小斷面裸巖隧洞超高壓灌漿試驗研究

許啟云，周光輝

(浙江華東建設工程有限公司，浙江杭州310030)

1 概述

天荒坪第二抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)境內(nèi)，電站樞紐建筑物主要由上水庫(壩)、下水庫(壩)、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及地面開關站等組成。其中下水庫位于山河港中下游河段，壩址位于天荒坪抽水蓄能電站下水庫壩址下游2.9 km河段。輸水系統(tǒng)及地下廠房、主變洞置于山河港右岸山體內(nèi)，上、下庫之間的水平距離約2.5 km，天然落差約730 m，是擬建電站重要建筑物之一。

水工隧洞超高壓灌漿的目的是加固隧洞圍巖、封閉隧洞周邊巖體裂隙，提高隧洞圍巖的整體性和抗變形能力，增強圍巖抗?jié)B能力和長期滲透穩(wěn)定性。為探索隧洞周邊巖體裂隙通過水泥灌漿，其裂隙面受灌漿壓力作用而被壓緊，成為閉合狀態(tài)。依據(jù)設計要求，擬在天荒坪PDX1探洞合適位置進行壓力高達12 MPa的灌漿試驗，通過試驗探索超高壓灌漿施工技術的可行性和相應的施工工藝，獲得合理的灌漿程序和參數(shù)，為高壓水頭大型混凝土襯砌水道灌漿提供實踐依據(jù)。

本試驗區(qū)巖性為流紋質(zhì)角礫熔結凝灰?guī)r。依據(jù)隧洞試驗區(qū)所揭示的節(jié)理(裂隙)發(fā)育情況統(tǒng)計:樁號K0+110～120 m處節(jié)理(裂隙)發(fā)育—較發(fā)育，節(jié)理走向主要為NEE方向的中陡傾角為主，多延伸短，閉合;樁號K0+120～127 m處節(jié)理(裂隙)發(fā)育，節(jié)理走向主要為NE—NEE方向的中陡傾角為主，多延伸長，閉合，NW方向的中小傾角，延伸長，閉合;樁號K0+127～131 m處節(jié)理(裂隙)不甚發(fā)育;樁號K0+131～170 m處節(jié)理(裂隙)較發(fā)育，節(jié)理走向主要為NE—NEE方向的中陡傾角為主，多延伸短，閉合，NWW方向的中小傾角，延伸短，閉合。

由于超高壓灌漿試驗前期輔助工作較多，鉆灌部分工作從2014年6月份正式開始，至11月18日結束，共完成鉆灌工作量900余m，耗用水泥103 t，在整個灌漿施工期間，未發(fā)生過洞壁坍塌、爆管等安全事故，本灌漿試驗最高灌漿壓力達到了15 MPa。

2 灌漿設計布孔及要求

2．1 灌漿設計布孔

依據(jù)設計要求，灌漿分2個區(qū)進行，其中ZG1～ZG5環(huán)為一區(qū)，環(huán)距3 m，其具體樁號為0+130～142 m;而ZG6～ZG10環(huán)為二區(qū)，環(huán)距2 m，具體樁號為0+120～130 m。為實時觀測灌漿試驗區(qū)內(nèi)巖體變形情況，在試驗區(qū)內(nèi)布置3環(huán)抬動孔，另在距離一區(qū)、二區(qū)各5、15 m處，再分別布置1環(huán)抬動觀測裝置，其中灌漿試驗范圍內(nèi)抬動孔深為25 m、試驗區(qū)外抬動孔深為20 m，同時，為了使洞周巖體提高完整性，第1段采取不分環(huán)、不分序進行鉆灌。從第2段開始，采取環(huán)間加密，環(huán)內(nèi)分序的原則。即:

3 m間距孔:1、3、5環(huán)Ⅰ序環(huán)，2、4環(huán)為Ⅱ序環(huán)，呈梅花形布置;然后再環(huán)間分序，如第1環(huán)，1、3、5孔為Ⅰ序孔，2、4、6 為Ⅱ序孔。

2 m間距孔:6、8、10環(huán)Ⅰ序環(huán)，7、9環(huán)為Ⅱ序環(huán)，呈梅花形布置;然后再環(huán)間分序，如第6環(huán)，1、3、5 孔為Ⅰ序孔，2、4、6 為Ⅱ序孔。

整個灌漿試驗區(qū)布孔狀況如圖1所示。

圖1 灌漿試驗區(qū)布孔情況

2．2 灌漿技術要求

灌漿材料以普通水泥為主，漿液水灰比為:由稀漿逐漸變濃的原則，即按 3、2、1、0.8、0.6 五級比級進行灌漿。

灌漿方法:采取自淺而深分段灌漿法。

灌漿壓力:孔口段0.5～3 m，壓力為1.0 MPa;孔深3～9 m段，壓力為5.0～8 MPa;孔深9～15 m段，10～12 MPa;

灌漿結束標準:第1段按1 MPa壓力進行灌漿，當注入率≯1 L/min，持續(xù)灌注30 min結束;第2段按5～8 MPa壓力進行灌漿，當注入率≯1 L/min，持續(xù)灌注20 min結束;第3段按12 MPa壓力進行灌漿，當注入率≯1 L/min，持續(xù)灌注20 min結束。

3 安全防范技術

按《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(DL/T 5148—2012)，對灌漿壓力＞3 MPa的灌漿認定為高壓灌漿。結合本工程第2段開始，灌漿壓力為5 MPa，而實際大部分高達8 MPa，第3段按12 MPa標準結束灌漿，如此之高灌漿壓力，如何確保人員以及設備的安全是本項目的重中之重。

3．1 危險源辨識

為確保灌漿試驗的順利進行，從提高作業(yè)環(huán)境穩(wěn)定性和針對所投入的灌漿設備、器具、連接件等的安全性入手。其中針對隧洞作業(yè)環(huán)境，通過危險源辨識，潛在的危險因素有:

(1)洞內(nèi)成孔施工，人員洞內(nèi)行走時，應防止洞頂松動巖石掉落傷人;

(2)在孔段灌漿過程中，鉆孔周圍巖體松動，導致巖體坍塌，造成人員傷害和機械設備損壞;

(3)超高壓灌漿過程中，灌漿管路及各連接件破損，造成傷人事故;

(4)洞內(nèi)制漿站、灌漿站、鉆機成孔施工均使用動力高壓電，應防止觸電事故的發(fā)生。

3．2 安全防范措施

針對上述潛在風險，為確保洞內(nèi)超高壓灌漿試驗的安全施工，采取以下應對措施。

(1)無論人員進出洞行走還是洞內(nèi)作業(yè)施工，所有人員均正確佩戴安全帽和手電筒。

(2)試驗區(qū)灌漿期間，附近作業(yè)鉆機應停止作業(yè)，即把人員撤離到灌漿區(qū)以外。從人員便于逃生考慮，禁止人員向支洞內(nèi)撤離。同時，防止松動巖石坍塌導致鉆機損壞，在灌漿之前，在鉆機上部用平臺板做安全防護。

(3)為防止超高壓灌漿過程中，灌漿管路及各連接件破損導致漿液噴射傷人，應選用耐壓能力大于最大灌漿壓力1倍以上灌漿管和連接件，另外，在管與管之間連接部位或易受損部位應做防漏漿保護裝置。

(4)動力用電為380 V高壓電，設備用電做到一機一閘和防漏電保護裝置;無論照明、還是動力電，其電線或電纜，均必須沿洞壁懸空架設。

(5)洞內(nèi)配備專職電工或者具有電工證的人員進行接線作業(yè)。

(6)為洞內(nèi)停電而應急供電，在洞口自備75 kW發(fā)電機組1臺。

(7)利用抬動監(jiān)測裝置，在所監(jiān)測電腦中事先設置好抬動報警信號(200 μm)，一旦抬動值超過立即發(fā)出報警信號。

3．3 灌漿機具選擇及安全措施

(1)灌漿設備:本次選擇SNS－130/20型注漿泵和XPB－90E型高壓注漿泵作為超高壓灌漿的施工用泵，通過使用，SNS－130/20型注漿泵可以滿足1～2段的灌漿用泵，即適用于灌漿壓力＜8 MPa的灌漿段;而XPB－90E型高壓注漿泵，先在洞外18 MPa試運行，再結合12～15 MPa的灌漿段灌漿，它具有性能穩(wěn)定、使用維修方便等特點。

(2)灌漿穩(wěn)壓裝置:在水工建筑物地基基礎灌漿工程中，由于所用往復泵受缸數(shù)和柱塞往復次數(shù)影響，致使所輸出流量存在不均勻度，通常當泵實際工作壓力達到額定壓力50%及以上時，安裝在管路中的壓力表指針就會擺動較大(超過規(guī)定值20%)，而依照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(DL/T 5148—2012)，在灌漿鉆孔(段)灌漿期間，要求其壓力表擺動值必須小于20%。為改善管路中壓力表擺動范圍，需要在工作管路中安裝一種大于工作壓力的穩(wěn)壓裝置，為此，按1.25倍安全系數(shù)，灌漿壓力為12 MPa，事先通過理論計算，選用219 mm×10 mm無縫鋼管加工了2只穩(wěn)壓裝置，目的是讓該穩(wěn)壓裝置能承受＞15 MPa的灌漿壓力。該穩(wěn)壓裝置在正式投入使用前，先通過洞外18 MPa通水試驗，觀測各焊接部位沒有變形后，再拿到洞內(nèi)灌漿使用。

(3)壓力控制裝置:為提高灌漿期間的安全性，特制加工了壓力控制裝置(見圖2a)，同時，為解除現(xiàn)場壓力控制人員的恐慌心理，在裝置外面采用薄鋼板進行加固(見圖2b)，該裝置先通過洞外清水18 MPa的壓力試驗，再拿到洞內(nèi)進行灌漿實際使用。

圖2 壓力控制裝置

(4)75水壓式灌漿栓塞:該栓塞依靠手動試壓泵充水使栓塞膨脹，它設置了進漿管和回漿管，進入灌漿段的漿液處于流動狀態(tài)，灌漿期間的漿液就不容易被凝固，本栓塞最大壓力可達到18 MPa。

(5)高壓閥門及連接件:通過調(diào)研采購的高壓閥門，能承受20 MPa以上高壓力;高壓膠管選擇4層鋼絲，爆破壓力為37 MPa，由廠家提供質(zhì)保單，連接件加工成六方便于拆卸;重點部位先用套管做保護，再用鐵鏈鎖住，起到雙保險的效果。

總之，為了確保高壓灌漿期間的安全，以及防止因管路爆裂影響灌漿質(zhì)量，從上述方面全方位、不留死角落實好安全防范工作，以確保高壓灌漿的正常進行。

4 超高壓灌漿效果

4．1 孔段灌漿情況

第1段1 MPa壓力灌漿，是為了加固洞周巖體補強，從灌漿效果來看，局部孔段出現(xiàn)裂隙滲漏，但在該壓力下，大部分孔段能夠自動裂隙封閉，最終達到結束標準，由此證明灌漿壓力適宜可控。

第2段灌漿壓力為5～8 MPa，除洞頂孔段采用5 MPa外，其余孔段均按8 MPa灌漿結束，從灌漿效果來看，部分孔段由于巖石破碎原因，一次性無法達到結束標準，需要通過待凝復灌，但總體灌漿可控。

第3段灌漿壓力為12～15 MPa，從灌漿效果來看，大部分孔段在12 MPa壓力下，一次性達到結束標準;但為驗證本區(qū)域巖體最大承受壓力，對部分第3段灌漿段，增大至15 MPa進行灌漿，結果部分孔段出現(xiàn)巖石劈裂破壞的跡象，當灌注流量＜1 L/min狀態(tài)下，漿液會變濃，溫度升至50℃以上，持續(xù)時間不能超過20 min;對破壞孔段需要通過待凝復灌，但總體灌漿基本可控。

4．2 灌漿成果

經(jīng)對一區(qū)、二區(qū)灌漿成果統(tǒng)計，各序環(huán)平均單位注入率如表1。

表1 灌漿注入量統(tǒng)計表 kg·m－1

綜述表1，灌漿一區(qū)，共布置5環(huán)，每環(huán)6只深15 m、間距3 m的灌漿孔，分二序鉆灌，Ⅰ序環(huán)為ZG1、ZG3、ZG5 三環(huán)，平均注入量為 62.78 kg/m，Ⅱ序環(huán)為ZG2、ZG4二環(huán)，平均注入量為58.40 kg/m，Ⅱ序環(huán)平均注入量均低于Ⅰ序環(huán)平均注入量，符合通過灌漿透水率遞減的規(guī)律。一區(qū)單位平均注入量為61.03 kg/m。

灌漿二區(qū)，共布置5環(huán)，每環(huán)6只深15 m、間距2 m的灌漿孔，分二序鉆灌，Ⅰ序環(huán)為 ZG6、ZG8、ZG10三環(huán)，平均注入量為60.28 kg/m，Ⅱ序環(huán)為ZG7、ZG9二環(huán)，平均注入量為39.66 kg/m，Ⅱ序環(huán)平均注入量均低于Ⅰ序環(huán)平均注入量，符合通過灌漿透水率遞減的規(guī)律，二區(qū)單位平均注入量為52.03 kg/m。

從上述平均單位注入量來說，相比較而言，二區(qū)單位注入量小于一區(qū)單位注入量17.30%，但是為此增加鉆灌工作為50%，從工程經(jīng)濟比選考慮，二區(qū)方案優(yōu)勢并不明顯，一區(qū)方案更適用工程。

灌漿結束，待凝14 d，兩區(qū)分別布置3個檢查孔進行壓水檢查，其結果:灌漿一區(qū)，3個檢查孔，計9段，除第1段巖體透水率 ＞1 Lu，其余8段均 ＜1 Lu;而灌漿二區(qū)，共9段，巖體透水率全部＜1 Lu;再觀測試驗段隧硐內(nèi)的各裂隙滲水點，高壓灌漿前出露方式以滲、滴水為主，少量為線(束)狀流水，高壓灌漿結束后，各滲水點已基本封堵不滲水，說明此次高壓灌漿效果明顯。

5 結語

水電工程建筑物巖體超高壓灌漿的研究是一個全新的課題，由于所采取的灌漿工藝、方法以及措施均較恰當，致使未發(fā)生過任何安全事故，使灌漿施工質(zhì)量得到了保證，為本區(qū)域地下建筑物隧洞圍巖加固設計提供了依據(jù)。也為今后其他兄弟單位開展這方面工作提供借鑒。

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