阻水灌浆技术在辽宁省观音阁水库输水工程中的应用

孙 琪

(本溪泓源供水有限责任公司，辽宁 本溪 117000)

1 工程概况

辽宁省观音阁水库输水工程3#支洞设计长度1088.56m,桩号为K0+000-K0+1088.56。设计断面为马蹄形，隧洞设计尺寸为：宽4m，墙高2m，拱高2m。喷射混C30混凝土支护。最大设计坡度10.59%。

隧洞开挖到桩号K0+717m处,工作面出现较大涌水。根据现场钻孔取芯及由辽宁省水利水电勘测设计院做的《地质雷达超前地质预报报告》表明，工作面前方仍有裂隙水。为确保安全施工，经研究决定，对工作面前方进行阻水注浆。在工作面进行超前阻水注浆前，先对其后段进行固结及阻水注浆。

2 阻水灌浆目的和任务

论证阻水灌浆所采用的方法及技术参数在技术上的可行性，效果上的可行性以及经济上的合理性；推荐合理的施工程序、良好的施工工艺、适宜的灌浆材料和最优的浆液配合比；提出灌浆施工的方法和灌浆机具设备意见等,为以后的阻水灌浆提供合理的技术参数。阻水灌浆完成后，洞身围岩的整体性、稳定性得到改善，涌水情况明显减小，满足洞室的开挖的工要求。

3 阻水灌浆的施工

3.1 钻孔

3.1.1 阻水灌浆孔的布孔和定位

灌浆钻孔采用全站仪根据设计图纸先测放出边角的基本孔位，再由人工根据基本孔位采用皮尺或卷尺布设剩余的灌浆孔，并将孔位标记在混凝土盖板面上，孔距1.3m，呈环状布置，施工过程中实际孔位偏差与设计孔位偏差均≤10cm。

灌浆布孔示意图如图1所示。

图1 灌浆布孔示意

Ⅰ——1序孔；

Ⅱ——2序孔。

灌浆孔外循环(1-10#孔)分2序施工，内循环(11-14#孔)按孔号顺序施工，不分序。

3.1.2 钻孔施工

采用100B风动潜孔钻机进行人工钻孔，钻孔采取高压风作为动力冲击钻孔。钻孔过程中有局部掉渣、塌孔现象。

灌浆钻孔深度经验收均满足入岩≥21m要求，孔深误差在10cm以内；成孔孔径均为Φ90mm。孔口埋设套管均为Φ100mm。

3.1.3 钻孔冲洗

钻孔全部采用敞开式压力风进行冲洗，钻孔冲洗满足残留岩粉<20cm要求。

3.1.4 钻孔记录

钻孔过程中存在岩性变化、塌孔、卡钻、钻速变化及返渣等情况，钻孔记录均经监理工程师签认。

3.2 灌浆材料

3.2.1 水泥

1)灌浆用水泥等材料自行采购，进场后的贮存、使用必须规范。

2)根据施工图纸或监理工程师指示选用水泥的品种，阻水灌浆用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级为42.5级。

3)灌浆用的水泥必须符合规定的质量标准，不使用受潮结块的水泥，水泥不能存放过久，水泥出厂期不超过3个月。

4)所有用于灌浆的水泥、外加剂、掺合料等都采用报经监理工程师批准的合格材料。

5)所有灌浆材料的出厂(或生产)指标及检验资料均及时报送监理工程师审查批准。

3.2.2 水

1)钻孔灌浆用水应符合拌制水工混凝土用水的水质要求。

2)制浆用水采用不含有害杂质的清洁水，且水温在5℃-40℃之间。

3.3 钻孔灌浆设备

钻孔灌浆设备见表1。

表1 钻孔灌浆设备

3.4 灌浆施工步骤和施工工艺流程

本次阻水灌浆，施工中灌浆孔严格的按照分序加密的原则进行灌浆，即先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔。

灌浆施工工艺流程图见图2。

图2 灌浆施工工艺流程图

3.5 灌浆

1)首先对掌子面进行喷锚封闭处理，喷射C30混凝土厚度30cm。采用风动潜孔钻机成孔，灌浆采用预埋管法或栓塞法进行孔口封闭，预埋管法：埋设Φ108mm钢管，长度2m，管尾安装阀门，防止出现大量涌水时，既可做排水孔，也可做灌浆孔，注浆时关闭阀门，形成静水压力注浆。待强4d后，采用Φ90mm径冲击钻头分段成孔灌浆，采用对角灌浆的方法(如示意图，先灌1#，再灌6#)。

2)施工过程中采取循环式灌浆方法，即孔口封闭，孔内循环式灌浆，射浆管距孔底500mm，灌浆分两序施工。用1.2寸高压管进行灌浆，高压管可承受最大灌浆压力10 MPa。

3)灌浆压力定为第一段0.3-0.5MPa，第二段1.0-1.5MPa，第三段及以后各段2.0MPa。

4)超前灌浆孔深21m，采取分五段进行循环式灌浆，第一段3m、第二段3m、第三段及以后各段5m。

5)灌浆水灰比采用3∶1、1∶1、0.5∶1三个比级灌注，灌浆采用纯水泥浆液进行灌注，当注入量较大时，可以根据现场实际情况加入锯末或采用水泥与水玻璃的混合浆液，水玻璃掺合量根据室内实验和现场试验确定。

6)加入锯末时，要逐步增加锯末量，并防止堵管或注浆压力剧增现象，如发现注浆压力剧增，要及时减少锯末加入量，以防堵、爆注浆管。

7)浆液变换原则：开灌浆液采用3∶1，灌浆浆液由稀到浓逐级变换，当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而压力持续升高时，不得改变水灰比。当某一比级浆液注入量已达300L以上，或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率无显著改变时应换浓一级水灰比灌注；当注入率>30L/min时，可根据具体情况越级变浓[1]。

8)特殊情况处理：①灌浆过程中遇断层、岩脉、溶洞等异常区时，加强异常区可能连通部位的观测，为节省水泥用量，当发现跑、冒、串、漏浆现象必须及时封堵处理后方可恢复灌浆。②灌浆工作必须连续进行，若因故中断，必须马上处理，尽早恢复灌浆。如果中断超过30min，则进行钻孔冲洗，若冲洗无效，则扫孔，再恢复灌浆。③灌浆浆液初步确定采用纯水泥浆液，当吸浆量很小，灌后透水率大于设计标准时，报请监理人和有关单位共同研究处理措施。当遇较大型溶蚀空洞或其它注入量较大地层段时，用混合浆液进行灌浆[2]。④冒浆、漏浆、串浆孔段的处理。灌浆施工过程中发现冒浆、漏浆时，根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、降低压力、加浓浆液、限流、限量、间歇停灌等方法进行处理，若漏的是水或稀浆时可继续灌注，若漏的是浓浆时降低压力，直至漏浆停止，逐渐升压至原来压力继续灌注，如降压无效再变浓水灰比灌注，如降压和变浓均无效，且漏浆量接近注入量，停止灌注进行待凝，待凝时间>4h。间歇灌浆时间超过30min的孔段，采取重新扫孔，重复灌注的方法。遇串浆情况，采用封堵被串孔进行处理。⑤灌浆段注入量大，灌浆难于结束时，可采用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等。

9)灌浆结束标准：在规定压力下，当注入率≤0.4L/min，继续灌注20min，即可结束灌浆。

4 灌浆完成情况

4.1 K0+709-K0+717段阻水灌浆情况

此次共完成固结灌浆孔35个，钻孔进尺118.61m，总注入量69063.3kg；单位注入量582.3kg/m。其中Ⅰ序孔19个，最大注入量6543.37kg；单位注入量2617.35 kg/m；最小注入量540.06kg；单位注入量216.02 kg/m；Ⅰ序孔平均单位注入量805.2 kg/m；累计注入量50685.9kg。Ⅱ序孔16个，最大注入量2509.9kg；单位注入量1007.64kg/m；最小注入量15.77 kg；单位注入量6.31 kg/m；Ⅱ序孔平均单位注入量330.2 kg/m；累计注入量18377.4kg；累计废弃量121.6 kg，灌浆孔有出现串冒浆现象。

4.2 已开挖段阻水灌浆情况

本次阻水灌浆首先对掌子面的两个超前探孔和已开挖段进行阻水灌浆处理，共计布置11个阻水灌浆孔，采用HSC注浆材料进行灌注，完成钻孔7个，进尺71.8m，灌注HSC注浆材料25482.4kg，累计废弃量375.1 kg。由于洞身围岩相对较破碎，注入量较大，HSC注浆材料成本费用过高，为确保经济的合理性，剩余4个阻水灌浆孔，采用水泥浆进行灌注，完成钻孔进尺12m，灌注水泥19871.2kg。

1#、4#、6#、9#孔注浆各段结束后，每个孔待凝时间5天,累计待凝时间20d。

4.3 深部超前阻水灌浆情况

对K0+717-K0+738段为含水层的超前阻水灌浆，共布置超前灌浆孔14个，超前探孔7个，完成钻孔进尺352m，灌注水泥237392kg。

5 灌浆质量检查

阻水灌浆检查在该部位灌浆结束7d后进行，灌浆结束后，确定探孔的孔位，探孔的数量定为6孔。各个探孔检查结果如表2所示。

表2 探孔检查结果

6 灌浆成果分析

6.1 灌浆前各孔段涌水情况分析

在灌浆前对各孔段涌水水量和水压力进行了量测，各孔段涌水量在50-420L/min之间，水压力在0.4-1.3MPa之间，说明开挖方向存在含水层构造，且水压力较大，可灌性较好。

6.2 以钻孔灌浆来统计

此次掌子面阻水灌浆主要完成Ⅰ序孔4个，Ⅱ序孔6个，共计10个阻水孔。总注入量223439kg；单位注入量1064kg/m。各孔注入量均较大，且在钻孔过程中存在掉块、卡钻等情况，说明岩石较破碎，可灌性较好。阻水灌浆具体工作量统计见附表：灌浆成果一览表。

6.3 探孔出水量、水压力及压水试验分析

灌浆区布置6个探孔压水试验结果见表3。

表3 探孔压水试验表

由上表可见在灌浆后进行的压水试验，压水结果为透水率2.04-3.09lu；灌后涌水情况比灌浆前减小明显,20m孔出水量在3-9L/min之间，说明灌浆效果明显，阻水灌浆后能够满足隧洞开挖的施工要求。

ZS+外1与ZS+外6为相邻孔，钻孔方向为斜向外45°角，ZS+外1在孔深6m处出现大量涌水，说明此次阻水灌浆的有效扩散半径≤4.2m，开挖面4.2m以外仍为破碎带含水层，该孔钻至8m后，出水量没有明显变化，按技术要求对该孔进行阻水灌浆处理，灌注水泥2426.57kg,在ZS+外1灌浆结束后6d，在该孔侧钻ZS+外6号孔，钻孔15m，8m左右出水，测试出水量为11L/min，出水量明显减小，说明灌浆效果明显，开挖面4.2m以内没有出水现象，说明灌浆效果良好，灌浆扩散半径能够满足开挖要求。

7 结 论

通过检查孔的数据以及现场施工的情况对设计提供的基础数据作如下评述：

1)灌浆孔施工程序设计提供的施工程序，即从造孔、冲洗、压水、灌浆到最后封孔较为合理。

2)灌浆施工工艺。本次灌浆采用的工艺能够达到预期的灌浆效果，设计合理、工艺可行。

3)灌浆基础数据。孔间距1.3m，灌浆能够达到施工要求的渗透半径，且作业空间充足，易于集中作业[3]。

4)灌浆材料的选择。本次灌浆材料采用的普通硅酸盐水泥对于裂隙的填充较为有效，阻水效果明显。

5)灌浆规律性。灌浆前后透水率以及灌浆单位注入量随灌浆次序递减明显，符合一般灌浆规律[4]。

6)钻孔、灌浆机械设备。本次灌浆钻孔采用100B潜孔钻钻孔能够达到预期的灌浆效果，钻孔、灌浆设备能够满足灌浆要求。

7)灌浆压力和浆液配比。阻水灌浆灌浆压力定为第一段0.3-0.5MPa，第二段1.0-1.5MPa，第三段及以后各段2.0MPa。水灰比为3∶1、1∶1、0.5∶1的水泥浆；采用此水灰比、灌浆压力灌浆后效果较好，能够满足渗透半径要求，说明灌浆压力值和浆液配比的选择较合适。

综上所述钻孔、灌浆机具、灌浆材料及灌浆的各项基础数据均能满足该支洞灌浆需要，各项数据均较为合理。灌浆结束后，通过探孔情况说明阻水灌浆能够满足继续开挖的施工要求。