水工隧洞涌水灌浆材料比选试验

武立强

（辽宁省水利厅，沈阳 110003）

1 工程实例

辽宁省大伙房水库输水（二期）工程包括取水头部、隧洞、连接段、输水管线、稳压塔及配水站等。其中输水隧洞长25.4km，为有压洞，最大压力0.55MPa，成洞洞径6m，混凝土衬砌，局部采用预应力混凝土衬砌。隧洞段位于辽宁省抚顺市南郊，区内地形起伏较大，地势呈北高南低，沟谷发育，且多数常年有水。隧洞段洞室一般埋深在30～70m之间，洞顶埋深小于30m的浅埋段占整个洞线长度的29%，浅埋段分布于洞线上的14处河谷，最浅处仅7～11m。隧洞开挖过程中大部分洞段以面状滴水或线流为主，洞线穿越沟谷位置极易发生涌水。

以辽宁省大伙房水库输水（二期）工程隧洞段开挖过程中某部位发生的涌水处理为实例，简述处理方案的试验过程。

2 试验方案

2.1 灌浆工艺

为了防止浆液从掌子面涌出，并保证浆液在较高的注浆压力作用下沿涌水通道有效扩散，注浆前在紧贴掌子面浇筑一定厚度的混凝土止浆墙（厚度、强度视灌浆压力而定），对涌水区进行封闭。在混凝土止浆墙区域布孔，按钻一孔灌一孔的方法进行，钻孔以穿透混凝土止浆墙并出现涌水为首次灌浆孔深，第一个孔灌浆结束后，按相同的方法进行第二孔灌浆，直至涌水区域全部封堵。

2.2 施工技术要点

2.2.1 钻孔

用地质钻机钻孔、扫钻，孔径准50~60mm，孔深以穿透混凝土止浆墙并出现涌水为原则。

2.2.2 埋管

埋一根进浆管至孔底，进浆管可采用准30mm钢管，靠近孔底约2m范围加工为花管，靠近孔口采用专用灌浆塞与进浆管连接，保证孔口密封不漏浆。

2.2.3 灌浆

2台大流量齿轮泵 （100L/min，2.5MPa，1用1备）并联到进浆管，当1台工作泵出现故障时，阀门快速转换至另1台泵，保证灌浆不间断。大流量灌注，直至压力陡增，管路固化堵塞即结束。

2.3 不同灌浆材料试验效果及原因分析

2.3.1 特种水泥

2.3.1.1 性能特点

普通硅酸盐水泥P.O 42.5注浆材料的优点是原材料来源广泛、成本低、无毒性，施工工艺简单方便。缺点是水泥浆液稳定性较差、易沉淀析水、凝结时间较长，并且由于水泥粒径较大，注入能力对微细裂隙往往受到限制。在流速较大的条件下注浆时，水泥浆液易受水的冲刷和稀释而难以固结［1］。因此本工程选择一种特种水泥（HSC超细水泥）进行试验分析。

HSC特种水泥主要由特制硫铝酸盐水泥、专用外加剂组成，经过粉磨，混拌工艺加工而成。由HSC特种水泥加水混合制成的浆液具有可灌注性好、凝结时间比普通水泥快、黏度和压力泌水比普通水泥小、结石率高等特点。按规定配合比及制浆工艺制成的浆液最快20min即可固化，且时间可调节，这一特点使HSC特种水泥比普通水泥更适于阻水灌浆工程。

2.3.1.2 试验效果及原因分析

HSC特种水泥浆灌注后，布设的导水孔流量较灌浆之前没有明显减少；检查灌浆孔的芯样中水泥结石成分很少。

未达到阻水效果的主要原因是浆液和基岩之间水泥结石很少，大量水泥胶结成分流失。试验证明灌浆前按规定水灰比配置的水泥浆液一旦再次被大量水稀释，将无法发挥其快速固化的特性。

2.3.2 水玻璃（水泥—水玻璃）

2.3.2.1 性能特点

水玻璃即硅酸钠，是一种水溶性硅酸盐，其水溶液俗称水玻璃。水玻璃因其原材料来源广泛、价格低廉而被广泛用于堵水加固灌浆领域。大多数工程在使用水玻璃灌浆材料时，多采用无机材料（如CaCl2、NaCl）做固化剂或与硅酸盐水泥浆混合使用，利用水泥中的成分激发固化。

2.3.2.2 试验效果及原因

水玻璃虽然使用简单，试验证明阻水效果不明显且浪费大量水玻璃材料。分析其主要原因：①水玻璃使用CaCl2、NaCl等无机材料作固化剂可缩短凝固时间，但用改变固化剂用量来调节凝固时间会显著影响浆液固结体强度；②水泥—水玻璃（C-S）混合浆液黏度大、渗透性差，该混凝浆液凝固时间更加难以控制，凝固时间要受到水泥品种（混凝浆液对水泥中的硅酸三钙敏感）、水泥浆水灰比、水玻璃浆液和水泥浆液体积比、水玻璃溶液浓度等多种因素影响［2］；③为控制水泥—水玻璃混合浆液凝固时间，灌浆工艺可采用水玻璃、水泥交替灌浆方式，即水泥→水玻璃→水泥多次交替注入，不仅工序繁杂，而且由于隧洞围岩的非均质性，两种浆液不易以预定比例注入预定部位，导致出现分层现象。

2.3.3 水（油）溶性聚氨酯

2.3.3.1 性能特点

水溶性聚氨酯（WPU）和油溶性聚氨酯（OPU）属于新型防水堵漏灌注材料，有极强的止水性能。其浆液膨涨性好，包水量大，具有良好的亲水性和可灌性，同时浆液的黏度、固化速度可以根据需要进行调节。

2.3.3.2 试验效果及原因分析

采用组合灌浆方法，首次灌注采用水溶性聚氨酯浆液，采用孔口封闭纯压式灌注，灌浆压力应大于涌水压力，灌浆过程中可根据吸入量与灌浆压力等情况灌注少量油溶性聚氨酯浆液，以便快速堵塞大通道，减少水溶性聚氨酯用量，每次灌至浆液自然固化管路堵塞时为结束。然后沿原孔扫孔，2次扫孔深度大于首次孔深，孔内再次出现涌水时开始第二轮灌浆，2次灌浆材料根据涌水量大小选择，若涌水量显著变小，即可改用水泥浆灌注，若涌水量仍然较大，继续用聚氨酯浆液灌注，直至再次扫孔涌水量符合水泥灌浆条件，如此循环，逐步递进加深。

试验证明水（油）溶性聚氨酯结合上述工艺阻水效果良好。

（1）水溶性聚氨酯（WPU）浆液遇水后自行分散、乳化、发泡，立即进行化学反应，形成不透水的弹性胶状固结体，可以封堵强烈的涌水。同时释放CO2气体，借助气体压力，浆液可进一步压进结构的空隙，使多孔性结构或地层能完全充填密实。具有2次渗透的特点。

（2）油溶性聚氨酯（OPU）和水溶性（WPU）聚氨酯相比，其遇水反应速度更快、膨胀倍数更大。浆液遇水后可在数秒钟之内开始发泡、固化，反应时间可通过催化剂的用量进行调节，一般可控制在数十秒至数分钟内固化。且浆液不溶于水，不存在浆液被水大量稀释的问题。

3 试验结果分析

隧洞发生较大涌水时，直接灌注水泥浆液会造成大量水泥浆流失；直接灌注水玻璃（水泥—水玻璃混合）浆液，参数、工艺难以控制，不仅难以达到阻水目的，而且会造成资源浪费。由于水（油）溶性聚氨酯化学灌浆材料造价高，全部采用其进行阻水灌浆，会造成费用大幅增加，从阻水目的考虑也无必要。因此在灌注水泥浆之前，先采用水（油）溶性聚氨酯化学浆液灌注，对涌水进行初步封堵，为后续灌注水泥浆创造条件，既可实现阻水目的，又节省了投资。

各种灌浆材料的基本性能指标如表1。

表1 常用灌浆材料性能指标对比

4 结语

参考类似工程成果及传统施工经验，灌浆工法结合管棚支护、排水管导水、浇筑混凝土止浆墙等措施是最常用的隧洞涌水处理手段。但是隧洞发生较大涌水时，水泥、水泥—水玻璃等常用灌浆材料由于凝结时间长、粒径大等因素难以达到阻水效果。因此选择合适的灌浆材料对实现隧洞阻水目的至关重要。

［1］许茜，王彦明，等.注浆材料的固化机理与抗水溶蚀性能研究［J］.21世纪建筑材料，2010，2（2）.

［2］刘玉祥，柳慧鹏.水泥—水玻璃双液注浆中的最优参数选择［J］.矿冶，2005，14（4）.

［3］韩志远，张晓伟，李文富.关于引水隧洞止水灌浆的施工方案探讨［J］.水利建设与管理，2007，27（5）.

［4］GB175—2007，通用硅酸盐水泥［S］.

［5］DL/T 5406—2010，水工建筑物化学灌浆施工规范［S］.