輸水隧洞固結(jié)灌漿工藝研究

楊軍平，張慶平，訾 兵，雪彥宏，張新華

（寧夏地質(zhì)工程院，寧夏銀川750001）

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程中固結(jié)灌漿工程是為改善和提高輸水隧洞圍巖破碎、滲漏、整體穩(wěn)定性差的狀況，以達(dá)到減小隧洞圍巖的變形與不均勻沉降、提高圍巖抗?jié)B性能的目的，保證輸水隧洞安全使用。本次研究是通過實(shí)驗(yàn)確定施工參數(shù)和施工方案，以保證設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)可行。

1 工程概況

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全水源工程，是將涇河水截引、調(diào)蓄以后輸送到固原市所轄的44個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，解決這一區(qū)域110萬(wàn)城鄉(xiāng)居民的飲水安全問題。該工程包括水庫(kù)加固改造、隧道建設(shè)等工程，項(xiàng)目建成后年均引水量為3980×104m3。

本項(xiàng)目的大灣隧洞總長(zhǎng)10567m，灌漿隧洞合計(jì)總長(zhǎng)5240m；Ⅳ2類圍巖灌漿段長(zhǎng)4628m，Ⅴ類灌漿段長(zhǎng)612m。Ⅳ2、Ⅴ類圍巖，對(duì)應(yīng)巖石類別為Ⅴ-Ⅶ級(jí)。隧洞截面上圓下平呈橢圓形，洞高2450mm，寬2300mm。隧洞內(nèi)襯為300mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯施工完成后進(jìn)行灌漿施工。圍巖地質(zhì)情況詳見圖1。

圖1 隧洞圍巖地質(zhì)剖面圖

2 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在Ⅳ2類和Ⅴ類圍巖各做2組試驗(yàn)共4組試驗(yàn)，各試驗(yàn)段均為9m長(zhǎng)?？孜徊贾茫孩?類第1組排距3m，每環(huán)4孔；第2組排距4.5m，每環(huán)4孔。Ⅴ類第1組排距3m，每環(huán)4孔；第2組排距4.5m，每環(huán)4孔。各段均按錯(cuò)排孔布置，孔位布置見圖2、圖3。

設(shè)計(jì)灌漿壓力：Ⅳ2類及Ⅴ類Ⅰ序孔壓力0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔壓力0.65～0.70MPa。

3 實(shí)驗(yàn)完成情況

實(shí)驗(yàn)完成工作量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 工作量統(tǒng)計(jì)表

4 灌漿效果及質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

4.1 注灰量分析表（見表2）

分析：由表2可知，隨孔序的加密，單位注入量遞減明顯，符合灌漿規(guī)律，灌漿效果顯著。

4.2 壓力分析

4.2.1 Ⅳ2類第1組

G8-3-Ⅰ-3此孔位于地板中心線，當(dāng)灌漿壓力達(dá)到0.76MPa時(shí)出現(xiàn)抬動(dòng)，抬動(dòng)值為0.08，降壓到0.69MPa時(shí)，抬動(dòng)值降到0；當(dāng)壓力再次升到0.75MPa時(shí)，抬動(dòng)值達(dá)到0.06，再次降壓到0.65MPa時(shí)，抬動(dòng)值為0，故8單元第1組壓力值為0.65～0.70MPa。

4.2.2 Ⅳ2類第2組

G8-5-Ⅰ-3此孔位于地板中心線，當(dāng)灌漿壓力達(dá)到0.74MPa時(shí)出現(xiàn)抬動(dòng)，抬動(dòng)值為0.06，降壓到0.70MPa時(shí)，抬動(dòng)值降到0.01；當(dāng)壓力再次升到0.78MPa時(shí)，抬動(dòng)值達(dá)到0.07，再次降壓到0.65MPa時(shí)，抬動(dòng)值為0；再次升壓到0.74MPa時(shí)，抬動(dòng)值為0.05，降壓到0.68MPa，抬動(dòng)值為0，故8單元第2組壓力值為0.65～0.70MPa。

表2 注灰量分析表

4.2.3 Ⅴ類第1組

G7-3-Ⅰ-3此孔位于地板中心線，當(dāng)灌漿壓力達(dá)到0.72MPa時(shí)出現(xiàn)抬動(dòng)，抬動(dòng)值為0.04，降壓到0.68MPa時(shí)，抬動(dòng)值降到0；當(dāng)壓力再次升到0.73MPa時(shí)，抬動(dòng)值達(dá)到0.06，再次降壓到0.65MPa時(shí)，抬動(dòng)值為0，故7單元第1組壓力值為0.65～0.70MPa。

4.2.4 Ⅴ類第二組

G7-5-Ⅰ-3此孔位于地板中心線，當(dāng)灌漿壓力達(dá)到0.75MPa時(shí)出現(xiàn)抬動(dòng)，抬動(dòng)值為0.06，降壓到0.70MPa時(shí)，抬動(dòng)值降到0.02；當(dāng)壓力再次升到0.78MPa時(shí)，抬動(dòng)值達(dá)到0.08，再次降壓到0.69MPa時(shí)，抬動(dòng)值為0；再次升壓到0.72MPa時(shí)，抬動(dòng)值為0.01，降壓到0.67MPa，抬動(dòng)值為0，故7單元第2組壓力值為0.65～0.70MPa。

4.2.5 灌漿壓力值

Ⅳ2類及Ⅴ類圍巖Ⅰ序孔壓力0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔壓力0.65～0.70MPa。

4.3 透水率分析

按檢查孔壓水實(shí)驗(yàn)透水率分析見表3。

根據(jù)檢查孔透水率分析,Ⅳ2類兩組試驗(yàn)透水率均小于5Lu,符合設(shè)計(jì)要求；Ⅴ類第1組透水率小于5Lu，符合設(shè)計(jì)要求，第2組透水率大于5Lu，不符合設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)確定灌漿參數(shù)為：

（1）注漿孔布置：Ⅳ2類4.5m一環(huán)，每環(huán)4孔符合要求，Ⅴ類3m一環(huán)，每環(huán)4孔符合要求。

表3 透水率分析表

（2）鉆孔設(shè)備：用水鉆及風(fēng)鉆配合使用鉆孔，可滿足施工質(zhì)量及工期進(jìn)度要求。

（3）灌漿方式：采用純壓式或循環(huán)式灌漿方式均可滿足要求。

（4）灌漿段長(zhǎng)：入巖2.5m符合要求。

（5）水灰比：采用2、1、0.8、0.5四個(gè)比級(jí)符合要求。

（6）洗孔：底板以上的灌漿孔不宜洗孔，底板上的灌漿孔不宜多洗，時(shí)間為5～10min為宜。

（7）灌漿壓力：Ⅳ2類及Ⅴ類Ⅰ序孔壓力0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔壓力0.65～0.70MPa。

6 施工方法

6.1 施工工藝

灌漿施工工藝流程：測(cè)放孔位→鉆孔→洗孔→壓水試驗(yàn)→灌漿→封孔→質(zhì)量檢查。

6.2 施工方法

6.2.1 測(cè)放孔位

按施工圖測(cè)放孔位，并以紅油漆做好標(biāo)記、編號(hào)。Ⅰ序、Ⅱ序分類編號(hào)，避免混淆。

6.2.2 鉆孔施工

（1）鉆孔∶灌漿按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行。鉆孔環(huán)間分兩序施工，先施工Ⅰ序環(huán)孔，后施工Ⅱ序環(huán)孔；①孔徑：?50mm。②孔深：設(shè)計(jì)入巖深度2.5m。③孔向：按圖施工。

（2)同一單元內(nèi)的同一次序孔可全部或部分鉆出后，再進(jìn)行灌漿；也可單孔分序鉆進(jìn)和灌漿。

（3)鉆孔采用TY-28氣腿式風(fēng)鉆進(jìn)行。

（4)鉆孔注意事項(xiàng)：

①鉆孔開孔對(duì)準(zhǔn)孔位點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)角度調(diào)校好鉆機(jī)角度。

②鉆孔班報(bào)準(zhǔn)確記錄襯砌砼厚度和鉆孔深度等。

③鉆孔時(shí)如遇結(jié)構(gòu)鋼筋可在10cm范圍內(nèi)移動(dòng)，不得損傷鋼筋。

④鉆孔時(shí)注意鉆進(jìn)壓力、鉆進(jìn)速度等變化，如果發(fā)現(xiàn)異?？锥危龊糜涗?，并觀測(cè)鉆孔穿過的斷層及破碎帶的寬度、性狀、結(jié)構(gòu)面部位。

⑤鉆孔過程中嚴(yán)格控制鉆進(jìn)壓力和轉(zhuǎn)速，確?？椎灼钸_(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

6.2.3 洗孔

鉆孔結(jié)束后進(jìn)行孔壁和裂隙沖洗，洗孔采用壓力水沖洗，壓力為最大灌漿壓力的80%，回水澄清潔凈后延續(xù)10min結(jié)束。沖洗結(jié)束后，均妥善保護(hù)好孔口，以防孔內(nèi)落入異物導(dǎo)致堵塞。

6.2.4 灌漿施工

6.2.4.1 灌漿設(shè)備

灌漿使用3SNS灌漿泵，制漿采用ZJ-400高速攪拌機(jī)，自動(dòng)記錄儀為GJY4型灌漿自動(dòng)記錄儀。

6.2.4.2 注意事項(xiàng)

（1）灌漿采用3SNS型高壓灌漿泵進(jìn)行，其允許工作壓力大于最大灌漿壓力的1.5倍。灌漿泵壓力表擺動(dòng)范圍要求不大于灌漿壓力的20%。使用耐蝕灌漿閥門、高壓灌漿閘閥。

（2）根據(jù)灌漿需要配置高速和普通漿液攪拌機(jī)，保證均勻、連續(xù)地拌制漿液。高速拌漿機(jī)的轉(zhuǎn)速不小于1200r/min。所有攪拌設(shè)備均須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試運(yùn)行。

（3）灌漿管路保證漿液流動(dòng)暢通，并能承受1.5倍的最大灌漿壓力。

（4）灌漿泵、進(jìn)漿管路和灌漿孔口處均安設(shè)壓力表，壓力表與管路之間設(shè)有隔漿裝置。壓力表在使用前均須進(jìn)行標(biāo)定，在使用過程中經(jīng)常檢查核對(duì)，不合格和已損壞的壓力表嚴(yán)禁使用。

（5）止?jié){塞與所采用的灌漿方法、灌漿壓力及地質(zhì)條件相適應(yīng)，有良好的膨脹性和耐壓性能，在最大灌漿壓力下能可靠地封閉灌漿段，并易于安裝和拆除。

（6）各部位灌漿時(shí)密切監(jiān)視襯砌混凝土的變形情況，并在灌漿工作開始前先安裝千分表，防止產(chǎn)生變形及抬動(dòng)，并定時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)作好記錄。

6.2.4.3 制漿

（1）材料選用：水泥、水、摻合料、外加劑選用須符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，各種材料用量須經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，試驗(yàn)成果報(bào)送監(jiān)理確認(rèn)后執(zhí)行。

（2）材料稱量：制漿材料必須稱量，稱量誤差小于5%。水泥等固相材料采用重量稱量法。

（3）漿液制備：

①各類漿液必須攪拌均勻，測(cè)定漿液密度等參數(shù)，并做好記錄。

②采用高速攪拌機(jī)攪拌純水泥漿液，拌制時(shí)間不小于30s，所用漿液在使用前須過篩，自制備至用完的時(shí)間小于4h。

③拌制細(xì)水泥漿液和穩(wěn)定漿液，須加入減水劑，攪拌時(shí)間通過試驗(yàn)確定。細(xì)水泥漿液的攪拌，從制備至用完的時(shí)間小于2h。

6.2.4.4 灌漿方法

孔口封閉采用機(jī)械式止?jié){塞（橡膠塞）進(jìn)行封閉。全孔一次純壓式灌漿法灌漿，灌漿原則上一泵灌一孔。當(dāng)發(fā)生相互竄漿時(shí)，可采用群孔并聯(lián)灌注，但并聯(lián)孔數(shù)不宜多于3個(gè)，并應(yīng)控制壓力，防止混凝土面或巖石面抬動(dòng)。

（1）灌漿順序。灌漿按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行。環(huán)間先灌Ⅰ序孔，后灌Ⅱ序孔；同一環(huán)內(nèi)先灌Ⅰ序孔，后灌加密孔。

（2）灌漿壓力。不同孔序采用不同的壓力，Ⅰ序孔0.60～0.65MPa，Ⅱ序孔0.65～0.70MPa。

（3）灌漿結(jié)束條件。在該灌漿段規(guī)定壓力下，當(dāng)耗漿量不大于1L/min后，灌注30min后可結(jié)束灌漿。若灌漿量大，灌漿難于結(jié)束時(shí)，可采取低壓、濃漿、限量、間歇、漿液中摻入速凝劑、加砂、加水玻璃雙漿液等方法處理。但處理方法必須由監(jiān)理人批準(zhǔn)后方可采用。

6.2.4.5 水灰比及漿液變換

漿液水灰比為2∶1，1∶1，0.8∶1，0.5∶1四個(gè)比級(jí)，漿液變換按由稀到濃逐級(jí)變換。漿液變換原則：

（1）當(dāng)壓力保持不變，耗漿量持續(xù)減小時(shí)，或當(dāng)耗漿量不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，則水灰比保持不變；

（2）當(dāng)耗漿量已達(dá)300L以上，或灌注時(shí)間已達(dá)30min，而壓力和耗漿量均無改變或改變不顯著時(shí)，改濃一級(jí)水灰比；

（3）當(dāng)耗漿量大于30L/min時(shí)，可視具體情況越級(jí)變濃。

（4）灌漿過程中，壓力或耗漿量突然改變較大時(shí)，應(yīng)查明原因，立即采取相應(yīng)的措施處理。

（5）當(dāng)采用最大濃度漿液施灌，耗漿量很大而不見減少時(shí)，可采用間歇灌漿法，或加砂加水玻璃等方法處理，如因加入摻合料而使注入量突減，則應(yīng)停止使用摻合料。

6.2.5 特殊情況處理

（1）灌漿過程中，發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿，應(yīng)根據(jù)具體情況采用嵌縫、表面封堵、低壓控制流量、加濃漿液和間歇灌漿等方法進(jìn)行處理。

（2）施工發(fā)生竄漿時(shí)，可視情況將竄漿孔同時(shí)進(jìn)行灌漿，或立即將竄漿孔封堵，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，再施工竄漿孔。

（3）灌漿過程中如回漿變濃，應(yīng)換用相同水灰比的新漿進(jìn)行灌注，若效果不明顯，繼續(xù)灌注30min，即可結(jié)束灌漿。

（4）灌漿工作必須連續(xù)進(jìn)行，若因故中斷，須按如下原則進(jìn)行處理：

①盡可能縮短中斷時(shí)間，盡早恢復(fù)灌漿；

②中斷時(shí)間超過30min，應(yīng)立即進(jìn)行洗孔，如沖洗無效，應(yīng)重新掃孔后施灌；

③恢復(fù)灌漿時(shí)，應(yīng)采用開灌比級(jí)的漿液進(jìn)行。如耗漿量與中斷前相當(dāng)，即采用該水灰比。如耗漿量較中斷前減少，則漿液應(yīng)逐漸加濃；

④恢復(fù)灌漿后，如吸漿量較中斷前減少很多，且在極短時(shí)間內(nèi)停止吸漿，則視該段不合格。

6.2.6 封孔

灌漿結(jié)束后，排出鉆孔內(nèi)的積水和污物，壓力灌漿封孔。

（1）采用置換和壓力灌漿封孔，全孔灌漿完畢后，使用水灰比0.5∶1濃漿進(jìn)行純壓式灌漿封孔，壓力用該孔最大灌漿壓力。

（2）待孔內(nèi)水泥漿液凝固后，對(duì)鉆孔空余部位使用干硬性水泥砂漿封填密實(shí)，孔口壓抹齊平。

6.3 灌漿質(zhì)量檢查

（1）灌漿質(zhì)量檢查應(yīng)在灌漿結(jié)束3～7d后進(jìn)行。

（2）質(zhì)量檢查孔采用壓水試驗(yàn)，即采用單點(diǎn)法試驗(yàn)。檢查孔數(shù)量為灌漿孔總數(shù)的5%，合格標(biāo)準(zhǔn)為85%以上試驗(yàn)段的透水率不大于設(shè)計(jì)規(guī)定，其余試段的透水率不超過設(shè)計(jì)規(guī)定值的150%，且分布不集中，即為合格。

（3）檢查孔完成檢查任務(wù)后，全孔壓力灌漿封孔。

7 壓水試驗(yàn)

（1）壓水試驗(yàn)在洗孔結(jié)束后進(jìn)行。灌漿壓水試驗(yàn)孔不少于總孔數(shù)的5%，壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法壓水。

（2）壓水試驗(yàn)按《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T5148-2001）附錄A（灌漿工程壓水試驗(yàn)）執(zhí)行。

（3）壓水試驗(yàn)壓力值：Ⅰ序孔壓力0.48～0.52MPa，Ⅱ序孔壓力0.52～0.56MPa。

（4）壓入流量穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：在穩(wěn)定的壓力下，每3～5min測(cè)讀一次壓入流量。連續(xù)4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1L/min時(shí)，本段試驗(yàn)即可結(jié)束，取最終值作為計(jì)算值。

（5）壓水試驗(yàn)成果以透水率q表示。其計(jì)算公式見公式（1）：

式中：q——試段透水率，Lu；

Q——壓入流量，L/min；

P——作用在試段內(nèi)的全壓力，MPa；

L——試段長(zhǎng)度，m。

（6）簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)壓力為灌漿壓力的80%，并不大于1MPa，壓水20min，每5min測(cè)讀一次壓入流量。取最后的流量值作為計(jì)算流量，其成果以透水率q表示，按公式（1）進(jìn)行計(jì)算。