超高渗透压力下无盖重固结灌浆施工技术研究

蔡海燕

(中国水利水电第七工程局 成水公司，成都611730)

锦屏二级水电站工程枢纽主要由首部低闸、引水系统、尾部地下厂房等永久性建筑物组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。引水隧洞最大埋深2 525 m、最高地下水位约2 623 m，最大压力水头1 100 m左右。根据三维应力场初始地应力场反演回归分析，在隧洞高程1 600 m处最大主应力为70.1 MPa，最小主应力30.1 MPa。由此可知，在如此恶劣地质条件下，加上隧洞围岩及封闭隧洞周边岩体裂隙的影响，隧洞围岩的整体性和抗变形能力将受到极其严峻的考验。因此，必须采取诸如固结灌浆等工程措施对隧洞围岩进行加固以增强围岩抗渗能力和长期渗透稳定性，从而确保整个锦屏工程安全及顺利竣工。

为减小内侧衬砌结构上的外水压力和渗透梯度，防渗高压固结灌浆，利用在渗透水压力作用下结构渗透系数与所受渗透压力成反比的渗流力学基本原理，通过合理的围岩固结灌浆设计，实现隧洞外层围岩固结灌浆圈渗透系数较小，相应承担的外水渗透压力大;内层固结灌浆圈渗透系数较大，相应承担的外水渗透压力小。即达到隧洞围岩渗透系数由外到内逐层递增，渗透水压力由外到内逐层递减的效果，使围岩固结灌浆圈成为承载高外水压力的主要结构。

本文以锦屏二级水电站引(4)14+870～引(4)14+920洞段为研究对象，采用防渗无盖重高压固结灌浆技术，通过现场试验等手段确定出超高渗透压力下合理的灌浆参数和灌浆工艺，使灌浆在周边形成一定深度的灌浆加固圈，成为隧洞承载和防渗阻水的主要结构。

1 灌浆钻孔参数及布孔型式

1.1 钻孔参数

依据灌浆理论与方法[1]，确定灌浆钻孔参数为:固结灌浆钻孔孔径 φ56 mm，孔深12 m;检查孔孔径φ56 mm(取芯孔孔径 φ76)，孔深11 m;弹性波检测孔孔径 φ56 mm，孔深12 m;先导孔孔径φ76 mm;抬动观测孔孔径φ91 mm，孔深12 m;浆液扩散半径检测孔孔径 φ76 mm，孔深12 m。

引(4)14+870洞段上游侧距横向通风洞5 m，为减少在高压灌浆时横向通风洞发生串浆现象，在靠通风洞上游侧布置20个向下游偏10°的灌浆孔，每排5孔×4排=20孔。斜孔孔深12.185 m，斜孔孔底偏离原灌浆孔孔底2.16 m。

采用最大压力超过1.5倍灌浆压力的高压灌浆泵，额定压力达30 MPa，可以确保在6 MPa灌浆压力下性能稳定地工作，其性能参数列于表1。

表1 高压注浆泵性能参数

1.2 钻孔类型与布置方法

参照灌浆技术方法[2]，灌浆孔主要有先导孔、抬动观测孔、声波测试孔和浆液扩散半径测试孔等，布置方法有所不同。

1.2.1 先导孔

在无盖重防渗固结灌浆段布置17个先导孔，钻孔直径为φ76 mm。

1.2.2 抬动观测孔

1)抬动观测孔布置

在无盖重高压固结灌浆区布置7个抬动观测孔，其位置依据地质条件而定。

2)抬动观测孔安装

抬动观测孔采用 XY－2PC钻机钻孔，钻孔孔深12 m，抬动观测装置安装步骤如下:①抬动孔底部0.6 m用0.5∶1水泥浆充填，随即在孔内下置一根φ25 mm钢管，管底部0.6 m处焊接对中圆形钢板，钢板上设置一橡胶柱。②在 φ25 mm钢管外套一根 φ50 mm钢管，钢管底部与橡胶柱紧密接触，用1∶1油膏和粉细砂充填φ50 mm钢管外壁与孔壁间的环状间隙，充填段长各1 m。再在φ25 mm钢管上端连接一根长25 cm的横向钢管。③在该孔附近30 cm处的基岩面安装TDGC－2009型自动监测装置(见图1)。

图1 抬动观测传感器安装

3)抬动变形观测

①在压水试验、灌浆前、灌浆期间，监测被灌岩体的抬动情况。②设有抬动变形观测部位，其观测孔临近的灌浆孔段在裂隙冲洗、压水试验及灌浆过程中均进行观测。③抬动变形采用TDGC－2009型抬动监测记录仪进行实时观测，每隔10 min记录一次读数。④使用的TDGC－2009型抬动监测记录仪，应经常检查，确保其灵敏性和准确性。⑤抬动变形观测派专人进行观测记录。在裂隙冲洗、压水试验及灌浆等作业过程中，当变形值接近200 μm或变形值上升速度较快时，应及时报告各工序操作人员采取降低压力措施，防止发生抬动破坏。⑥ 灌浆过程中严密监视抬动装置TDGC－2009型抬动监测记录仪的情况变化。当累计抬动值 <100 μm时，灌浆压力的升降过程按规定执行;当100 μm≤累计抬动值 <200 μm时，灌浆升压过程严格控制注入率小于10 L/min，如果累计抬动值不再上升，逐级升压，否则停止升压;当累计抬动值≥200 μm时，停止灌浆，待凝8 h后扫孔复灌。

4)抬动监测系统及传感器安装

抬动监测系统的工作原理是传感器将观测部位抬动值检测出来，并传送到记录仪，记录仪在抬动值<10 μm时，不做记录，当抬动值每增加10 μm时，记录仪将以班报的形式产生一条记录。当抬动值增加超过设定报警值时(例如:100μm时)，报警器将报警。

1.2.3 声波测试孔

在灌前和灌后，声波测试孔按固结灌浆孔数的5%布置，灌前声波孔数量为21个孔，完成钻孔并清洗后进行单孔声波测试。声波测试孔钻孔直径为φ56 mm，孔深为12m。当声波孔为水平孔时，钻孔角度从水平方向下倾5°。

1.2.4 浆液扩散半径测试孔

利用固结灌浆钻孔测定浆液扩散半径，测试扩散半径与灌浆结束标准以及浆液水灰比的关系，为确定灌浆孔间距、灌浆结束标准提供参考。浆液扩散半径测试孔钻孔直径为φ76 mm，孔深为12 m(取芯)。

1.2.5 钻孔布孔形式

4#引水隧洞布孔形式见表2，4#引水隧洞灌浆孔布置如图2所示。

表2 4#引水隧洞无盖重高压固结灌浆布孔形式

图2 灌浆孔布置

2 灌浆工艺及其施工

按灌浆技术［3－4］，结合锦屏工程实际情况，确定以下灌浆工艺以及灌浆水灰比和浆液变换原则等相关参数。

2.1 固结灌浆工艺流程

施工准备→底板右半幅灌浆孔的孔口段镶铸孔口管并进行0～4 m段灌浆→底板右半幅奇数排中奇数孔的分段钻孔灌浆施工→底板右半幅奇数排中偶数孔的分段钻孔灌浆施工→底板右半幅偶数排中奇数孔的分段钻孔灌浆施工→底板右半幅偶数排中偶数孔的分段钻孔灌浆施工→底板左半幅灌浆孔镶铸孔口管及钻孔灌浆施工(与底板右半幅灌浆孔施工顺序类似)→边顶拱钻孔灌浆施工(除个别孔镶铸孔口管外，其它边顶拱的灌浆孔与底板灌浆孔施工顺序类似)→固结灌浆质量检查(底板孔先施工完成，先进行检查)→补灌(如需补灌)→补灌后检查。

2.2 施工程序

施工准备→试验洞段平场→施工平台搭设→固结灌浆钻孔(含灌前声波孔、先导孔、抬动孔及镶铸孔口管等)→固结灌浆施工(含浆液扩散半径测定孔)→固结灌浆质量检查(压水试验或灌后弹性波检测)→补灌(如需补灌)→补灌后检查。

2.3 灌浆段长及压力

无盖重固结防渗灌浆(边顶拱0～4 m段不灌浆，但根据围岩条件择机进行灌浆，并镶铸孔口管)分段长度和压力选择见表3。

表3 无盖重固结防渗灌浆分段长度和压力(孔深12 m)

2.4 灌浆水灰比和浆液变换原则

1)浆液配比

地下水发育洞段水泥浆液可采用水灰比为1∶1至0.5∶1的纯水泥浆液。水泥砂浆水灰比(0.38～0.42)∶1(可根据需要掺加速凝剂、高效减水剂等获得批准的外加剂)，水泥∶砂为1∶(1～0.8)，砂砾石直径不大于2.5 mm。当吸浆量大时，还可在水泥砂浆中掺入瓜米石，瓜米石直径不大于15 mm，水∶水泥∶砂∶瓜米石，配合比采用(0.38 ～0.5)∶1∶1∶1。

2)浆液变换原则

①当灌浆压力保持不变，注入率持续减少或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不改变水灰比。② 当某一比级浆液注入量已达300 L以上，或灌注时间已达30 min，或当注入率大于30 L/min时，且灌浆压力和注入率均无显著改变时，则改浓一级水灰比。③当注入率达到30 L/min时，可根据具体情况越级变浓。④ 当采用最大浓度浆液施灌，注入率很大而不见减少时，可采用间歇灌浆法或改用砂浆灌注。⑤ 灌浆过程中，由于改变浆液水灰比而使灌浆压力突增或吸浆量突减，应立即查明原因，随时调整。⑥当采用某一比级浆液灌注升压时，围岩累计抬动值大于0.1 mm而小于0.2 mm时，升压过程应需控制注入率小于10 L/min，如果累计抬动值不再上升，应逐级升压，否则停止升压，在累计抬动值超过0.2 mm时，应停止灌注，待凝8 h后扫孔复灌。

2.5 试验结果

1)在奇数排(Ⅰ序)内的偶数孔，偶数排(Ⅱ序)的奇数孔及偶数孔中，布置的浆液扩散半径孔在3 m排距内4～8 m段的浆液结石较少，8～12 m段浆液结石无;在2 m排距内的4～12 m段的浆液结石也较少，说明灌浆的孔距待加密。

2)从灌前压水试验结果可知，3 m排距内的平均吕容值约25 Lu，2 m排距内的平均吕容值约20 Lu，即3 m排距内的平均吕容值(25 Lu)大于2 m排距内的平均吕容值(20 Lu)。

3)从水泥灌入量可知，3 m排距内的水泥灌入量为282.1 t，平均水泥单耗约258.2 kg/m，沿隧洞洞轴线方向水泥平均单耗为12.5 t/m。2 m排距内的水泥灌入量为307.2 t，平均水泥单耗约210.4 kg/m，沿隧洞洞轴线方向水泥平均单耗为14.3 t/m。

根据灌浆技术要求，在条件相同情况下，浆液的扩散半径理论上是一样的。但此试验段3 m排距内的水泥单耗小于2 m排距内的水泥单耗量，即3 m排距内的灌浆孔的浆液扩散直径还没有达到3 m。

4)3 m排距内偶数排(Ⅱ序)的偶数孔灌前平均吕容值为10.5 Lu，2 m排距内偶数排(Ⅱ序孔)的偶数孔灌前平均吕容值为7.9 Lu，即3 m排距内偶数排(Ⅱ序)的偶数孔平均吕容值>2 m排距内偶数排(Ⅱ序)的偶数孔的平均吕容值。说明3 m排距内偶数排(Ⅱ序)的偶数孔灌前吕容值较大，如果在3 m排距内加密进行灌浆时，还能灌入水泥浆液，即3 m排距较大。

5)3 m排距内的灌后压水检查孔平均吕容值为1 Lu，2 m排距内的灌后压水检查孔平均吕容值为0.5 Lu;3 m排距内的环间压水检查孔平均吕容值为1.2 Lu，2 m排距内的环间压水检查孔平均吕容值为1.1 Lu。

6)声波检查孔:从波速变化情况看，各个检测孔灌后波速较灌前都有提高，波速增长率范围为0～43.1%，灌后波速值均大于5 000 m/s，表明检测段灌浆质量良好、灌浆效果明显，灌浆检测合格。从增长率情况看，各个检测孔灌前波速小于5 000 m/s测点的平均增长率为28.8%，灌前波速大于5 000 m/s测点的平均增长率为3.8%，这表明灌浆前岩体波速相对较低测点(段)，灌浆效果最为明显。

7)灌后取芯孔:由试验区21个灌后检查孔中，选取了2个孔做了取芯钻孔检查。从取出的芯样可看出，试验区2个取芯检查孔中发现有较多水泥结石;有的结石充填于溶蚀裂隙内，有的结石充填于溶蚀小穴内，有的结石为水泥砂浆柱体，最长的水泥结石柱长为20 cm。说明灌浆后，地层中的溶蚀空腔、溶蚀裂隙、溶蚀小穴等基本充填密实，灌浆水泥结石效果比较明显。但窄细裂隙需进一步加密灌浆孔进行灌注。

3 结论

1)锦屏二级水电站引水隧洞灌浆工程试验表明，在高地应力及超高渗透压力条件下掘进大断面隧洞时，采用无盖重固结灌浆施工技术及其布孔参数与工艺可使围岩防渗能力得到显著提高，能够满足工程实际需要。即能通过合理的围岩固结灌浆设计，实现隧洞外层围岩固结灌浆圈渗透系数较小，内层固结灌浆圈渗透系数较大，达到隧洞围岩渗透系数由外到内逐层递增，渗透水压力由外到内逐层递减的效果，使围岩固结灌浆圈成为承载高外水压力的主要结构。

2)因隧洞本身的地质、断面条件以及地下水等条件较为复杂，对无盖重固结灌浆施工技术的灌浆厚度、配浆以及压力等还有待于进一步研究。

3)根据无盖重固结高压灌浆阶段性成果，为保障无盖重固结高压灌浆正常施工及隧洞围岩的安全性、稳定性及可靠性，建议锦屏二级水电站无盖重固结高压灌浆按孔排距2 m×2 m布置，即排距2 m，孔距2 m。

[1] 蔡胜华，黄智勇，董建军，等.注浆法［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

[2] 沈春林.地下防水工程实用技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

[3] 马国彦，常振华.岩体灌浆排水锚固理论与实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.

[4] 陈豪雄，殷杰.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，1995.

[5] 王安明，陈泰霖，张光哲，等.地面成孔注浆技术在煤矿巷道堵水中的应用［J］.铁道建筑，2008(4):35－37.