TBM潜盾隧道施工灌浆材料技术之应用.pdf

TBM潜盾隧道施工灌浆材料技术之应用 Tatzki Thorsten1 , 钱文杰2 1., Minova-CarboTech International 亚洲区隧道部经理 2. Minova-CarboTech International台湾区经理 摘要摘要 以水泥系列或水泥与其它材料混合之灌浆技术已为 TBM 潜盾施工隧道中通用的施工方法之 一。因此我们可以了解水泥是基本的灌浆材料。然而以化学合成材料如聚胺酯树脂或丙烯酸胶体或 其它无机树脂作为灌浆基础的施工技术，却较不为施工者了解，以致经常在工程决策中被排除在 外。诸如此类之情形是可以理解的，但对于此类先进的施工技术却是不公正的。首先此类灌浆技术 已逐渐成熟并且相当环保。其次化学系灌浆材料可依不同之施工状况提供更广泛之运用。再来就是 对于此类材料我们已在德国政府 ZTV-ING规范中有相关之规定。当传统之水泥系列灌浆施工无法 提供令人满意的结果时，化学合成材料之灌浆技术往往可能可以提供一理想的解决方案。本文将提 供数个以化学材料灌浆解决ＴＢＭ潜盾隧道困难施工案例，供各位参考。 关键词关键词 TBM 潜盾施工隧道、灌浆材料、灌浆技术 Solution from Material Technology For Tunnel Driven by TBM Tatzki Thorsten1 , Vincent Chien2 1. Manager of tunnel department of Minova-CarboTech International in Asia;2. Manager of Minova-CarboTech International in Taiwan Abstract Grouting technologies with1 cement or mixtures of cement are well-known in the construction of tunnels with Tunnel Boring Machines TBM. Therefore we can say that cement is the base material for injection work. Further grouts on base of chemicals as Polyurethane resins, Acrylate gels or Organomineral resins are less known and most of the persons in charge have a reserve against those products. That negative approach is understandable but not justified. First, the technique of those grouts has changed to more and more environmental friendly products. Second, the properties of the products give a wide range of possible applications. And third, we can find regulations like the German ZTV-ING2, where the use of those products is ruled. Whenever traditional cement grouts are not effective enough, chemical grouts can offer a suitable solution. This paper will give a short overview about interesting solutions for problems which can appear during the drive of a tunnel with a TBM. Keyword TBM Tunnel 、Grouting Material、Injection Technology 1 作者简介Tatzki Thorsten1967男,德国人,土木及工程经济双硕士,主要从事隧道工程,目前为Minova-CarboTech International 亚洲区隧道部经理,E-mail thorsten.tatzki 2 1.前言前言 1.1、不同施工階段之灌漿材料運用、不同施工階段之灌漿材料運用 不同施工階段之灌漿材料運用通常會依不同之 工地需求而異。而所採用之灌漿材料通常需能 夠滿足許多不同範圍的運用。因此本文將探討 灌漿施工技術於岩石、土壤及TBM潛盾隧道環 片之運用。 除了對於灌漿材料之選擇之外，灌漿技術的運 用也扮演同樣的重要角色。所以我們應該將材 料之選擇與相關技術之運用定義為一施工系 統。就此系統而言，將分為三個階段預先灌 注；修補灌注及後續灌注。預先灌注主要是對 於TBM潛盾機在通過困難地質區段之前所採用 的施工方式。修補灌注則是當非可預期之情形 發生而TBM潛盾機需停機維修所採用的施工方 式。後續灌注是指TBM潛盾機已通過後所採用 的施工方式。 当然在整个TBM隧道施工过程当中，有时所发 生的一些施工情形并无法完全依前述做不同阶 段之分析，甚至有复合发生的情形，而本文为 简化施工情形以期提供较为清楚的分析，图1提 供参考。 Pre Injection Repairing Post Injection PART I PART II PART III 图图1 灌浆材料于TBM潜盾隧道中三阶段运用示意图 Fig. 1 Three application stages for TBMs 1.2现代材料供货商所扮演之角色现代材料供货商所扮演之角色 现代材料供货商所扮演之角色相较以往只供应 施工材料之不同，就是还需面对自工地而来的 技术支持需求。这也是因为目前最新科技材料 必须由良好的施作知识才能发挥良好效果。 因此，施工营造商、材料供货商以及施工顾问 间的合作始能创造良好的施工结果。 2.预先灌注预先灌注 2.1预先灌注工法案例预先灌注工法案例 如果在TBM潜盾隧道施工过程中，可以预期前 方将遭遇困难地质时，预先灌注工法相形重 要。 在此情形下，解决的时机是工地工程师最主要 关心的问题。而对于此情形的一些典型的状况 如下 在TBM潜盾机前方出现断层带并有高水压 瓦斯或有害气体出现于在TBM潜盾机周围 在TBM潜盾机前方出现孔洞所造成之不稳 定地盘 硬岩型TBM潜盾机遭遇软弱土壤 其它各种不同之困难情形 因此预先灌注的目标及是对上述可预期发生之 施工状况作良好的准备，以期解除或降低困 难。下列图2为TBM隧道施工所发生的困难状 况。 地下水入侵 Heavy water increase 切削盘前之断层带Fault zone in front of cuter 图图2 TBM隧道施工所发生的困难状况 Fig 2 Difficult conditions encountered during construction of TBM 2.2适合的施工材料适合的施工材料 施工材料的选择将完全取决于工地的环境条 件。大多数的情形来说是灌浆施工时机及在 TBM潜盾机内有限的施工空间。因此施工简单 之材料且以小型或中型施工设备所组合之施工 方法就提供相当的便利性。除此之外，为缩短 灌浆施工时间，尽快恢复后续掘进作业，提升 施工效率，灌浆材料的100完成反应时间便显 的相当重要。因此在TBM潜盾隧道施工的预先 灌注工法中使用Isocyanate resins 及 Polyurethane在过去数年中已取得许多成功的案 例。此二类化学灌浆施工材料可提供相当广泛 的运用及优势，如下表[1] Properties OM Resins3PU Resins4 Material Perance Cross-linkage of two components in an exact mixture proportion. OM does not react in contact with water. Cross-linkage of two components in an exact mixture proportion. PU reacts in contact with water and tends to foam. Material Setting several minutes min. 45 sec. up to several hours Injection System Small pump with Packer or Bolting System Application Range Cavity Filling Rock Consolidation Rock Bolting Water Sealing Rock Consolidation Gas Sealing Excavation work Easy to cut Brittle as foam No problem with bentonite slurries Difficult to cut Keeps flexibility with high strength Not suitable in contact with bentonite slurries 3 OM Resins Organo mineral resin is a special sodium silicate with additives in combination with a modified polyisocyanate 4 PU Resins Polyurethane resin is a mixture of various polyoles in combination with a polyisocyanate V. Chien, T. Tatzki Page 3 of 5 3.修补灌注修补灌注 3.1修补灌注之案例修补灌注之案例 对于在TBM潜盾隧道施工过程中的损坏修补工 作通常是相当困难，而且也对工地的施工造成 不小的施工压力。本文仅就对于TBM潜盾机的 维护修补灌注作一叙述。世界上有数个TBM潜 盾隧道工地以Acryl ate gel 灌浆修补 TBM 损坏 的盾尾封条、或者掘削刀头的维护修补灌浆、 或者对于损坏之衬砌环片更换过程之修补灌 浆。 对于上述施工情形，所采用的灌浆材料必须具 备快速凝结之特性，并且对于TBM机体不产生 胶结卡死情况，也不可将环片与土壤胶凝。 更进一步的需求则依工地的特性。如一工地就 对于潜盾机盾尾Acryl ate gel灌浆工作后，TBM 必须能移动一小段距离。此案例之需求则对于 所采用的灌注材料有着极高要求。 3.2适合的施工材料适合的施工材料 Acryl ate gels 提供了此一类施工需求令人满意 的施工结果，其胶凝后之胶体如图3。这种施工 灌注工法可运用于干或有地下水的地质情形， 而相关的施工设备亦相当简单好操作。 此胶体灌浆相当的优点就是反应完成后之材料 完全不会对TBM机体造成损害，对于后续的操 作也不会有影响。而且材料本身的反应时间可 以调整，提供了相当广泛的运用。 图3 胶凝后之胶体 Fig. 3 Gel body after setting 4.后续灌注后续灌注 4.1后续灌注之案例后续灌注之案例 后续灌注工法相较于预先灌注工法，主要后续 灌注通常的对象是修复混凝土衬砌环片，或者 是应用于竖井直坑的灌浆技术。最典型的案例 即是对于衬砌环片的裂缝或损坏的接缝进行修 复。下列图4为一损坏的衬砌环片。其它常见且 典型的案例则是对于预埋于混凝土结构接缝中 之灌浆管以及隧道防水膜损坏之灌浆施工方 法。这一类的后续灌注工法则必须依赖一些预 先埋至于结构体的灌浆配件，因此当后续灌注 是必须时，不必要在浪费人工作钻孔作业亦能 进行灌浆作业，达到节省施工成本提高施工效 率之目的。另一常见的施工位置则是潜盾工法 当中的出发井或到达井的镜面。 从以上所列举的施工情形，不难想象对于不同 的状况，如何选择适当的灌浆材料是相当不同 的。 图图4损坏具裂缝之混凝土环片损坏具裂缝之混凝土环片 Fig. 4 Concrete segments with cracks 4.2适合的施工材料适合的施工材料 对于衬砌环片之后续灌注，选择永久性材料是 必须的。近年在欧洲发展出所谓低黏度PU，此 种材料具有长的反应时间，能够渗透进入微细 裂缝且对混凝土有良好的黏结特性。如果在有 水压的状况下，通常会采用二阶段灌注。第一 阶段先以快速反应并发泡的PU进行止水灌浆， 第二阶段再以永久性长反应时间的材料进行灌 浆。这些材料是经过德国政府规范ZTV-ING验 证的。 4.3欧洲规范欧洲规范 接下来提供一些相关于本文化学灌浆的欧洲规 范。所提供参考的这些规范对于不同施工状 况，如何选择适当的灌浆材料有相当的帮助。 ZTV-ING, part 3, chapter 5 Filling of cracks and cavities in concrete components DIN 18195 Water-proofing of buildings, part 1 to 6-August 2000 TL FG-EP, Technical supplier regulation for the material Epoxy resin and the injection system TL FG-EP, Technical supplier regulation for the material Polyurethane and the injection system DS 835.9101, Sealing of constructions with injections, ABI-leaflet 5.结论结论 于隧道工程中使用化学灌浆工法往往相较于传 统的施工方式是另一选择。 就工地不同的需求与条件，化学系列材料提供 了相当广泛的材料选择与运用。而在承包营造 商、材料供货商及施工顾问之间的密切合作不 但可节省工程经费，也可对于施工过程当中所 发生的困难状况提供一适当有效的解决方案。 参考文献参考文献 【【 1 】】 Anthes, F./Barow, U./de Hesselle, J. Acrylatgelsicherung des Bodens zur Reperatur eines Maschinenschadens, 1997 【【 2 】】Najder, T. Rock Grouting in Extremely Geological and Weather Conditions on Iceland, Ostrava 2008 【【3】】N. N. Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fr Ingenieurbauten, Bundesanstalt fr Straenwesen 2003 V. Chien, T. Tatzki Page 5 of 5