有压引水隧洞分时段高压固结灌浆效果试验

王志国

(凌源市水务事务服务中心，辽宁 朝阳 122500)

长距离有压引水隧洞工程具有埋深大、洞线长、洞径大等特点。由于Ⅳ、Ⅴ类围岩岩体结构破碎，围岩弹性模量低，在内水条件作用下不能为隧洞衬砌提供过多的弹性抗力，故需对工程中Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段进行固结灌浆，以期达到提高围岩弹抗，改善衬砌受力，兼有减小内水外渗对围岩的破坏及减小外水水头的作用[1]。常规固结灌浆为衬砌后固结灌浆，衬砌浇筑作业与固结灌浆作业存在交叉干扰，影响工程直线工期[2]。近年来，长距离大断面有压引水隧洞无盖重、分时段高压固结灌浆技术研究及应用，在国内取得一定的研究成果[3-14]，但这些成果大都是基于工程的地质条件编写的，尚存一定局限性[15-16]。综上，下文提出在隧洞施做衬砌混凝土前，进行裸洞无盖重固结灌浆，结合隧洞锚喷初期支护能承受的设计灌浆压力，通过对灌浆孔孔口卡塞(孔口管)处固结灌浆盲区部位的处理，提出适用于长距离有压引水隧洞可行的无盖重、分时段固结灌浆方案。成果对有压引水隧洞高压固结灌浆方式的研究具有重要参考价值。

1 试验方案

研究选择引汤入细引水隧洞支洞控制段的涌水段Ⅳ类围岩作为起灌段，试验段长度12.0m。共进行3次固结灌浆试验。第一时段，采用全孔1次灌浆法，灌浆方式采用孔内循环灌浆。灌浆孔内循环采用止浆塞进行止浆，止浆塞深入灌浆孔内长度不大于0.5m，灌浆长度6.0m，最大灌浆压力1.5～1.8MPa。对于局部洞段成孔困难的灌浆孔，设置孔口管，灌浆材料采用普通硅酸盐水泥，强度等级不应低于P.O.42.5。第二时段采用全孔1次纯压式灌浆法，灌浆长2.0m，在隧洞衬砌之前，预埋固结灌浆管。灌浆段应以小压力、大流量进行灌浆控制。灌浆材料采用磨细水泥，并采用HSC(含水细沙型)注浆材料。

2 试验结果

2.1 第一次灌浆试验

试验共分5组，每组7～8孔，共38孔。试验方案为无孔口管，全孔1段灌浆。灌浆孔径φ40mm，孔深6.0m，塞深不小于0.5m，最大灌浆压力1.0～1.5MPa。试验结果见表1。

表1 第一次试验各组序灌浆情况

从表1可看出，各分组灌浆试验孔均可满足设计透水率均大于5Lu的要求，对试验段而言，无盖重固结灌浆采用1.5MPa左右的最大灌浆压力是可行的。灌浆塞位置的设置较深(不小于0.5m)，不利于表层围岩的固结。钻孔、灌浆设备可作为常规灌浆设备进行固结灌浆。

2.2 第二次灌浆试验

选择支洞控制段上游侧Ⅳ类围岩作为试验段，选取试验段长12.0m。试验方案分为2种：有、无孔口管，皆是全孔2段灌浆，每段长3.0m，1.0～3.0m灌浆压力为0.5～0.8MPa，3.0～6.0m灌浆压力为1.0～1.5MPa。试验段选取5排孔进行试验，1、2排作为无孔口管试验部分，3、4、5排作为有孔口管试验部分。孔口管采用φ56mm无缝钢管，孔口管长2.0m，孔口管外接法兰，孔口管内端部留1.0m封闭段，剩余1.0m设置灌浆花孔，沿管壁每隔10～20cm交错钻眼，眼孔直径6～8mm，梅花形布置。第二次灌浆，压力为1MPa时，试验结果见表2。

表2 第二次试验各孔号固结灌浆情况

从表2可以看出，有孔口管的固结灌浆，孔口管段的灌浆效果未能达到设计要求。有孔口管的试验段，第一时段的注浆量远小于无孔口管段，孔口管阻碍水泥浆液的扩散，是导致孔口管段1.0～3.0m段达不到设计要求、透水率不大于5Lu的主要原因。无孔口管段，1.0～3.0m段在较小的灌浆压力(0.5～0.8MPa)下，最浅灌浆塞深仍为0.4m，而不利于隧洞表面围岩的固结。

2.3 第三次灌浆试验

选择引水隧洞支洞控制段上游侧Ⅳ类围岩作为试验段。选取试验段长27.0m。试验方案主要分为全孔灌浆2种：1段和2段。试验段选取，合计12排孔，试验结果见表3。

表3 第三次试验各排孔固结灌浆情况

从表3可见，在满足设计透水率不大于5Lu的前提下，全孔2段的效果更好些，可提升约14%。全孔2次的施工工序更多，施工时长约为1次的2倍。此外，在破碎围岩内固结灌浆为保证在设计的灌浆压力下，不会出现脱塞的现象，这要求止浆塞要有足够的深度。试验中，深度一般不小于0.5m，同时针对1个灌浆孔，可设置多道止浆塞。

2.4 灌浆试验成果与讨论

三次固结灌浆试验后表明，衬砌前利用隧洞初期支护(C30喷混凝土，厚15cm)对Ⅳ、Ⅴ类围岩进行固结灌浆的工艺是可行的。但鉴于灌浆需要将止浆塞置于0.5～1.0m孔深处，水泥浆液对隧洞浅表层围岩的固结效果亦是有限的。在衬砌后，需要对Ⅳ、Ⅴ类围岩进行二次补强灌浆。为提高长距离有压引水隧洞灌浆固结效果，需采取如下措施。

(1)灌浆时段划分。第一施工时段，在混凝土衬砌之前进行固结灌浆施工，固结灌浆施工不影响直线工期。此外衬砌之前固结，可减少洞内各个工序间的干扰，衬后的补强固结灌浆，可根据主洞内的衬砌情况，进行灵活调整，从而减少直线工期。第二施工时段补强固结灌浆时，可以简化施工工艺。

(2)灌浆压力控制。第一施工时段灌浆段应以大压力、小量流原则，进行灌浆控制。第二施工时段灌浆段，应以小压力、大量流为原则，进行灌浆控制。钻孔在初期支护上进行，施工速度较快，孔位偏差较小；衬砌后的补强固结灌浆孔孔深较浅(2.0m)，衬砌预留灌浆孔数量较少，钻孔施工难度低，对混凝土衬砌结构影响较小。此外，衬砌前进行固结需要增加一道衬砌后的补强工序。衬砌后，进行固结，需一次性进行固结灌浆，不增加施工工序。

(3)灌浆材料选用。第一时段采用普通硅酸盐水泥。第二时段采用磨细水泥，灌浆磨细水泥采用HSC(含水细沙型)注浆材料。

(4)钻孔布置。第一时段全断面布置深孔，固结围岩深部松动圈。第二时段减少钻孔布置浅孔，固结围岩表层盖重盲区。

3 结论

(1)有压引水隧洞受内外水压力作用，即要承受外水压力，又要控制内水外渗。因此，建议长距离有压隧洞围岩衬砌之前，进行固结灌浆；衬砌之后，所有的围岩洞段进行补强固结灌浆。

(2)对于软质岩、果松组和林子头组的火山碎屑岩(如凝灰岩)、南芬组页岩及泥灰岩的围岩洞段，应根据围岩松动圈测试成果、施工期收敛变形观测成果及渗漏水情况等，局部洞段应进行固结灌浆。

(3)为减少二次补强灌浆的钻孔对衬砌的完整性的损害，设计减少了二次补强灌浆的孔数。同时，为达到理想的固结效果，建议二次灌浆可采用HSC超细水泥作为灌浆材料。