲水资源配置工程输水干线，鲤鱼洲取水口至高新沙水库段全长41.0km，A2标段为其中的一部分，该标段起点为佛山市顺德区杏坛镇鲤鱼洲岛上的高位水池，线路向东北布置，穿过西江左岔河道、大金山、顺德支流、广州南二环高速公路后，至杏坛镇吉佑村。A2标总长为6.452km，其中穿越大金山段长度达1.26km，该段为丘陵段，山顶高程25～75m，中部高而南北两头低，最大埋深达120m，地下水丰富，最高水头为55m。该工程采用Φ6280mm泥水平衡盾构机进行双线同步施工，双线最小间距约6m，隧道衬砌段外径和内径分别为6000、5400mm，全线最大坡度为5%，最小转弯半径为300m。

2.2 工程地质条件

现场勘察表明，盾构隧道所穿越的大金山段地表覆盖层较薄，大部分区域见基岩出露，该区段广泛分布着强风化砂岩和弱风化泥质粉砂岩，从山顶到深度150m的范围内主要分布中地层：粉质黏土、全风化土、强风化砂岩、弱风化泥质粉砂岩和花岗岩，其物理力学性质在表1中列出。盾构隧道主要位于弱风化泥质粉砂岩和花岗岩中。

2.3 水文地质条件

该区段位于珠江三角洲地区，面临南海，属亚热带季风气候，常年气候温和，雨量充沛、空气湿度大，日照时间长，蒸发量大，台风频繁，热带气旋常伴有大暴雨发生。该地区年平均气温在20～23℃之间。日照时间长，年平均日照数约1900h。多年平均相对湿度80%，最大相对湿度接近100%。冬季陆风风速较强，常达5m/s左右。夏季海风风速约3m/s，夏秋台风风速可达40m/s，并引起风暴潮，易造成严重灾害。珠江三角洲多年平均年降雨量等值线变幅为1600～2600mm，呈现沿海大-腹地小-北沿大的地区分布特征。珠江三角洲多年平均年蒸发量890～1120mm，地区变化趋势为由北向南递增。

表1 隧道沿线地层基本物理力学参数

地下水类型以孔隙性潜水为主，地表水与地下水互为补排，雨季主要以大气降水和河流、渠道补给地下水，枯水季地下水补向河流，沿线地下水位普遍埋深较浅，揭露高程约0～2m，受潮汐影响较大。大金山地带以基岩裂隙水为主，地下水主要受大气降水补给，向沟谷排泄，地下水位随地形变化，一般埋深4.0～10.0m，大多在强风化带底部-弱风化带顶部。

2.4 断层特点

根据地质调查，坭湾门断裂F13在大金山西侧通过，在桩号LG2+120附近与洞线大角度相交，主干断裂总体产状N30°～40°W/NE∠70°～80°，正断层，沿断层发育断层角砾岩，角砾棱角状，母岩成分为泥岩、砂岩，硅质胶结。受此断裂影响，大金山范围内断层裂隙极其发育，如图1所示，分别在LG2+250、LG2+360、LG2+450、LG2+600、LG2+680、LG2+760、LG2+830、LG3+170、LG3+290、LG3+470等附近发育断层，断层宽度0.5～10m不等，大多为全风化构造角砾岩、断层泥等，断层普遍胶结差，风化深，形成风化深槽，透水性强。

图1 大金山段断层分布图

受断层发育影响，基岩风化厚度变化大，特别是强风化带厚度变化，风化带顶面起伏大，弱风化带顶面线高程约为-1.99～-47.9m，钻孔揭露，山体中上部位多为全、强风化泥质粉砂岩、砾岩，岩石完整性差，透水性强。其中砾岩中溶蚀现象明显，溶蚀性小孔洞发育，洞径一般小于5cm，局部发育有溶洞，在强风化带揭露多个溶洞，分别在高程2.6～1.5m、0.9～0.2m、0.2～-2.8m、-3.9～-4.7m，规模1～3m，充填泥，岩石破碎，地下水活动强烈，砾岩中灰岩质砾石发生溶蚀、或全风化夹层被地下水潜蚀、淋滤破坏带等现象，岩溶发育部位在隧洞以上37～40m。下部主要为弱风化砾岩、花岗岩，砾岩以硅质胶结为主，部分钙质胶结，胶结较好，岩芯见溶蚀性小孔洞，岩质坚硬，砾石以砂岩质、石英质、灰岩质、花岗岩质为主，直径2～6cm，局部大于10cm，磨圆较好，次圆状-浑圆状；弱风化花岗岩岩质坚硬，中陡倾角裂隙较发育，石英充填，胶结较好，完整性一般-较好，弱-微透水性。

3 预注浆加固方案

3.1 加固方案比选

预注浆加固方法主要有地面钻孔预注浆加固、预注浆填仓加固、超前孔预注浆加固3种。①地面钻孔预注浆加固是一种通过在洞内施作止水环，仓内采用泥浆将渣土置换后，采用锚杆钻机在盾构停机位置地面进行钻孔、埋管、注浆的方式进行地层加固，待加固强度达到要求后进行开仓检查清理及换刀的施工方法；②盾构预注浆填仓加固技术通过施作止水环后向土仓内注入适量水泥、膨润土水玻璃浆液加固掌子面，强度储备充足后采用人工将仓内泥浆清理出来使仓内具有一定的空间，然后在常压状态下进行刀具更换的施工方法；③超前孔预注浆加固是一种通过在洞内倒数3—5环施作止水环，仓内采用泥浆置换后，采用钻注一体机利用盾构机盾尾上部4个超前注入孔进行钻孔、封堵止水、后退式注水泥水玻璃双液浆，待强度达到要求后降压进行开仓检查清理及换刀的施工方法。

预加固方法的选择主要从几种方法的可行性、经济性、安全性和施工效率4个方面进行综合考虑，表2列出了3种方法的比较，地面加固处理受地面环境影响较大，该工程地表为森林，隧洞埋深达70～120m，交通不便，设备材料需人工搬运，隧洞埋深平均达90m，钻孔效率低，工期长，耗费大。注浆填仓的加固范围有限，清仓过程中加固体易漏水失稳，有坍塌风险，而且大部分时间均在进行清仓，存在需多次填仓的可能，效率低。针对该工程高水头、深覆土、断裂带多，多上软下硬软硬不均地质的特点，超前孔预注浆加固方法在可行性、经济性、安全性和施工效率4个方面都展现出一定的优势，因此采用超前孔预注浆加固方法。

表2 预注浆加固方法比较

3.2 拟采用加固方案

预注浆加固技术一般包括材料设备准备、注浆配合比确定、封孔防裹配合比确定、止水环施作、泥浆置换、钻孔及封孔注浆、加固效果判断、进仓作业。为解决以往超前预注浆加固易裹刀盘盾体、清仓困难、加固效果难保证的难题，主要注浆材料及配比、置换用泥浆、封孔防裹材料及配比、钻孔深度控制、加固效果判断几个方面进行优化和改进。

3.2.1注浆材料

根据工程需求，超前预注浆加固需要保证加固强度和凝结时间，因此采用水泥浆-水玻璃双液浆，选用的水泥和水玻璃的参数见表3。

表3 注浆材料基本参数要求

为了获取合适配比的双液浆，首先在实验室内进行了水泥浆-水玻璃的配比实验。实验中采用2组水泥浆液，其中一组水泥浆液容重为1250kg/m3，(配比为：水泥375kg/m3∶水825kg/m3)，另一组水泥浆液容重1540kg/m3(配比为：水泥800kg/m3∶水700kg/m3)，水玻璃按原液、水玻掺水方式以不同配比加入，不同配比浆液，初凝时间、终凝时间及强度情况见表4。

为保证加固效果，在满足浆液工作性的前提下尽量加大水泥用量，选择使用第5组配比，初凝时间23s，终凝时间1min24s，1d强度3.1MPa。

表4 注浆材料配比实验记录

3.2.2封孔防裹材料

在钻孔孔深达到要求后，需注入封孔止水材料，为防裹盾体，本工程中采用磷酸水玻璃双液浆作为封孔止水材料，其中，主要材料磷酸为三元中强酸，不易挥发，无强腐蚀性，属于较为安全的酸。

为达到最佳封孔止水效果，预先对磷酸-水玻璃双液浆的配比进行实验。如图2所示，实验中，选用浓度为85%的磷酸和波美度38.5Be的水玻璃，按磷酸占比不同加入，随着磷酸含量的增加，开始絮凝和结块的时间越来越短，但是磷酸掺量过大，结块后为冰渣状，整体性差。磷酸掺量为50%时，浆液为果冻状，整体性好，故选用水玻璃(水玻璃∶水=1∶1)∶磷酸=1∶1的配比。

图2 不同配比的磷酸-水玻璃双液浆凝结效果

3.2.3泥浆置换

为了减少浆液串入，严防仓内结泥饼，需要在超前预注浆加固前进行泥浆置换。在泥浆置换前对倒数3～5环施作止水环及盾体外侧注聚氨酯。止水环施作采用水泥浆-水玻璃双液浆进行，采用P.C42.5普通硅酸盐水泥和38.5Be波美度的水玻璃，水泥浆水灰比为1∶1；水泥浆与水玻璃的配比为1∶1(体积比)，注浆压力控制在0.5～1MPa。止水环施作24h后，用钢筋插入注浆孔，无外流水即合格。

在钻孔注浆前采用钠基膨润土、纤维素通过剪切泵剪切配制粘度在50s以上浓泥浆，置换过程中，加强泥浆粘度及泥浆质量检查，确保置换后泥浆质量达标。

3.2.4钻孔及注浆施工

钻孔设备采用钻注一体机，盾构机盾尾位置处共设8个超前注入孔，下部受空间限制，超前注浆设备架设困难，因此选用上部4个超前孔进行钻孔注浆。盾构超前注入孔在钻孔过程中一次性成孔，如图3所示，孔径50mm，孔深16～20m，角度8°。