鉆孔彈模計(jì)在高壓水工隧洞圍巖復(fù)合灌漿效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李 強(qiáng)，景 鋒,2

(1.長江科學(xué)院， 湖北 武漢 430010；2.武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司， 湖北 武漢 430010)

隨著我國一帶一路、西電東送、沿海核電等建設(shè)，抽水蓄能電站憑借可優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、改善電網(wǎng)質(zhì)量、確保電網(wǎng)安全等特點(diǎn)，目前僅華南地區(qū)就已興建或?qū)⒔ㄇ暹h(yuǎn)、深圳、梅州、陽江和海南瓊中等多座抽水蓄能電站。抽水蓄能電站的水道系統(tǒng)不同于一般水工隧洞，一是水道系統(tǒng)長，空間布置復(fù)雜，局部相互影響；二是最大內(nèi)水壓力可達(dá)7 MPa～8 MPa；三是運(yùn)行期內(nèi)水外滲而檢修期外水內(nèi)滲，工作性態(tài)復(fù)雜，若發(fā)生失穩(wěn)或滲透破壞，其后果是災(zāi)難性的。因此，須保證水道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和防滲性能[1]。

當(dāng)高壓水工隧洞滿足上抬準(zhǔn)則、最小主應(yīng)力準(zhǔn)則、滲透準(zhǔn)則，以及相應(yīng)圍巖條件時(shí)，可采用限裂鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，圍巖是主體，襯砌僅起減糙、保護(hù)圍巖和提高隧洞耐久性的作用[2-4]。圍巖需承擔(dān)大部分荷載，襯砌的變形開裂部位、受力狀態(tài)和滲透性直接受圍巖巖體質(zhì)量影響[5]。若圍巖巖體質(zhì)量好承載力大，變形模量高，滲透系數(shù)小，圍巖所承擔(dān)載荷比例就大，且滲水量小，工程亦越安全[6]。因此水道系統(tǒng)對(duì)圍巖的強(qiáng)度、均勻性、滲透性要求高，為確保襯砌與圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同承載，需充分利用圍巖的承載和抗?jié)B能力[7]。抽水蓄能電站水道系統(tǒng)一般長達(dá)2 km～3 km，難免遇到斷層破碎帶等地質(zhì)缺陷，如何對(duì)缺陷處理效果進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)至關(guān)重要。

現(xiàn)隧洞圍巖固結(jié)灌漿效果評(píng)價(jià)，通常采用壓水試驗(yàn)、單孔或跨孔彈性波測(cè)試、鉆孔變形模量測(cè)試，及承壓板法巖體承載力與變形指標(biāo)測(cè)試等手段。其中壓水試驗(yàn)是圍巖回填灌漿、固結(jié)灌漿和帷幕灌漿效果評(píng)價(jià)中的最常用手段，其通過受灌體灌漿前后透水率的變化來評(píng)價(jià)灌漿效果，特殊壓力下的壓水試驗(yàn)還可評(píng)價(jià)巖體的抗劈裂性能，但不能獲得圍巖的變形參數(shù)。單孔或跨孔聲波可通過經(jīng)驗(yàn)公式獲得圍巖的變形參數(shù)，但誤差相對(duì)較大[8-9]。而鉆孔彈模測(cè)試可在鉆孔不同深度測(cè)得巖體的變形參數(shù)，對(duì)巖體擾動(dòng)小，測(cè)試便捷，尺寸效應(yīng)小，所獲參數(shù)接近巖體變形參數(shù)，其既可對(duì)灌漿效果進(jìn)行評(píng)價(jià)又可為后續(xù)穩(wěn)定性分析直接提供變形參數(shù)，因此已在工程中得到了大量應(yīng)用[10]。本文基于某大型抽水蓄能電站V類圍巖洞段水泥化學(xué)復(fù)合灌漿案例，介紹了鉆孔彈模計(jì)測(cè)試原理、測(cè)試步驟和數(shù)據(jù)分析與運(yùn)用方法，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

某抽水蓄能電站總裝機(jī)4×320 MW，其最高凈水頭502.7 m，輸水系統(tǒng)水平總長度2 449 m，其中中平洞襯砌后直徑為9.2 m，襯砌厚60 cm，靜水頭約300 m。中平洞存在長約40 m的V類圍巖洞段，該洞段發(fā)育有f24、f20和f80三條較大斷層。斷層均為全風(fēng)化構(gòu)造角礫巖，圍巖見高嶺土化，地下水多呈滲滴～線流狀，最大滲水量約5 L/min～6 L/min。斷層外圍巖裂隙發(fā)育，裂隙走向總體與斷層垂直。該洞段地質(zhì)平面展布圖見圖1。

圖1表明，該洞段斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶占比大，斷層與節(jié)理裂隙相互切割，且結(jié)構(gòu)面呈滴水～線狀流水，圍巖穩(wěn)定性差。隧洞開挖后，受結(jié)構(gòu)面切割巖體失穩(wěn)、斷層部分泥化、高嶺石/土擾動(dòng)失水崩解等影響，塌方嚴(yán)重難成洞，采取超前支護(hù)及鋼拱架與錨桿措施后，才完成了開挖與襯砌。

圖1 V類圍巖洞段地質(zhì)平面展布圖

針對(duì)該洞段圍巖斷層塌洞、松散堆積體與節(jié)理裂隙灌漿量大、擴(kuò)散范圍廣、難以控制，以及斷層泥化物質(zhì)和高嶺土化蝕變帶漿液又難以浸入，且高壓下結(jié)構(gòu)面易劈裂及高水頭等難題，采用首先深孔高壓水泥灌漿，最后在水泥灌漿的基礎(chǔ)上再進(jìn)行水泥化學(xué)復(fù)合灌漿的加強(qiáng)處理措施。

深孔水泥灌漿完成后，再進(jìn)行系統(tǒng)的淺孔水泥化學(xué)復(fù)合灌漿，復(fù)合灌漿以進(jìn)一步填充前期水泥灌漿可能遺留的較大孔隙裂隙，以進(jìn)一步提高巖體質(zhì)量，化學(xué)漿液再浸潤滲透填充水泥灌漿難以達(dá)到的部位，進(jìn)一步增強(qiáng)圍巖的整體性、強(qiáng)度和抗?jié)B性。通過二者作用，首先發(fā)揮了水泥灌漿材料的高強(qiáng)、耐久、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等特點(diǎn)，又利用了真溶液類化學(xué)漿材易灌入圍巖細(xì)微裂隙與孔隙的優(yōu)點(diǎn)[11]。

深孔高壓水泥灌漿環(huán)間距為1.5 m，每環(huán)15孔，環(huán)間鉆孔梅花形布置，孔深入巖12 m，灌漿壓力為4.5 MPa。水泥化學(xué)復(fù)合灌漿環(huán)間距為3.0 m，孔深入巖7.5 m，每環(huán)15孔，環(huán)間鉆孔梅花形布置，灌漿壓力為4.0 MPa。

2 測(cè)試原理和方法

2.1 測(cè)試原理

鉆孔彈模計(jì)分柔性與鋼性兩種，考慮到本案例測(cè)試的對(duì)象為高壓水工隧洞圍巖，此次采用鋼性鉆孔彈模計(jì)。巖體鋼性鉆孔彈模計(jì)測(cè)試是利用鉆孔彈模計(jì)內(nèi)置的若干徑向施壓小千斤頂，在孔壁施加一條帶狀徑向壓力，根據(jù)壓力與變形對(duì)應(yīng)關(guān)系來計(jì)算巖體的彈性或變形模量。

鉆孔彈模計(jì)的力學(xué)模型見圖2，其基本原理是孔內(nèi)條帶狀承壓板在孔壁接觸范圍內(nèi)施加對(duì)稱均勻分布力。該力學(xué)模型可分解為兩個(gè)簡單的力學(xué)模型，見圖2：A模型為在孔壁2β范圍內(nèi)徑向加壓，B模型為在2β范圍內(nèi)的徑向壓力與剪力作用。根據(jù)模型邊界條件，兩個(gè)力學(xué)模型依次求解后再疊加，便可得原模型的理論解[12-14]。

圖2鋼性鉆孔彈模計(jì)力學(xué)模型示意圖

A模型：在徑向壓力作用下，徑向位移Ux滿足下式：

(1)

B模型：在徑向壓力和剪力共同作用下，徑向位移Ux滿足下式：

(2)

式(1)和式(2)疊加后可得問題解，簡記為：

(3)

式中：A為二維問題計(jì)算三維問題時(shí)的影響系數(shù)；H為壓力修正系數(shù)；D為鉆孔孔徑，mm；ΔQ為試驗(yàn)壓力，MPa；ΔD為孔徑在相應(yīng)壓力下的變形，mm；T*(v,β)為和承壓板施壓接觸角與巖體泊松比相關(guān)的修正系數(shù)。

現(xiàn)國內(nèi)外基于上述基本原理的鋼性鉆孔彈模計(jì)已有近十種，其中美國的Goodman鉆孔千斤頂最為常用。但由于Goodman千斤頂承壓板縱向彎曲、鉆孔孔壁與承壓板曲率不匹配等問題，實(shí)測(cè)彈模值嚴(yán)重偏小。針對(duì)其不足，長江科學(xué)院巖基所基于Goodman鉆孔千斤頂，研制了CJBE75/91-II型新型鉆孔彈模計(jì)，增大了承壓板剛度，加大了變形測(cè)量范圍，提高了位移測(cè)試精度，其最大變形量測(cè)量范圍為15 mm，位移傳感器精度可達(dá)千分之一毫米[14]。

長江科學(xué)院研制的CJBE75/91-Ⅱ型鉆孔彈模計(jì)儀器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 CJBE75/91-Ⅱ型鉆孔彈模計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 測(cè)試步驟

鉆孔彈模測(cè)試根據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[15-16](DL/T 5368—2007、SL264—2001)的規(guī)定，采用逐級(jí)一次加/卸壓循環(huán)方式，壓力一般可分7～10級(jí)，其基本測(cè)試步驟如下：

(1) 地表組裝、調(diào)試鉆孔彈模計(jì)。

(2) 通過專用測(cè)桿將鉆孔彈模計(jì)送至孔內(nèi)擬測(cè)部位。

(3) 通過施壓一小壓力進(jìn)行儀器預(yù)緊，使鉆孔彈模計(jì)的承壓板與鉆孔孔壁完全接觸并固定儀器。

(4) 測(cè)試采用逐級(jí)一次循環(huán)法，每級(jí)載荷施加完成后每3 min～5 min測(cè)讀一次變形，當(dāng)變形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后方可施加下一級(jí)載荷。

(5) 逐級(jí)升壓到最大設(shè)定載荷后，再逐級(jí)卸載到初始載荷，卸壓可越級(jí)卸壓。

(6) 試驗(yàn)結(jié)束后，壓力退至零并保持一段時(shí)間，移動(dòng)鉆孔彈模計(jì)再進(jìn)行下一點(diǎn)測(cè)試。

3 測(cè)試成果及分析

本次在整個(gè)灌漿處理措施前未進(jìn)行鉆孔彈模測(cè)試，僅在復(fù)合灌漿前和灌漿后分別進(jìn)行了3個(gè)孔和5個(gè)孔共50多點(diǎn)的測(cè)試。鑒于該水道系統(tǒng)的最大作用水頭，最大工程壓力取6 MPa，變形模量計(jì)算取2 MPa～6 MPa壓力對(duì)應(yīng)的模量。

從本案例的測(cè)試曲線看，總體上各測(cè)點(diǎn)的壓力與變形過程曲線符合一般規(guī)律。一般鉆孔彈模的典型測(cè)試過程曲線見圖4。

圖4鉆孔彈模典型測(cè)試曲線和不同模量計(jì)算示意圖

在加載過程中，一般壓力與變形過程曲線通常可劃分為三個(gè)階段，及其所對(duì)應(yīng)的變形指標(biāo)測(cè)值。第1階段為承壓板與鉆孔孔壁的預(yù)壓接觸階段，該階段變形量大，主要是鋼性鉆孔彈模計(jì)的承壓板與孔壁的從分離至充分接觸過程中的變形，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算模量E1無實(shí)際意義。第2階段為圍巖原生裂隙擠密、壓密階段，測(cè)試過程曲線非線性突出，其變形除主要的原生裂隙擠密、壓密外，尚包括部分承壓板與孔壁的接觸變形，其所對(duì)應(yīng)的計(jì)算模量為E2。有時(shí)為研究特定壓力范圍下巖體的變形指標(biāo)，會(huì)計(jì)算E2值，其實(shí)際意義為特定壓力下的巖體變形模量。第3階段的壓力與變形過程中，兩者呈現(xiàn)出良好的線性變化關(guān)系，該階段所計(jì)算獲得的模量為巖體的彈性模量E3[14，17-18]。

本工程案例水道系統(tǒng)圍巖的最大工程壓力約為6 MPa，此次取2 MPa～6 MPa的割線模量計(jì)算復(fù)合灌漿前后的變形模量值。

由于塌方段地質(zhì)條件復(fù)雜，各孔和各測(cè)點(diǎn)間的巖體變形模量和彈性模量差異相對(duì)較大。水泥灌漿后和化灌前，圍巖近20個(gè)測(cè)點(diǎn)的巖體變形模量總體在1.7 GPa～8.6 GPa之間，均值為5.0 GPa。復(fù)合灌漿后34個(gè)測(cè)點(diǎn)的巖體變形模量在1.4 GPa～9.8 GPa之間，均值為5.3 GPa，灌漿后巖體的變形模量略有提高，但總體提高不明顯。

本案例鉆孔彈模測(cè)試是在系統(tǒng)深孔水泥灌漿后，淺孔系統(tǒng)復(fù)合灌漿前后測(cè)得的，未能得到整個(gè)洞段圍巖處理前的圍巖變形參數(shù)。但從隧洞開挖過程中的地質(zhì)資料看，隧洞開挖支護(hù)完成后，圍巖存在斷層塌洞、空腔、軟弱斷層物質(zhì)，及節(jié)理密集帶等，整體強(qiáng)度低和變形參數(shù)低、透水性強(qiáng)，系統(tǒng)深孔水泥灌漿過程中鉆孔塌孔嚴(yán)重，涌水、涌泥和涌沙現(xiàn)象多，經(jīng)水泥灌漿處理后，圍巖整體變形模量增加到了1.7 GPa～8.6 GPa之間，均值為5.0 GPa，且透水率滿足85%小于2 Lu的要求。

后經(jīng)系統(tǒng)水泥化學(xué)復(fù)合灌漿后30多個(gè)測(cè)點(diǎn)的巖體變形模量在1.4 GPa～9.8 GPa之間，均值為5.3 GPa，灌漿后巖體變形模量略有提高，但提高不明顯。一是復(fù)合灌漿僅進(jìn)行了少量水泥灌漿，總體上為化學(xué)灌漿，環(huán)氧灌漿材料是一種高強(qiáng)度低模量材料，對(duì)于這種地質(zhì)條件和水泥灌漿效果相對(duì)好的情況，化學(xué)灌漿僅起補(bǔ)強(qiáng)和加強(qiáng)防滲作用。因此，化學(xué)灌漿后變形模量提高較小約6%，但防滲性能大大提高，灌后圍巖透水率在高壓壓水條件下均小于0.5 Lu。

上述結(jié)果表明，這種地質(zhì)條件下，最初的深孔系統(tǒng)水泥灌漿對(duì)較大裂隙和孔隙，及空腔充填作用好，圍巖完整性、變形指標(biāo)、抗?jié)B性和強(qiáng)度均已得到很大提高。后期化學(xué)灌漿對(duì)剩余的較小裂隙和孔隙進(jìn)行了進(jìn)一步處理，鑒于環(huán)氧灌漿材料是一種高強(qiáng)度低模量材料，灌漿處理后的圍巖抗?jié)B性能提高大，強(qiáng)度從灌后芯樣看得到了較大提高，但變形模量總體提高相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

(1) 鋼性鉆孔彈模計(jì)現(xiàn)場施測(cè)便捷，其不僅是灌漿效果評(píng)價(jià)的一個(gè)主要手段，還可直接獲得鉆孔不同部位的巖體變形參數(shù)，為設(shè)計(jì)和科研直接提供變形指標(biāo)參數(shù)。

(2) 對(duì)于該工程案例水道系統(tǒng)花崗巖斷層蝕變帶洞段圍巖同時(shí)存在斷層塌洞、松散堆積體與節(jié)理裂隙，既存在灌漿量大擴(kuò)散范圍廣難以控制，又存在斷層泥化物質(zhì)和高嶺土化蝕變帶漿液又難以浸入，及高壓下結(jié)構(gòu)面易劈裂等問題，采取系統(tǒng)深孔水泥高壓灌漿，再系統(tǒng)淺孔復(fù)合灌漿的綜合處理措施效果明顯。

(3) 鑒于環(huán)氧樹脂灌漿材料是一種高強(qiáng)度低彈性模量的材料，在本案例地質(zhì)條件和工況下，圍巖化灌后巖體的強(qiáng)度和抗?jié)B性提高較大，而變形模量提高則相對(duì)較小。