超高滲透壓力下無蓋重固結(jié)灌漿施工技術(shù)研究

蔡海燕

(中國水利水電第七工程局 成水公司，成都611730)

錦屏二級水電站工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房等永久性建筑物組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。引水隧洞最大埋深2 525 m、最高地下水位約2 623 m，最大壓力水頭1 100 m左右。根據(jù)三維應(yīng)力場初始地應(yīng)力場反演回歸分析，在隧洞高程1 600 m處最大主應(yīng)力為70.1 MPa，最小主應(yīng)力30.1 MPa。由此可知，在如此惡劣地質(zhì)條件下，加上隧洞圍巖及封閉隧洞周邊巖體裂隙的影響，隧洞圍巖的整體性和抗變形能力將受到極其嚴峻的考驗。因此，必須采取諸如固結(jié)灌漿等工程措施對隧洞圍巖進行加固以增強圍巖抗?jié)B能力和長期滲透穩(wěn)定性，從而確保整個錦屏工程安全及順利竣工。

為減小內(nèi)側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)上的外水壓力和滲透梯度，防滲高壓固結(jié)灌漿，利用在滲透水壓力作用下結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)與所受滲透壓力成反比的滲流力學基本原理，通過合理的圍巖固結(jié)灌漿設(shè)計，實現(xiàn)隧洞外層圍巖固結(jié)灌漿圈滲透系數(shù)較小，相應(yīng)承擔的外水滲透壓力大;內(nèi)層固結(jié)灌漿圈滲透系數(shù)較大，相應(yīng)承擔的外水滲透壓力小。即達到隧洞圍巖滲透系數(shù)由外到內(nèi)逐層遞增，滲透水壓力由外到內(nèi)逐層遞減的效果，使圍巖固結(jié)灌漿圈成為承載高外水壓力的主要結(jié)構(gòu)。

本文以錦屏二級水電站引(4)14+870～引(4)14+920洞段為研究對象，采用防滲無蓋重高壓固結(jié)灌漿技術(shù)，通過現(xiàn)場試驗等手段確定出超高滲透壓力下合理的灌漿參數(shù)和灌漿工藝，使灌漿在周邊形成一定深度的灌漿加固圈，成為隧洞承載和防滲阻水的主要結(jié)構(gòu)。

1 灌漿鉆孔參數(shù)及布孔型式

1.1 鉆孔參數(shù)

依據(jù)灌漿理論與方法[1]，確定灌漿鉆孔參數(shù)為:固結(jié)灌漿鉆孔孔徑 φ56 mm，孔深12 m;檢查孔孔徑φ56 mm(取芯孔孔徑 φ76)，孔深11 m;彈性波檢測孔孔徑 φ56 mm，孔深12 m;先導孔孔徑φ76 mm;抬動觀測孔孔徑φ91 mm，孔深12 m;漿液擴散半徑檢測孔孔徑 φ76 mm，孔深12 m。

引(4)14+870洞段上游側(cè)距橫向通風洞5 m，為減少在高壓灌漿時橫向通風洞發(fā)生串漿現(xiàn)象，在靠通風洞上游側(cè)布置20個向下游偏10°的灌漿孔，每排5孔×4排=20孔。斜孔孔深12.185 m，斜孔孔底偏離原灌漿孔孔底2.16 m。

采用最大壓力超過1.5倍灌漿壓力的高壓灌漿泵，額定壓力達30 MPa，可以確保在6 MPa灌漿壓力下性能穩(wěn)定地工作，其性能參數(shù)列于表1。

表1 高壓注漿泵性能參數(shù)

1.2 鉆孔類型與布置方法

參照灌漿技術(shù)方法[2]，灌漿孔主要有先導孔、抬動觀測孔、聲波測試孔和漿液擴散半徑測試孔等，布置方法有所不同。

1.2.1 先導孔

在無蓋重防滲固結(jié)灌漿段布置17個先導孔，鉆孔直徑為φ76 mm。

1.2.2 抬動觀測孔

1)抬動觀測孔布置

在無蓋重高壓固結(jié)灌漿區(qū)布置7個抬動觀測孔，其位置依據(jù)地質(zhì)條件而定。

2)抬動觀測孔安裝

抬動觀測孔采用 XY－2PC鉆機鉆孔，鉆孔孔深12 m，抬動觀測裝置安裝步驟如下:①抬動孔底部0.6 m用0.5∶1水泥漿充填，隨即在孔內(nèi)下置一根φ25 mm鋼管，管底部0.6 m處焊接對中圓形鋼板，鋼板上設(shè)置一橡膠柱。②在 φ25 mm鋼管外套一根 φ50 mm鋼管，鋼管底部與橡膠柱緊密接觸，用1∶1油膏和粉細砂充填φ50 mm鋼管外壁與孔壁間的環(huán)狀間隙，充填段長各1 m。再在φ25 mm鋼管上端連接一根長25 cm的橫向鋼管。③在該孔附近30 cm處的基巖面安裝TDGC－2009型自動監(jiān)測裝置(見圖1)。

圖1 抬動觀測傳感器安裝

3)抬動變形觀測

①在壓水試驗、灌漿前、灌漿期間，監(jiān)測被灌巖體的抬動情況。②設(shè)有抬動變形觀測部位，其觀測孔臨近的灌漿孔段在裂隙沖洗、壓水試驗及灌漿過程中均進行觀測。③抬動變形采用TDGC－2009型抬動監(jiān)測記錄儀進行實時觀測，每隔10 min記錄一次讀數(shù)。④使用的TDGC－2009型抬動監(jiān)測記錄儀，應(yīng)經(jīng)常檢查，確保其靈敏性和準確性。⑤抬動變形觀測派專人進行觀測記錄。在裂隙沖洗、壓水試驗及灌漿等作業(yè)過程中，當變形值接近200 μm或變形值上升速度較快時，應(yīng)及時報告各工序操作人員采取降低壓力措施，防止發(fā)生抬動破壞。⑥ 灌漿過程中嚴密監(jiān)視抬動裝置TDGC－2009型抬動監(jiān)測記錄儀的情況變化。當累計抬動值 <100 μm時，灌漿壓力的升降過程按規(guī)定執(zhí)行;當100 μm≤累計抬動值 <200 μm時，灌漿升壓過程嚴格控制注入率小于10 L/min，如果累計抬動值不再上升，逐級升壓，否則停止升壓;當累計抬動值≥200 μm時，停止灌漿，待凝8 h后掃孔復灌。

4)抬動監(jiān)測系統(tǒng)及傳感器安裝

抬動監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是傳感器將觀測部位抬動值檢測出來，并傳送到記錄儀，記錄儀在抬動值<10 μm時，不做記錄，當抬動值每增加10 μm時，記錄儀將以班報的形式產(chǎn)生一條記錄。當抬動值增加超過設(shè)定報警值時(例如:100μm時)，報警器將報警。

1.2.3 聲波測試孔

在灌前和灌后，聲波測試孔按固結(jié)灌漿孔數(shù)的5%布置，灌前聲波孔數(shù)量為21個孔，完成鉆孔并清洗后進行單孔聲波測試。聲波測試孔鉆孔直徑為φ56 mm，孔深為12m。當聲波孔為水平孔時，鉆孔角度從水平方向下傾5°。

1.2.4 漿液擴散半徑測試孔

利用固結(jié)灌漿鉆孔測定漿液擴散半徑，測試擴散半徑與灌漿結(jié)束標準以及漿液水灰比的關(guān)系，為確定灌漿孔間距、灌漿結(jié)束標準提供參考。漿液擴散半徑測試孔鉆孔直徑為φ76 mm，孔深為12 m(取芯)。

1.2.5 鉆孔布孔形式

4#引水隧洞布孔形式見表2，4#引水隧洞灌漿孔布置如圖2所示。

表2 4#引水隧洞無蓋重高壓固結(jié)灌漿布孔形式

圖2 灌漿孔布置

2 灌漿工藝及其施工

按灌漿技術(shù)［3－4］，結(jié)合錦屏工程實際情況，確定以下灌漿工藝以及灌漿水灰比和漿液變換原則等相關(guān)參數(shù)。

2.1 固結(jié)灌漿工藝流程

施工準備→底板右半幅灌漿孔的孔口段鑲鑄孔口管并進行0～4 m段灌漿→底板右半幅奇數(shù)排中奇數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板右半幅奇數(shù)排中偶數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板右半幅偶數(shù)排中奇數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板右半幅偶數(shù)排中偶數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板左半幅灌漿孔鑲鑄孔口管及鉆孔灌漿施工(與底板右半幅灌漿孔施工順序類似)→邊頂拱鉆孔灌漿施工(除個別孔鑲鑄孔口管外，其它邊頂拱的灌漿孔與底板灌漿孔施工順序類似)→固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查(底板孔先施工完成，先進行檢查)→補灌(如需補灌)→補灌后檢查。

2.2 施工程序

施工準備→試驗洞段平場→施工平臺搭設(shè)→固結(jié)灌漿鉆孔(含灌前聲波孔、先導孔、抬動孔及鑲鑄孔口管等)→固結(jié)灌漿施工(含漿液擴散半徑測定孔)→固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查(壓水試驗或灌后彈性波檢測)→補灌(如需補灌)→補灌后檢查。

2.3 灌漿段長及壓力

無蓋重固結(jié)防滲灌漿(邊頂拱0～4 m段不灌漿，但根據(jù)圍巖條件擇機進行灌漿，并鑲鑄孔口管)分段長度和壓力選擇見表3。

表3 無蓋重固結(jié)防滲灌漿分段長度和壓力(孔深12 m)

2.4 灌漿水灰比和漿液變換原則

1)漿液配比

地下水發(fā)育洞段水泥漿液可采用水灰比為1∶1至0.5∶1的純水泥漿液。水泥砂漿水灰比(0.38～0.42)∶1(可根據(jù)需要摻加速凝劑、高效減水劑等獲得批準的外加劑)，水泥∶砂為1∶(1～0.8)，砂礫石直徑不大于2.5 mm。當吸漿量大時，還可在水泥砂漿中摻入瓜米石，瓜米石直徑不大于15 mm，水∶水泥∶砂∶瓜米石，配合比采用(0.38 ～0.5)∶1∶1∶1。

2)漿液變換原則

①當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少或當注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時，不改變水灰比。② 當某一比級漿液注入量已達300 L以上，或灌注時間已達30 min，或當注入率大于30 L/min時，且灌漿壓力和注入率均無顯著改變時，則改濃一級水灰比。③當注入率達到30 L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。④ 當采用最大濃度漿液施灌，注入率很大而不見減少時，可采用間歇灌漿法或改用砂漿灌注。⑤ 灌漿過程中，由于改變漿液水灰比而使灌漿壓力突增或吸漿量突減，應(yīng)立即查明原因，隨時調(diào)整。⑥當采用某一比級漿液灌注升壓時，圍巖累計抬動值大于0.1 mm而小于0.2 mm時，升壓過程應(yīng)需控制注入率小于10 L/min，如果累計抬動值不再上升，應(yīng)逐級升壓，否則停止升壓，在累計抬動值超過0.2 mm時，應(yīng)停止灌注，待凝8 h后掃孔復灌。

2.5 試驗結(jié)果

1)在奇數(shù)排(Ⅰ序)內(nèi)的偶數(shù)孔，偶數(shù)排(Ⅱ序)的奇數(shù)孔及偶數(shù)孔中，布置的漿液擴散半徑孔在3 m排距內(nèi)4～8 m段的漿液結(jié)石較少，8～12 m段漿液結(jié)石無;在2 m排距內(nèi)的4～12 m段的漿液結(jié)石也較少，說明灌漿的孔距待加密。

2)從灌前壓水試驗結(jié)果可知，3 m排距內(nèi)的平均呂容值約25 Lu，2 m排距內(nèi)的平均呂容值約20 Lu，即3 m排距內(nèi)的平均呂容值(25 Lu)大于2 m排距內(nèi)的平均呂容值(20 Lu)。

3)從水泥灌入量可知，3 m排距內(nèi)的水泥灌入量為282.1 t，平均水泥單耗約258.2 kg/m，沿隧洞洞軸線方向水泥平均單耗為12.5 t/m。2 m排距內(nèi)的水泥灌入量為307.2 t，平均水泥單耗約210.4 kg/m，沿隧洞洞軸線方向水泥平均單耗為14.3 t/m。

根據(jù)灌漿技術(shù)要求，在條件相同情況下，漿液的擴散半徑理論上是一樣的。但此試驗段3 m排距內(nèi)的水泥單耗小于2 m排距內(nèi)的水泥單耗量，即3 m排距內(nèi)的灌漿孔的漿液擴散直徑還沒有達到3 m。

4)3 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔灌前平均呂容值為10.5 Lu，2 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序孔)的偶數(shù)孔灌前平均呂容值為7.9 Lu，即3 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔平均呂容值>2 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔的平均呂容值。說明3 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔灌前呂容值較大，如果在3 m排距內(nèi)加密進行灌漿時，還能灌入水泥漿液，即3 m排距較大。

5)3 m排距內(nèi)的灌后壓水檢查孔平均呂容值為1 Lu，2 m排距內(nèi)的灌后壓水檢查孔平均呂容值為0.5 Lu;3 m排距內(nèi)的環(huán)間壓水檢查孔平均呂容值為1.2 Lu，2 m排距內(nèi)的環(huán)間壓水檢查孔平均呂容值為1.1 Lu。

6)聲波檢查孔:從波速變化情況看，各個檢測孔灌后波速較灌前都有提高，波速增長率范圍為0～43.1%，灌后波速值均大于5 000 m/s，表明檢測段灌漿質(zhì)量良好、灌漿效果明顯，灌漿檢測合格。從增長率情況看，各個檢測孔灌前波速小于5 000 m/s測點的平均增長率為28.8%，灌前波速大于5 000 m/s測點的平均增長率為3.8%，這表明灌漿前巖體波速相對較低測點(段)，灌漿效果最為明顯。

7)灌后取芯孔:由試驗區(qū)21個灌后檢查孔中，選取了2個孔做了取芯鉆孔檢查。從取出的芯樣可看出，試驗區(qū)2個取芯檢查孔中發(fā)現(xiàn)有較多水泥結(jié)石;有的結(jié)石充填于溶蝕裂隙內(nèi)，有的結(jié)石充填于溶蝕小穴內(nèi)，有的結(jié)石為水泥砂漿柱體，最長的水泥結(jié)石柱長為20 cm。說明灌漿后，地層中的溶蝕空腔、溶蝕裂隙、溶蝕小穴等基本充填密實，灌漿水泥結(jié)石效果比較明顯。但窄細裂隙需進一步加密灌漿孔進行灌注。

3 結(jié)論

1)錦屏二級水電站引水隧洞灌漿工程試驗表明，在高地應(yīng)力及超高滲透壓力條件下掘進大斷面隧洞時，采用無蓋重固結(jié)灌漿施工技術(shù)及其布孔參數(shù)與工藝可使圍巖防滲能力得到顯著提高，能夠滿足工程實際需要。即能通過合理的圍巖固結(jié)灌漿設(shè)計，實現(xiàn)隧洞外層圍巖固結(jié)灌漿圈滲透系數(shù)較小，內(nèi)層固結(jié)灌漿圈滲透系數(shù)較大，達到隧洞圍巖滲透系數(shù)由外到內(nèi)逐層遞增，滲透水壓力由外到內(nèi)逐層遞減的效果，使圍巖固結(jié)灌漿圈成為承載高外水壓力的主要結(jié)構(gòu)。

2)因隧洞本身的地質(zhì)、斷面條件以及地下水等條件較為復雜，對無蓋重固結(jié)灌漿施工技術(shù)的灌漿厚度、配漿以及壓力等還有待于進一步研究。

3)根據(jù)無蓋重固結(jié)高壓灌漿階段性成果，為保障無蓋重固結(jié)高壓灌漿正常施工及隧洞圍巖的安全性、穩(wěn)定性及可靠性，建議錦屏二級水電站無蓋重固結(jié)高壓灌漿按孔排距2 m×2 m布置，即排距2 m，孔距2 m。

[1] 蔡勝華，黃智勇，董建軍，等.注漿法［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

[2] 沈春林.地下防水工程實用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 馬國彥，常振華.巖體灌漿排水錨固理論與實踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

[4] 陳豪雄，殷杰.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，1995.

[5] 王安明，陳泰霖，張光哲，等.地面成孔注漿技術(shù)在煤礦巷道堵水中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008(4):35－37.