固结灌浆技术在干渠输水隧洞渗漏中的应用

王继尧

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

输水隧洞是水利工程的常见形式之一，可以大大减少输水工程长度和工程量，加快输水效率。但是输水隧洞工程对设计、施工要求极高，而且作业环境复杂，经常遇到各种因地质条件较差而带来的困难，其中地下水渗漏便是最常见问题之一，而固结灌浆则是堵漏的常用方法之一。

1 工程概况

新疆克拉玛依干渠工程全长217.2 km，是“YEJK”项目（引EH 水至克拉玛依河）的重要组成部分，为大（2）型Ⅱ等工程，设计年输水总量6.8 亿m3，设计流量30 m3/s～75 m3/s，于2018 年3 月正式开工。该干渠工程设计中共包含大小13 处输水隧洞，其中6#隧洞设计总长312 m，断面面积4.2 m2，坡度2‰，由于该隧洞地质条件较差，且埋深超过320 m，给施工带来诸多难点，见图1。由于篇幅有限，本文重点介绍固结灌浆技术在隧洞渗漏问题中的具体应用。

图1 6# 输水隧洞施工难点

2 固结灌浆技术参数设计分析

6#输水隧洞围岩主要为石英片岩、千枚岩，微风化状态，隧洞围岩节理发育较多，以Ⅲ～Ⅳ类围岩为主。该输水隧洞位于中等富水区，且围岩裂隙贯通性较强[1]。经估算：单泉流量可达32 m3/d～527 m3/d，地质技术人员判断在开挖过程中可能会遇到围岩失稳、严重涌水的情况发生，会对施工造成较多阻碍。经讨论，本项目最终决定采取灌浆堵水来保证工程顺利进行。

2.1 浆液材料配比设计

（1）浆液主要材料

1）水泥

水泥种类较多，本项目从材料来源、价格成本、注浆效果等方面综合考虑，最终确定使用普通硅酸盐水泥，具体标号为42.5 R。

2）水玻璃

水玻璃本质是由Na2SiO2构成的易溶于水的浓稠液体，具有灌装性好、价格便宜、凝结时间可控等特点，可作为灌浆添加剂（固化剂）使用[2]。

（2）最佳配比的确定

本项目设计采用“水泥+水玻璃”的双料浆液，可有效避免单一水泥浆液凝结时间长、注浆难以控制、动水影响下结石率低等问题，有效提高了堵水效果，在隧道、井巷等工程涌水问题中得到了广泛应用。但不同配比也会对浆液性能产生重要影响，在此进行试验对比来确定最佳配比。

1）试验配合比设计

灌浆材料配合比共包括3 个参数：水灰比（分别为0.5∶1、0.8∶1、1∶1、1.5∶1）、水玻璃浓度（分别为10%、20%、30%、40%）、水玻璃和水泥含量比（分别为0.25∶1、0.5∶1、0.75∶1、1∶1）。参照其他工程经验，本项目设计试验的配合比共16 组，见表1[3]。

表1 配合比参数设计（部分）

2）浆液物理性能对比测定

①凝结时间对比

试验对比数据见表2，又通过计算配合比3 个参数的极差值，确定了对浆液初凝和终凝时间影响程度：水灰比＞水玻璃/水泥＞水玻璃浓度。其中水灰比不能轻易更改，因此在现场可实时调节水玻璃/水泥来控制浆液初凝时间，若凝结太早，则不利于浆液进入较深位置，影响堵水效果[4]。

表2 不同配合比凝结时间对比（部分）

②固结体抗压强度对比

试验对比数据见表3，配合比中3 个参数的极差与龄期曲线见图2。由图2 可知对浆液抗压强度的影响程度：水灰比＞水玻璃浓度＞水玻璃/水泥，且水灰比影响程度远大于其他项。因此在施工时，必须严格控制水灰比。

表3 不同龄期固结体抗压强度数值（部分）

图2 固结体抗压强度随龄期变化极差曲线

③注浆浆液抗渗性对比

在试验室采用“变水头装置”（见图3），结合理论计算来测定28 d 龄期固结体渗透系数K，公式见式（1）[5]。试验时每30 min加压0.1 MPa，结果见表4。通过算极差，得出三个参数对抗渗性影响程度：水灰比＞水玻璃浓度＞水玻璃/水泥，渗透系数越小越有利。

式中：a 为固结体截面面积，m2；l 为渗透注浆路径长度，m；A 为内环面积，m2；t 为渗透时间，s；h1为注浆初始水头高度，m；h2为注浆结束水头高度，m。

图3 变水头试验装置简图

表4 灌浆固结体渗透系数测定结果（部分）

通过对不同配比浆液三个指标的测定，确定最终配比参数：水灰比=0.8∶1，水玻璃浓度40%，水玻璃/水泥=0.5∶1。在该配比下，浆液粘度低、流动性好，抗压强度及抗渗性均较好，经过现场试验也满足堵水要求。

2.2 注浆孔布置参数设计

（1）注浆孔间距及深度

固结灌浆技术需要形成一个封闭帷幕，防止水渗漏到隧洞。因此各孔注入的浆液必须扩散连接一片，不得存在间隙，理想情况见图4[6]。

图4 固结灌浆形成帷幕结构示意图

本项目综合“理论计算+工程试验”的结果来确定注浆孔参数，其中间距设计的参考Maag 球形渗透理论，公式见式（2）[7]，经计算r≈3.18 m，保险系数取值1.4，则计算确定r=2.27 m，因此设计孔间距d=2.2 m。按照该值进行现场试验，发现堵水效果很好。

式中：r 为浆液扩散半径，m；K 为围岩渗透系数，0.00001 m/s；H为注浆水头高度，150 m；r0为注浆管内径，0.05m；t 为初凝时间，43200 s；β 为浆液粘度与水粘度比值，1.5；n 为围岩孔隙比，20%。

经探测，该隧洞出水点深度在2.5 m～3.8 m 范围内，因此本项目规定一般径向注浆孔深度设计5.0 m，顶水注浆孔深8.0 m，集中出水点0.5 m 范围内要加密打孔注浆。

（2）注浆孔布置形式

设计在局部出水点的部位，布孔间排距为2.2 m×1.5 m，在渗水量较大部位间排距1.0 m×1.0 m，呈梅花形布置，孔向呈放射状（见图5）。

图5 局部出水点注浆示意图

3 固结灌浆技术施工要点

（1）注浆压力

注浆压力与孔位、围岩情况、浆液浓度密切相关，因此在实际施工中确定。设计注浆压力为1.0 MPa～1.5 MPa，压力逐渐上升，在施工中需要对压力进行实时调节。同时，浆液浓度逐渐增大，若出现较多冒浆、串浆问题，应采取降压、限流、间歇注浆手段，必要时可加入5%～15%的水玻璃。

（2）注浆结束及封孔

注浆结束标准以水渗漏量为参考：每25 m 长隧洞段渗漏总量小于3.5 L/s，同时单集中出水点渗漏量小于0.5 L/s。采用“全孔灌浆封孔法”，选用水泥砂浆封孔，封孔时要求压力归零时孔口无返浆。

4 结语

克拉玛依干渠6#隧洞通过应用固结灌浆技术，成功排除渗漏水对施工的影响，为后续支护工作创造了良好条件，取得了较好效果。浆液配比是该技术应用成功与否的重要先决条件，总结多个失败实例，其中60%与浆液质量有关。因此，技术人员要紧密结合隧洞围岩实际情况，在参照其他工程经验及理论计算基础上再进行调整，切不可直接照搬。