2019创新项目推广|盾构/TBM 隧道复杂地质疑难问题的快速高效治理技术

近二十年来，盾构/TBM施工技术在我国城市轨道交通、山岭隧道等地下工程施工中的得到大力推广应用，并进一步地促进了我国盾构/TBM 装备技术的日益强大。盾构/TBM 施工技术具有施工高效、安全、可靠等综合经济技术优点，是隧道、地铁等地下工程施工的发展方向。

虽然盾构/TBM施工技术比传统的钻爆法施工具有很多技术优点，但是由于地下工程施工环境的复杂性，难以“探清”、“算清”、“看清”，在地下工程施工中遇到复杂地质条件情况时，盾构/TBM施工的局限性就突显出来了，如较大的地质构造出现的松软破碎围岩（IV类或强风化、粉化的围岩）、富含水砂砾石围岩的涌水涌砂等复杂地质导致的卡机卡盾、掌子面前方出现溶腔或空洞等复杂状况时，有时几乎无法施工，甚或造成严重的设备损失。因此，如何在遇到复杂地质情况下，盾构/TBM 施工不受严重影响，快速脱困，确保其施工高效性和安全性，尤其在不同直径的狭小空间的盾构/TBM 护盾内部解决复杂地质难题，是盾构/TBM 施工技术的一个关键课题之一。

上世八十年代，德国首先发明了适用于复杂地质条件下有效解决盾构/TBM 施工困难的新型技术——双组份改性聚氨酯类灌浆系列材料及系统应用技术，并在美国、英国、西班牙、瑞士、澳大利亚等国外发达国家得到快速发展。这种新型化学灌浆技术有利地确保了盾构/TBM 在隧道、地铁等地下工程施工中遇到复杂地质灾害情况下安全高效脱困。

自2006年国内新疆八十一大坂输水隧洞成功解决双护盾遇富含水砂砾石岩层脱困成功和碳质泥岩大型构造区卡机卡盾脱困成功应用以来，先后在引红济石、引黄北干渠双护盾隧洞、引松济辽引水隧道、山西大水网各线主要TBM段、引汉济渭、北京冬奥会管廊项目段、兰州水源地项目、成都地铁、上海地铁、北京地铁、青岛地铁等得到成功应用，为盾构/TBM 高效、安全施工创造了巨大贡献。

相比传统的环氧树脂灌浆材料、聚氨酯灌浆材料、丙烯酸盐灌浆材料，这种新型灌浆材料技术的主要特点有：

1）实现科学可控范围功能性注浆要求：实现双组份单独进料、输出、在孔内静态混合工艺技术，能依据工程特点设计好确定的凝固时间（10秒~5分钟），实现需要的扩散范围和及时固结的特点，提高材料的使用效能。

2）更环保：灌浆材料组份里没有任何有害的挥发性溶剂和增塑剂等，所有原料闪点都是150℃以上；

3）应用更安全：地下工程应用不会发生易燃着火等次生灾害，材料固结体阻燃级别高，不会发生任何次生灾害事故。

4）生产工艺更简便：生产加工不需要预聚加热手段。

5）施工工艺科学可靠：固定A、B两组分体积比1:1使用配比，采用双组份注浆泵和孔内混合的先进工艺，无需现场人工称量和混合；灌浆材料孔内混合无任何工作时间问题，提高材料的使用有效性，不会因为材料没有用完而失效的问题。

6）处理复杂地质灾害疑难问题针对性强：可控范围定向治理。材料固结时间方便调节、材料固结性能方便调节（可以是高强度固结灌浆、可以是一定发泡倍数和强度的充填固结灌浆、可以是空腔或溶腔充填密闭高发泡倍数充填灌浆等性能要求）。

随着我国“一带一路”政策的逐步实施，我国的盾构/TBM正大量走出去，那么配套解决盾构/TBM 施工遇到复杂地质灾害疑难问题快速高效治理用的新型双组份聚氨酯系列灌浆材料也需要与国际接轨，有具体的产品技术标准，以便指导和规范工程使用。因此，制定该类产品技术标准具有非常大的经济技术价值。

1）关键技术内容：

 本项技术的关键内容包括两个方面：双组份改性聚氨酯灌浆材料系列产品和配套的双组份高压大流量注浆工艺系统技术。整个技术主要有几个方面：

①  适用于盾构/TBM掌子面遇到破碎围岩或砂砾石松散围岩的涌水或较大渗漏水的快速封堵产品，产品特点为：比重比水大，不易为水分散或稀释，及时快速发泡膨胀封堵渗漏水通道，产品环保无害。

②  适用于盾构/TBM掌子面破碎围岩大型构造带（IV类或V类）严重卡机卡盾快速固结脱困类产品，产品特点为：一定的膨胀性和较高强度，快速、可控范围地实现掌子开挖面上部和非开挖面2米左右高度范围有效固结，且易于被盾构/TBM 切割。

③  适用于盾构/TBM 施工中遇到的空腔、溶腔或冒顶后隧洞顶部出现的空洞快速充填接顶接帮产品，产品特点：及时快速发泡成型，有效膨胀性充分接顶接帮，及时有效控制空腔等区域围岩的表面稳定性，施工高效，产品易于为盾构/TBM 刀盘切割。

④  双组份单独进料、高压输送系统和孔内自动静态混合等系统性工艺技术，产品主要特点：双组份固定配比的高压大流量输出泵、自动孔内静态混合装置等。

2）技术路线：

本项技术的技术路线包括：依据工程疑难问题的特点，选定好针对性的产品体系、依据现场情况的调查了解编制针对性的系统性实施工艺技术，实现充产品的针对性和施工工艺技术的针对性配合，从而高效处理盾构/TBM 施工遇到的复杂地质疑难问题。

1）本项目技术包含的材料产品生产加工无任何有害发挥物质、无任何非反应型物质、无需要加热等工艺，只需快速混合包装而成，属于绿色环保产品，能耗低、无任何三废存在。

2）本项目技术应用于解决复杂地质灾害疑难的问题，高效、快捷，相比传统方法综合经济优势大。

3）具体创新指标：

① 双组分改性聚氨酯灌浆材料技术：无任何有害的非反应性物质，比重约为1.4g/cm³，反应时间10秒~3分钟可调节，固结型材料30分钟抗压强度可达到40MPa以上、粘结强度3MPa以上、抗拉剪强度大于10MPa，固化物绝对阻燃、应用安全！

② 系统注浆工艺技术：双组份单独进料和高压输出系统，最高输出压力高达25MPa以上，输出流量大于25L/min，时间孔内（围岩内部）设计深度静态混合。

③ 处理疑难地质问题速度快：一般处理盾构/TBM各种地质疑难问题（涌水、涌砂、过大型结构断层等卡机卡盾）10天以内，比传统技术要大大节约时间成本和人力成本！（一般传统手段需要至少1个月，甚至几个月时间）。

① 针对性强：产品的综合物理力学性能和系统工艺技术，专门针对盾构/TBM 施工遇到的复杂地质灾害疑难问题的快速、高效治理，尤其是盾构/TBM洞内狭小有效空间、难以对掌子面和四周有比较好控制情况下的有效治理，工艺技术简便、高效！

② 真正实现可控范围高效注浆技术：产品的混合注浆工艺技术和综合物性性能，真正实现对疑难地质围岩的可控范围、可控性能（强度的要求、不受环境水的影响固结等特性）的围岩固结或水的封堵。

③ 安全、高效且环保：不同于传统的灌浆材料含有一定量的挥发性物质或非反应性物质对环境和地下水资源的不利影响；材料绝对阻燃，应用过程中绝对不会有其他次生的灾害事故发生。

已经取得多项国家发明专利。分别为：

①   ZL 201410837637.6 “一种高强聚氨酯改性硅酸盐注浆加固材料及其制备方法和应用”

②   ZL 201410835079.8 “一种硅酸盐改性聚氨酯发泡材料及其制备方法和应用”

③ ZL 201810941683.9 “一种低热型聚氨酯灌浆加固材料”

自2006年在新疆八十一大坂隧道成功应用于解决双护盾TBM遇大埋深富含水砂砾石构造带脱困和碳质泥岩大型构造破碎带卡机卡盾脱困以来。先后成功应用于北京冬奥会管廊敞开式TBM遇强石变花岗岩构造带脱困、兰州水源地双护盾TBM700米多埋深下与大型构造带含水破碎围岩脱困、山西大水网东线工程双护盾与富含水砂砾石构造带（45米埋深）涌水（200多方/小时、涌砂（淤沙高度0.8~1米）脱困治理、青岛地铁双护盾TBM退后4环掌子面空腔（直径6.5米、长度约6米）的充填在掘进疑难处理、成都地铁泥水盾构洞内常压换刀和掌子面渗漏水控制等疑难问题治理。为疑难地质工程的及时、高效治理，取得了巨大的经济效益。

未来城市轨道交通发展越来越迅速，各个城市的地下地质条件变化复杂，在确保盾构/TBM施工中及时、高效处理疑难地质段应用中，具有非常大的市场空间，尤其是破碎围岩、涌水和较大渗漏地质段等有效治理十分关键，也是对轨道交通后期混凝土衬砌或管片衬砌的整体安全性、防水有效性都是十分有益的，只有确保隧洞混凝土衬砌或管片衬砌外的围岩整体连续承载性和整体防水性，才是对隧洞未来的承载安全性和整体防水性更好的保障！市场前景十分巨大。

在引进国外先进技术的基础上，多来的继续研发和改进，拥有了自己的核心产品技术和系统应用技术，并具有各种疑难问题治理的丰富经验，已经获得了多项国家发明专利，已经形成生产加工和技术服务基地近十几年历史，在行业内拥有了一定品牌和核心竞争优势，产业化前景十分广阔。

本项技术专门针对治理盾构/TBM 施工隧洞疑难地质问题，具有治理针对性强、快速及时高效，投入的综合经济费用和人力费用少，为确保工程建设顺利进行节约直接经济投入成本、减少因工程停工的间接经济损失较大，因此，创造的直接经济效益和社会效益巨大。以引汉济渭输水隧道北岭段中铁十八局隧道工程公司项目为例和青岛地铁4号线双护盾项目为例。

1）引汉济渭输水隧道北岭段敞开式TBM脱困经济效益和社会效益分析
该项目采用敞开式TBM施工，洞直径8.5米，在埋深1000米多遇到大构造带，长度80米，走向高度20米左右，2016年揭露结构带前期通过不到20米用了近5个月时间，项目部亏损一千多万，而且顶部冒顶高度达到10米深度，钢拱架持续倒架和TBM整个围岩坍塌困住，项目部多次换架还无法控制围岩来压，情况十分危机。在经过多方论证后，及时采用新型化灌应用技术，及时控制住顶部围岩持续垮塌、钢拱架稳定支护、TBM成功脱困，余下60米断层只用了15天左右顺利通过，为项目挽回直接经济损失几千万元，TBM很快恢复正常掘进，为北岭段顺利贯通创造了有利条件，社会效益巨大。

2）青岛地铁4号线疑难问题解决经济效益和社会效益分析

青岛地铁4号线为双向TBM施工，采用铁建重工生产的双护盾TBM施工，洞径为6.5米。右线段由于设备和管片配套问题，掘进进尺500多米多需要后退4环重新处理后再掘进。地面埋深不到30米，地面建筑复杂，有高架桥和高层建筑，TBM回退4环约6米的巨大空腔如果充填，然后还需要从新掘进支护，对项目部是个巨大挑战，也是国内外属于罕见疑难问题。项目部停止掘进近2周多，经过多方充分论证后，积极采用新型化灌技术（调整产品综合性能参数：发泡7~8倍，抗压强度0.8~1MPa，材料固结不粘刀盘和护盾、充满后刀盘易于切割、施工过程绝对安全）经过不到5天时间顺利完成目标任务，取得成功！总体费用不到60万。如果采用充填混凝土或其他发泡水泥方法，存在几个问题：其一，需要至少30个月时间处理，一个月项目部需要损失一百多万；其二，充填混凝土或发泡水泥，可能粘结刀盘和护盾，容易造成巨大的设备损失；其三，充填混凝土和发泡水泥难以充分接顶接帮，会存在较大地层围岩稳定的安全事故，是市内地铁工程绝对不允许的！因此，采用新型技术处理，创造的直接经济效益至少一百多万元，新型技术施工速度快，一天退一环和充填一环，地表没有任何沉降问题，间接社会效益巨大。