隧洞固結(jié)灌漿試驗及效果評價

李冠楠（中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710061）

隧洞固結(jié)灌漿試驗及效果評價

李冠楠
（中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710061）

水工過水隧洞開挖完成之后，需進行混凝土襯砌及回填灌漿，再通過固結(jié)灌漿將被裂隙切割的巖石膠結(jié)起來，以提高圍巖的整體性及強度。文章以敦化抽水蓄能電站導流洞（兼泄洪放空洞）為對象，通過兩次現(xiàn)場試驗，并對兩次試驗效果進行了分析評價，總結(jié)出適合該工程實際的施工工藝、灌漿壓力等施工參數(shù)。

水工隧洞；固結(jié)灌漿；現(xiàn)場試驗

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站工程在右岸山體內(nèi)布置導流洞（兼泄洪放空洞），洞室斷面尺寸為3.5 m×5 m（寬×高），城門洞型。

全部有壓段及部分無壓段，采用C30W6F300混凝土進行襯砌，有壓段泄0+020~泄0+154.5，襯砌混凝土厚度為50 cm，無壓段自泄0+206.5進行襯砌，泄0+206.5~泄0+336.5襯砌混凝土厚度為50 cm，泄0+336.5~泄0+356.50襯砌凝土厚度為1 m。全部有壓洞段及部分無壓段（泄0+296.5~0+ 356.500）進行填及固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿在回填灌漿完成且檢查合格之后進行，通過現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗最終確定隧洞固結(jié)灌漿參數(shù)。

2 試驗區(qū)位置、目的及檢查標準

2.1 試驗區(qū)位置

按照灌漿試驗的地點應具有代表性，地質(zhì)條件復雜的工程應布置多個試區(qū)，進行多次試驗的原則[1]。先期在隧洞出口段Ⅳ類圍巖區(qū)進行試驗，試驗段樁號為泄0+326.5~泄0+336.5，排號為8~ 11，灌漿孔排距、孔距按設計要求布置，為避免鉆孔對襯砌鋼筋的破壞，隧洞襯砌混凝土澆筑時，根據(jù)測量資料，采用預埋管對灌漿孔進行了定位，排距為3 m，每排布置5個灌漿孔，梅花形布置，孔深入巖3 m。

初次試驗灌后檢查孔壓水結(jié)果未滿足設計小于0.03 l/(min.m.m)的標準，因此，再次選定泄0+ 296.5~泄0+326.5段繼續(xù)進行生產(chǎn)性試驗，排號為12~21，灌漿孔間排距、孔深、孔向、孔數(shù)等未發(fā)生變化，按原設計要求布置。

2.2 試驗目的

主要為驗證固結(jié)灌漿方式灌漿壓力以及在擬定壓力下襯砌混凝土是否會發(fā)生抬動變形，最終確定適宜的灌漿質(zhì)量檢查方法和檢查標準，以期更好的指導現(xiàn)場施工。

2.3 質(zhì)量評價標準

施工質(zhì)量評價標準見表1。

表1 質(zhì)量評價標準

1）巖體彈性波波速測試采用單孔聲波法，灌前聲波檢測孔結(jié)合Ⅰ序灌漿孔進行布置，固結(jié)灌漿結(jié)束后，通過原孔掃孔進行灌后檢測，在該部位灌漿結(jié)束14 d后進行。在圍巖較好的洞段，若灌前聲波值較高，提高率可做適當調(diào)整。

2）壓水試驗宜在該部位灌漿結(jié)束3 d后進行，檢查孔的數(shù)量不宜少于該單元灌漿總孔數(shù)的5%。壓水檢查孔布置在灌前壓水透水率異常的孔附近。

3 施工工藝

1）鉆孔順序：抬動觀測孔 Ⅰ序孔Ⅱ序孔灌后檢查孔。

2）抬動觀測：試驗區(qū)布置抬動觀測孔，孔深入巖3.5 m，采用千（百）分表進行變形觀測，所有孔段從裂隙沖洗至灌漿結(jié)束期間均連續(xù)進行抬動變形觀測。

3）裂隙沖洗及壓水試驗：試驗區(qū)所有孔段均進行裂隙沖洗，沖洗完成后進行正規(guī)單點法壓水，裂隙沖洗壓力、沖洗時間均滿足規(guī)范要求。

4）灌漿方式：按環(huán)間加密、環(huán)內(nèi)分序的施工原則，采用孔內(nèi)預埋管循環(huán)法進行試驗，全孔段一次性灌注。

5）灌漿壓力：初定Ⅰ序孔壓力為0.6 MP，Ⅱ序孔壓力為1.0 MP。

6）灌漿水灰比比級：水灰比初定為2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1四個比級，以2∶1作為開灌水灰比。

7）其他：漿液變換標準、灌漿結(jié)束標準、封孔等按規(guī)范要求執(zhí)行。

4 初次試驗效果分析

4.1 單位注入量分析

I序孔、II序孔單位注入量平均值分別為1406.2 kg/m、372.3 kg/m，在I序孔完成灌漿之后，II序孔注入量呈明顯遞減趨勢，降低降幅達到73.5%；此外，II序孔水泥總注入量為11 170.2 kg，相較 I序孔的42 184.9 kg減少了31 014.7 kg，說明I序孔灌漿完成之后，地層空隙得到有效充填。

4.2 壓水成果分析

I序孔、II序孔灌前壓水透水率平均值分別為0.876 4 l/(min.m.m)、0.286 1 l/(min.m.m)，透水率數(shù)值減小幅度為67.4%；II序孔灌前單孔透水率數(shù)值較I序孔均明顯減小，灌前透水率數(shù)值分布更加均勻、變化幅度更小。

灌后檢查孔透水率分別為0.070 4 l/(min.m. m)、0.040 8 l/(min.m.m)，與灌前各序孔單孔透水率、透水率平均值比較，呈現(xiàn)出明顯減小的特點，減小幅度亦較大。

從以上數(shù)據(jù)變化來看，灌后II序孔單位注入率、透水率均呈現(xiàn)明顯降低的規(guī)律，說明灌漿取得了一定的成效。但檢查孔壓水成果均大于0.03 l/ (min.m.m)，不滿足設計標準，試驗未取得理想效果，試驗結(jié)果不能用于指導正式生產(chǎn)施工。

5 灌后透水率大的原因及采取的措施

5.1 原因分析

1）圍巖完整性好。采用公式Kv=（vp/vpτ）2對巖體完整性系數(shù)Kv進行計算[2]，vp~巖體縱波速度，m/s；vpτ~新鮮完整的巖體縱波波速，m/s。泄0+020~泄0+322段，圍巖條件整體較好，圍巖級別為I、II類，總長約為221 m，占到測試長度的73.1%，主要發(fā)育張開度小的微裂隙，僅在局部區(qū)域受地質(zhì)條件及開挖爆破影響發(fā)育較寬大裂隙。若繼續(xù)采用2:1的漿液作為開灌水灰比，漿液可能無法進入微裂隙，僅在裂隙表面沉淀，造成吃漿量較小、滿足結(jié)束標準的假象，在壓水檢查時透水率可能會不合格。

2）圍巖可灌性較差。地層中的空隙可分為片狀空隙、脈狀和洞穴狀空隙以及蜂窩狀空隙三種類型[3]，漿液在不同類型空隙中的流動存在差異，該工程進出口段巖體存在不同程度的風化現(xiàn)象，主要發(fā)育蜂窩狀空隙，漿液在此類空隙中流動時速度及壓力衰減更快，漿液會在較短距離內(nèi)沉積，發(fā)育此類空隙的圍巖可灌性較差。初次試驗I序孔灌漿壓力為0.6 MPa，灌漿壓力可能較小，在此壓力下，漿液的輻擴散半徑受到限制，在灌漿孔間排距固定的情況下，各孔之間可能存在薄弱部位，導致壓水結(jié)果不合格。

5.2 采取的措施

選泄0+296.5~泄0+326.5段再次試驗，對相關參數(shù)進行了適當調(diào)整。

1）以更稀得漿液作為開罐水灰比。漿液比級由原來的四級調(diào)整為五級，即3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1，開灌水灰比調(diào)整為3∶1。

2）在不破壞襯砌混凝土的前提下，適當提高灌漿壓力，增大漿液的有效擴散半徑。I序孔灌漿壓力增至0.8 MPa，II序孔壓力不作調(diào)整仍為1 MPa。

3）單純以透水率來判斷固結(jié)灌漿效果，不能直觀反映巖體力學強度的變化。因此，在新的試區(qū)增加灌前灌后彈性波波速檢測來進一步驗證灌漿質(zhì)量。

6 參數(shù)調(diào)整前后灌漿效果的對比分析

6.1 單位注入量分析

調(diào)整后，I序孔單位注入量最大值、最小值、平均值分別為424.9 kg/m、7.1 kg/m、154.83 kg/m；II序孔單位注入量最大值、最小值、平均值分別為107.8 kg/m、3.9 kg/m、28.3 kg/m。II序孔單位注入量平均值較I序孔減少81.7%，單位注入量遞減規(guī)律明顯，各序孔的單位注入量平均值均小于初次試驗數(shù)值。

6.2 壓水成果分析

1）灌前壓水成果：對兩次試驗灌前透水率數(shù)值分布區(qū)間進行了統(tǒng)計分析，初次試驗中，I序孔透水率數(shù)值分布區(qū)間較為集中，大于0.3 l/(min.m. m)的孔段，其累計分布頻率達到90%；I序孔灌漿完成后，II序孔透水率數(shù)值大小有所改觀，大于0.3 l/(min.m.m)的孔段累計分布頻率雖有所降低，但仍達到30%，而小于0.1 l/(min.m.m)的孔段其累計分布頻率更是為0；調(diào)整后，在新試驗區(qū)I序孔、II序孔透水率數(shù)值小于0.15 l/(min.m.m)的孔段，其累計分布頻率分別為40%、88%，說明微小裂縫得到有效充填。

另一方面，參數(shù)調(diào)整后I序孔灌前透水率平均值由之前的0.876 4 l/(min.m.m)減小到0.275 3 l/ (min.m.m)，II序孔透水率平均值由之前的0.286 1減小到0.071 7 l/(min.m.m)，II序孔灌前透水率平均值較I序孔降幅達74.0%，降幅明顯。

2）灌后檢查孔壓水：在試驗區(qū)共布置四個灌后檢查孔，透水率最大值、最小值、平均值分別為0.022 7 l/(min.m.m)、0.008 9 l/(min.m.m)、0.016 l/ (min.m.m)，檢查孔壓水結(jié)果均滿足設計標準。

綜上，調(diào)整開灌水灰比、增大I序孔灌漿壓力之后，在更大的壓力及更稀的水泥漿液條件下，漿液的有效滲透半徑愈大，并且漿液能夠進入更細微的裂隙，對提高灌漿質(zhì)量更有利。

6.3 聲波檢測成果分析

在試區(qū)共布置三個孔，進行原孔灌前灌后聲波測試，聲波測試采用單孔法。從檢測結(jié)果來看，灌前14-1-5及15-1-4號孔的波速變化范圍較大，在不同深度上，各孔段灌前波速幾乎均未達到4 000 m/s，且存在明顯的低速段；20-1-3號孔灌前波速相對較高。灌漿完成后，各孔段波速在不同深度上較灌前均有了明顯提高，說明灌漿效果良好，灌漿對低速段改善效果明顯，圍巖整體性及強度均提高，加固效果理想。

檢查孔灌后，聲波平均值分別為4 465 m/s、4 314 m/s、4 339 m/s，相對提高率分別達到11.1%、17.8%、20.9%，灌后波速平均值及相對提高率均滿足了設計標準。

6.4 抬動變形觀測

抬動變形允許值為200 μm，兩次試驗過程中，所有孔從裂隙沖洗、壓水直至灌漿結(jié)束均進行抬動變形觀測，記錄時間為間隔10 min，在提高I序孔灌漿壓力及最大壓力下，均未發(fā)生抬動變形破壞。

7 結(jié)語

1）當圍巖完整性較好（以I、II類圍巖）、微小裂隙發(fā)育時，通過提高灌漿壓力、以3∶1的水灰比開灌，能使微裂隙得到有效的充填，更有利于提高灌漿質(zhì)量。

2）當頂拱襯砌混凝土厚度在50 cm時，I序孔壓力，采用0.8 MPa，II序孔采用1 MPa，不會使襯砌混凝土發(fā)生抬動變形破壞，并能保證漿液的輻射范圍。

3）采用新試區(qū)灌漿參數(shù)，的灌后彈性波檢測、單點法壓水檢查灌漿質(zhì)量都是可行的，在上述圍巖條件、灌漿壓力、孔間距及開罐水灰比的條件下，能滿足灌后聲波不小于4 000 m/s的標準，同時，相對提高率能達到5%以上；灌后檢查孔壓水結(jié)果亦能達到 小于 0.03 l/(min.m.m)的要求，表明此次灌漿試驗效果是顯著的。

［1］（DL/T 5148-2012）水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］（DL/T 5010-2005）水電水利工程物探規(guī)程［S］.北京：中國電力出版社，2005.

［3］張景秀.壩基防滲與灌漿技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2000.

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2016-10-21