基礎(chǔ)灌漿引起地層抬動的機(jī)理分析與控制方法

陳 娟 徐力生

隨著灌漿工程的發(fā)展,用灌漿基本三參數(shù)流量(Q)、壓力(P)、水灰比(W/C)控制優(yōu)化灌漿工藝過程和灌漿質(zhì)量,國內(nèi)外已作大量的研究工作,并用于實踐。同時由于灌漿施工不當(dāng)引起的地層抬動,也逐漸引起了關(guān)注。地層抬動參數(shù)是灌漿效果的一個重要影響參數(shù),控制好地層抬動是灌漿施工中避免造成破壞的關(guān)鍵,抬動控制成為灌漿設(shè)計中必須考慮的問題。

1 工程概述

某水電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,擬建壩高261.5 m,裝機(jī)容量5 850 MW,左岸為地下發(fā)電系統(tǒng),由主廠房、主變室、尾水洞等龐大而復(fù)雜的地下洞室群組成。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

左岸壩區(qū)基巖地層主要為二疊紀(jì)～三疊紀(jì)花崗巖體(γ34～γ15)及輝綠玢巖脈(Vπ);三疊系中統(tǒng)懷組下段(T12m)及第四系。節(jié)理裂隙主要為:1)N25°～ 50°E,NW∠80°～ 90°延伸長大于 1 000 m,帶寬 2 m～ 6 m,由碎裂巖、角礫巖等組成。2)N14°～ 30°E,SW∠50°～68°延伸長大于800 m,帶寬0.5 m～1.8 m,上下裂面起伏不平,上寬下窄,由碎裂巖、石英脈透鏡體等組成。3)N0°～ 22°E,SW∠42°～58°延伸長大于 660 m,帶寬 0.5 m～1.2 m,由角礫巖、碎斑巖等組成,局部有碎粉巖。

1.2 結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)分級

結(jié)構(gòu)面工程地質(zhì)分級的原則是依據(jù)其宏觀上的性狀差異進(jìn)行劃分,主要分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類。左岸工程區(qū)巖體質(zhì)量一般為Ⅱ類,Ⅲ類巖體,出現(xiàn)少數(shù)Ⅰ類巖體。

2 各因素影響下的抬動機(jī)理分析

2.1 灌漿壓力

灌漿壓力是指作用到灌漿段上的實際壓力。假設(shè)在地表以下一定位置有一條水平的裂隙,施以不同的灌漿壓力,得到注漿量、抬動值及彈模改善量等灌漿檢驗效果參數(shù)與灌漿壓力的關(guān)系,見圖1～圖5。

圖1中的曲線存在著拐點,對應(yīng)著灌漿過程中的兩個過程:漿液的擴(kuò)散半徑小于裂隙長度時的灌漿過程和擴(kuò)散半徑等于裂隙長度時的灌漿過程,在壓力較小時,漿液的擴(kuò)散半徑小于裂隙的長度,灌漿壓力與地表抬動值存在著曲線關(guān)系,若用二次函數(shù)來擬合,其相關(guān)系數(shù)R2能達(dá)到0.999 8。隨著壓力的增大,漿液的擴(kuò)散半徑等于裂隙的長度,如圖2所示,此時漿液充滿了整個裂隙,灌漿壓力同地表抬動值存在著線性關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)能達(dá)到0.999 998。

在拐點之前,灌漿壓力與由巖體變形引起的注漿量存在著非線性關(guān)系,若用二次函數(shù)來擬合,其相關(guān)系數(shù)R2能達(dá)到0.999 5以上,如圖3所示。

在拐點之前,地表抬動值與漿液擴(kuò)散半徑的關(guān)系也是非線性的,若用二次函數(shù)來擬合,其相關(guān)系數(shù) R2能達(dá)到0.999 8以上,如圖4所示。

在拐點之前,由巖體變形引起的注入量與漿液擴(kuò)散半徑的關(guān)系也是非線性的,若用二次函數(shù)來擬合,其相關(guān)系數(shù)R2能達(dá)到0.999 5以上,如圖5所示。

由以上分析,說明在其他灌漿基本條件一致的情況下,灌漿壓力與地表抬動值、巖體變形引起的注漿量存在以下關(guān)系:1)灌漿壓力同地表抬動值在拐點前成非線性關(guān)系,在拐點后成線性關(guān)系。2)灌漿壓力在拐點之前同由巖體變形引起的注漿量成多次曲線關(guān)系,在拐點之后成線性關(guān)系。

2.2 灌漿注入量

灌漿單位注入量和灌漿壓力一樣,與抬動變形之間有著密切的關(guān)系。注入量較大時,有利于漿液的擴(kuò)散,但注入量過大,又會使?jié){液來不及擴(kuò)散,產(chǎn)生擴(kuò)張壓,引起抬動變形。當(dāng)灌漿壓力很小而單位注漿量很大時,注入的漿體所具備的能量仍然很大,同樣有可能造成抬動破壞。

2.3 混凝土蓋板

在廊道做灌漿施工時,要嚴(yán)格使蓋板與基巖保持緊密的結(jié)合。混凝土蓋板對抑制灌漿壓力引起的抬動有一定的作用,但是當(dāng)灌漿壓力超過一定值時,抬動引起蓋板開裂將不可避免。假設(shè)漿液擴(kuò)散在層面內(nèi)1 m2的范圍內(nèi)充滿漿液,首段灌漿壓力取值為0.2 MPa,那么在這1 m2的范圍內(nèi)產(chǎn)生的上舉力為:

設(shè)混凝土蓋板容重為2 800 kg/m3,則需要混凝土蓋板的厚度:

一般情況下,60 cm～120 cm厚的混凝土蓋板根本無力承受這么大的力量,當(dāng)然層面的實際連通情況會斷斷續(xù)續(xù)的,產(chǎn)生的上舉力相對較小,但是這種力量仍不可忽視。

3 抬動控制方法

3.1 灌漿壓力的控制

灌漿施工時,一般使用較高的壓力,左岸Ⅰ類,Ⅱ類結(jié)構(gòu)面中存在著易于劈裂的層面、軟弱巖帶和潛在的不連續(xù)面等,它們在高壓力作用下,一方面能使?jié){液更好的壓入巖層中的小裂隙和空洞,獲得較大的擴(kuò)散范圍,使得在孔距相對增大時,一樣能滿足要求,同時也使鉆孔數(shù)目減少,施工經(jīng)濟(jì),工期縮短。另一方面使用較高的壓力提高了水分從漿液中析出的速度,有利于漿液凝結(jié)密實,提高結(jié)石強(qiáng)度,增強(qiáng)防滲穩(wěn)定性能。

但灌漿壓力也不能過大,壓力過大,會使巖石裂隙擴(kuò)寬,甚至產(chǎn)生新的裂隙,使原來的地質(zhì)條件惡化,以致抬動變形。

適宜的灌漿壓力,既要大到保證使地層孔隙得到充分的灌注,又要不致給底層帶來不利影響。左岸工程區(qū)地下廠房帷幕灌漿利用拐點前增大壓力以提高灌入能力是可行的,尤其是在鉆孔達(dá)到較深灌漿段時,可以大幅度增大灌漿壓力。

工程按最初要求設(shè)計最大壓力為6.0 MPa,最初設(shè)計值見表1,施工中根據(jù)具體條件及所用漿液等情況做出調(diào)整,見表2。

表1 帷幕灌漿壓力初值表

表2 帷幕灌漿壓力調(diào)整值表

3.2 灌漿注入量的控制

灌漿注入量對于巖體地層抬動的影響也很明顯,因此為了防止抬動有必要進(jìn)行灌漿限量控制。即控制每一灌漿段的注入水泥量。左岸灌漿施工區(qū)Ⅲ類結(jié)構(gòu)面存在一些巖體含有細(xì)微裂隙或天然防滲性良好,透水率不大于1.0Lu的地區(qū),一般說這部分裂隙可灌性較差,造成帷幕灌漿不吸漿狀況,可適當(dāng)降低灌漿注入量和灌漿壓力,避免造成裂隙擴(kuò)大引起抬動變形,破壞地層條件。

3.3 多次灌漿填充

混凝土蓋板對抬動有一定的抑制作用,但壓力過大時,混凝土蓋板仍會開裂。解決方案為:1)在不引起蓋板抬動的條件下通過多次灌漿充填蓋板與基巖的接觸面,減少蓋板抬動的受力面積。2)配以錨桿加固,對蓋板變形部位采取打錨桿的措施,為增加錨桿與基巖的連接強(qiáng)度,在錨桿上加焊阻力環(huán)。

3.4 抬動變形觀測

在左岸某灌漿施工廊道內(nèi)應(yīng)用了自動化抬動觀測裝置,該裝置的結(jié)構(gòu)見圖6,在進(jìn)行抬動絕對值測量時,通常是在灌漿孔周圍(灌漿能影響到的范圍內(nèi))打一個或幾個鉆孔作為抬動觀測孔,并埋置抬動觀測裝置。該裝置選用了傳感器代替常用的千分表測量位移,傳感器測量精度 0.001 mm,測量范圍:0.001 mm～10 mm,設(shè)計要求的抬動變形最大值小于1 mm。

4 結(jié)語

由于灌漿工程是隱蔽工程,灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到大壩和基礎(chǔ)的安全,因此,在灌漿工程中控制地層抬動將成為確保灌漿質(zhì)量,提高工作效率的發(fā)展趨勢。

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