单护盾TBM 隧道穿越富水段管控研究

关键字：TBM 山体隧道、高富水、管控措施、环保处理、掘进风险、渗水处理

适用于山体隧道的 TBM 设备主要有敞开式 TBM、单护盾式TBM、双护盾式 TBM，三种 TBM 设备适应性不同，需根据项目地质情况和使用需求进行选型。结合商山隧道地质构造特点，对三种TBM设备选型进行适用性分析。其中： 敞开式 TBM 适用于Ⅱ、Ⅲ级围岩为主的隧道。当围岩条件好时，掘进速度快；当围岩条件差时，需进行超前处理，掘进速度较低。单护盾式 TBM 适用于软弱围岩为主的隧道。双护盾式 TBM 适用于Ⅲ ～ Ⅴ级围岩为主的隧道，对软弱、破碎地层适用性较强。

隧道Ⅳ级和Ⅴ级围岩占比较高，采用单护盾模式掘进，能保障掘进安全，且掘进支护的速度比敞开式TBM 高。根据商山隧道围岩情况、工期要求及工程、水文地质等特点，结合类似工程施工经验，建议选用单护盾式TBM，其与双护盾式TBM 相比，盾体较短且遇变形地层时，卡机风险低；同时，所有洞段均在盾壳和管片的保护之下，安全性较高，适宜在软弱破碎地层下掘进。

开挖揭示富水情况与设计地勘资料基本相符，围岩岩性、完整性与设计地勘资料局部存在差异。主要体现在围岩极破碎、极软、强富水，盾尾积渣严重、涌渣，管片无法拼装、皮带压停需停机清渣。因洞渣岩粉、断层泥含量增加，渣样呈“泥糊”状，渣土外运受阻且污水处理难度增大，导致停机次数增加，相对之前围岩较好地段工效降低。洞渣岩粉、断层泥含量增加，渣样呈“黏稠泥糊”状，渣土外运受阻及污水处理难度进一步增大，采用多级沉淀池已无法满足日常生产，采用罐车进行倒运，环保问题日益突出。

一、富水段施工采取的主要措施概括

（1）为了完成 TBM 快速始发及提高试掘进期掘进工效，由分体始发采用洞内整体始发，减少了始发周期；

（2）采用单列双环列车编组 + 洞内道岔，减少列车运输时间；

（3）用保底工资 + 循环进度奖制度用于商山隧道 TBM 施工班组考核，实现了当班考核、当月兑现，充分调动了作业人员的积极性;

（4）为了降低糊刀盘频率及缓解糊刀强度，在穿越粘性地层时，成立攻坚专家组，通过适时控制刀盘喷水量、添加润滑剂等措施，缓解粘性地层岩粉、粘性土结饼降低糊刀概率；设置专职盾尾清渣、清理刀盘班组，利用等待运输列车、管片拼装、正常维保时间及时清理刀盘，减少盾尾清渣及清理刀盘占用主工序时间；增设高压清洗机、风镐提高刀盘清理效率，增加大功率渣浆泵， 快速清理盾尾积渣及清洗刀盘产生的泥浆;

（5）为了缓解TBM 通过软弱地层时“栽头”趋势及掘进姿态控制，引进盾构 TBM 工程数据云平台数据采集分析系统、联合 TBM 厂家核心技术人员针对性的校正匹配掘进推力、扭矩、转速、贯入度等关键掘进参数。

二、富水段环保问题处理

（1） 污水处理措施

为满足含粘性岩粉、粘性土施工污水处理效果，三级沉淀池由原设计 300m³ 扩容至 1600m³ ，分别在临时渣仓排污口扩建三级沉淀池，用于洞渣携带的泥浆沉淀，下游设置了 10 级沉淀池，用于洞内污水、渣仓污水、生产场地污水的沉淀处理；在沉淀池内添加聚丙烯酰胺加速沉淀提高沉淀效果；同时在沉淀仍不能满足排放要求时（悬浮物超标），采用砼罐车运送至设计弃渣场，在渣场顶面修建过滤池，利用钻爆隧道洞渣沉淀过滤悬浮物。

（2） 洞渣泥浆处理措施

针对“黏稠糊状”洞渣，先采用挖掘机进行颗粒分离，控完泥浆的大颗粒洞渣采用已加装密封措施的自卸汽车运送至弃渣场，含粘性岩粉、粘性土的泥浆采用砼罐车运送至弃渣场过滤池沉淀过滤；为了降低弃渣场过滤产生的二次环境污染，积极与地方在建的废旧矿坑治理工程沟通协作，含水、含泥量大的洞渣用于废旧矿坑回填治理。

（3）洞渣泥浆干燥处理

建议剩余段工程洞渣采用干燥处理，即在临时渣仓内掺拌水泥、矿粉、细粉质黏土等吸水胶凝材料，干燥至具备洞渣外运且不对弃渣周边产生环境污染。优点是减少了污水、泥浆处理数量，处理效果明显，治理成本较低；缺点是增加弃渣量，且细粉质黏土料源稀缺，运距远成本高。

（4）洞渣泥浆分离处理

在渣场南侧离端头 20m 位置新建围墙，使渣场四周成封闭状态。新建围墙外安装泥渣处理设备，设备包含：砂石泥分离设备 1 套、泥浆泵 2 套、泥砂分离设备 1 套、泥浆分离设备 1 套。将大颗粒洞渣与泥浆进行筛分处理，分离后大颗粒外运至弃渣场，再加水稀释“黏稠泥糊”状泥浆，将稀释后的泥浆输送至 0# 沉淀池，进入污水处理系统中，经过压滤处理变成泥饼和清水，清水可以在场内循环使用多余部分达标排放，泥饼通过运输车外运至弃渣场，实现了 TBM 掘进的渣土再利用和泥浆泥水的环保处理。优点是洞渣处理较为彻底；缺点是增加污水及泥浆量，整体处理成本较高。

三、富水段掘进风险处理

（1）风险描述

断层泥、断层糜棱岩为主，整体极破碎 ～ 较破碎，呈碎石角砾状～ 散体结构，单位涌水量为 10.4m³/d^∗m ，TBM 穿越 F1 断层破碎带时围岩极易失稳，涌水突泥、卡机风险极高；掌子面围岩整体较软，极易产生“栽头”趋势，掌子面支撑力下降，垂直、水平姿态控制难度极大；同时围岩软硬不均，刀具极易产生偏磨，降低刀具使用寿命，增加换刀频率，整体掘进功效较低。

（2）解决控制措施

（1）采用地质雷达及超前物探相结合的方式，扎实做好超前地质预报；

（2）进入断层破碎带前做好 TBM 维保及刀具更换，完成洞内会车道安装， 减少穿越破碎带时设备故障、减少列车运行时间，提高掘进功效，减少通过断层破碎带时间；

（3）充分发挥盾构 TBM 工程数据云平台数据采集分析系统，联合专家团队，及时针对性的校正匹配掘进推力、刀盘转速等掘进参数，确保平稳通过断层破碎带，避免TBM 卡机、“栽头”；

（4）施工期加强施工排水，备足排水设备，做好掌子面突水涌泥应急预案，遇有突水、涌泥、渗水增大和整体性变差等现象，及时改变施工方案；

（5）结合超前地质预报及渣样分析，必要时利用常载的超前钻机，实施超前注浆，实现地质改良；

（6）如若发生卡机，无法脱困，及时展开扩挖导洞施工，完成TBM 脱困。

四、富水段管片拼装渗水处理

（一）总体要求：

1、补充注浆堵漏施工工序，先上部、再底部、后中间，对渗漏点形成围堵；

2、明确所采用的改性环氧化学灌浆液类型，应满足耐久性要求。

3、补充钻孔后水压较大情况的注浆措施。

（二）具体方案

1、拼接缝渗水堵漏方法

① 表面封堵法清理缝面：使用工具如钢丝刷、高压水枪等，仔细清除拼接缝内及周边的杂物、灰尘和松动的混凝土等，确保缝面干净、整洁，以提高封堵材料与缝面的粘结力。

嵌填密封材料：选用合适的密封材料，如遇水膨胀止水条、聚氨酯密封膏、聚硫密封膏等，将其嵌填到拼接缝内。嵌填时要确保材料填充密实，与缝壁充分粘结，不留空隙。

表面防护：在密封材料嵌填完成后，可在拼接缝表面涂抹一层防水涂料或粘贴防水卷材，如聚合物水泥防水涂料、自粘防水卷材等，作为表面防护层，进一步增强防水效果。

② 注浆堵漏法

钻孔：在拼接缝两侧或渗水较为严重的部位钻孔，钻孔角度一般与拼接缝呈 30^∘ °至 45°斜角，钻孔深度应穿过拼接缝并深入到一定的衬砌厚度内，通常为30 至50 厘米。

安装注浆管：将注浆管插入钻孔内，并用速凝水泥浆或专用的密封材料将注浆管与孔壁之间的缝隙封堵严密，确保注浆时浆液不会从缝隙中泄漏。

注浆材料选择：根据实际情况选择合适的注浆材料，如水泥 - 水玻璃双液浆、丙烯酸盐注浆料、水溶性聚氨酯注浆料等。

注浆操作：采用注浆泵将注浆材料注入注浆管，通过注浆压力使浆液在拼接缝及其周围的混凝土孔隙中渗透、扩散，填充空隙并形成止水帷幕，达到堵漏的目的。注浆压力一般控制在 0.3 至 0.8Mpa 之间。

2、螺栓孔渗水堵漏方法① 直接封堵法：

清理孔壁：使用钢丝刷、高压水枪等工具，将螺栓孔内的杂物、灰尘和松动的混凝土等清理干净，确保孔壁表面干净、粗糙，以增加封堵材料与孔壁的粘结力。

注入密封材料：采用专用的注浆设备，将密封材料如聚氨酯灌浆料、环氧树脂等注入螺栓孔内。注入时要缓慢、均匀，确保密封材料充分填充孔内的空隙。

封堵孔口：在密封材料注入后，及时用止水胶、密封膏等材料将孔口封堵严密，防止密封材料外溢。

② 压力注浆法钻孔：

钻孔：在螺栓孔周围适当位置钻孔，钻孔深度应超过螺栓孔深度，且与螺栓孔相交，形成注浆通道。

安装注浆管：将注浆管插入钻孔内，并用密封材料将注浆管与孔壁之间的缝隙封堵严密，确保注浆时浆液不会从缝隙中溢出。

注浆：采用注浆泵将水泥浆、水玻璃双液浆等注浆材料注入注浆管内，通过注浆压力使浆液在螺栓孔周围的混凝土孔隙中渗透、扩散，形成止水帷幕，达到堵漏的目的。注浆压力应根据具体情况进行调整，一般控制在 0.3-0.5MPa 之间。

封孔：注浆完成后，待浆液凝固后，将注浆管拔出，并用水泥砂浆将钻孔封堵严密。

3、安装孔渗水堵漏方法

① 直接封堵法

孔内清理：先用高压空气或高压水枪将安装孔内的杂物、灰尘及松动的混凝土等冲洗干净，确保孔壁清洁、干燥且无油污，以增强封堵材料与孔壁的粘结力。

材料选择与注入：根据渗水情况，可选择合适的封堵材料，如遇水膨胀止水胶、聚氨酯密封胶等。使用专用的注胶枪将密封材料缓慢注入安装孔内，注胶过程中要边注边挤压，使材料充分填充孔内的缝隙和孔隙。

孔口处理：在密封材料注入后，用刮刀或抹刀将孔口多余的材料刮平，并使其与孔口周围的衬砌表面齐平，确保孔口封堵严密。

② 压力注浆法

钻孔与埋管：在安装孔周围适当位置钻孔，钻孔深度一般应超过安装孔深度且与安装孔相交，然后将注浆管插入钻孔内，并用水泥砂浆或快硬水泥将注浆管与孔壁之间的缝隙封堵牢固，确保注浆时浆液不会从管外溢出。

注浆材料及操作：常用的注浆材料有水泥 - 水玻璃双液浆、丙烯酸盐注浆料、水溶性聚氨酯注浆料等。采用注浆泵将注浆材料按照一定的配比注入注浆管内，通过控制注浆压力使浆液在安装孔周围的混凝土孔隙中渗透、扩散，形成止水帷幕。注浆压力一般控制在 0.3-0.5MPa 左右。

封孔与检查：注浆完成后，待浆液凝固后将注浆管拔出，并用水泥砂浆将钻孔封堵密实。最后对堵漏效果进行检查，如仍有渗水可进行二次注浆。