蔡海燕

(中國水利水電第七工程局 成水公司，成都611730)

錦屏二級水電站工程樞紐主要由首部低閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房等永久性建筑物組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。引水隧洞最大埋深2 525 m、最高地下水位約2 623 m，最大壓力水頭1 100 m左右。根據(jù)三維應力場初始地應力場反演回歸分析，在隧洞高程1 600 m處最大主應力為70.1 MPa，最小主應力30.1 MPa。由此可知，在如此惡劣地質(zhì)條件下，加上隧洞圍巖及封閉隧洞周邊巖體裂隙的影響，隧洞圍巖的整體性和抗變形能力將受到極其嚴峻的考驗。因此，必須采取諸如固結灌漿等工程措施對隧洞圍巖進行加固以增強圍巖抗?jié)B能力和長期滲透穩(wěn)定性，從而確保整個錦屏工程安全及順利竣工。

為減小內(nèi)側襯砌結構上的外水壓力和滲透梯度，防滲高壓固結灌漿，利用在滲透水壓力作用下結構滲透系數(shù)與所受滲透壓力成反比的滲流力學基本原理，通過合理的圍巖固結灌漿設計，實現(xiàn)隧洞外層圍巖固結灌漿圈滲透系數(shù)較小，相應承擔的外水滲透壓力大;內(nèi)層固結灌漿圈滲透系數(shù)較大，相應承擔的外水滲透壓力小。即達到隧洞圍巖滲透系數(shù)由外到內(nèi)逐層遞增，滲透水壓力由外到內(nèi)逐層遞減的效果，使圍巖固結灌漿圈成為承載高外水壓力的主要結構。

本文以錦屏二級水電站引(4)14+870～引(4)14+920洞段為研究對象，采用防滲無蓋重高壓固結灌漿技術，通過現(xiàn)場試驗等手段確定出超高滲透壓力下合理的灌漿參數(shù)和灌漿工藝，使灌漿在周邊形成一定深度的灌漿加固圈，成為隧洞承載和防滲阻水的主要結構。

1 灌漿鉆孔參數(shù)及布孔型式

1.1 鉆孔參數(shù)

依據(jù)灌漿理論與方法[1]，確定灌漿鉆孔參數(shù)為:固結灌漿鉆孔孔徑 φ56 mm，孔深12 m;檢查孔孔徑φ56 mm(取芯孔孔徑 φ76)，孔深11 m;彈性波檢測孔孔徑 φ56 mm，孔深12 m;先導孔孔徑φ76 mm;抬動觀測孔孔徑φ91 mm，孔深12 m;漿液擴散半徑檢測孔孔徑 φ76 mm，孔深12 m。

引(4)14+870洞段上游側距橫向通風洞5 m，為減少在高壓灌漿時橫向通風洞發(fā)生串漿現(xiàn)象，在靠通風洞上游側布置20個向下游偏10°的灌漿孔，每排5孔×4排=20孔。斜孔孔深12.185 m，斜孔孔底偏離原灌漿孔孔底2.16 m。

采用最大壓力超過1.5倍灌漿壓力的高壓灌漿泵，額定壓力達30 MPa，可以確保在6 MPa灌漿壓力下性能穩(wěn)定地工作，其性能參數(shù)列于表1。

表1 高壓注漿泵性能參數(shù)

1.2 鉆孔類型與布置方法

參照灌漿技術方法[2]，灌漿孔主要有先導孔、抬動觀測孔、聲波測試孔和漿液擴散半徑測試孔等，布置方法有所不同。

1.2.1 先導孔

在無蓋重防滲固結灌漿段布置17個先導孔，鉆孔直徑為φ76 mm。

1.2.2 抬動觀測孔

1)抬動觀測孔布置

在無蓋重高壓固結灌漿區(qū)布置7個抬動觀測孔，其位置依據(jù)地質(zhì)條件而定。

2)抬動觀測孔安裝

抬動觀測孔采用 XY－2PC鉆機鉆孔，鉆孔孔深12 m，抬動觀測裝置安裝步驟如下:①抬動孔底部0.6 m用0.5∶1水泥漿充填，隨即在孔內(nèi)下置一根φ25 mm鋼管，管底部0.6 m處焊接對中圓形鋼板，鋼板上設置一橡膠柱。②在 φ25 mm鋼管外套一根 φ50 mm鋼管，鋼管底部與橡膠柱緊密接觸，用1∶1油膏和粉細砂充填φ50 mm鋼管外壁與孔壁間的環(huán)狀間隙，充填段長各1 m。再在φ25 mm鋼管上端連接一根長25 cm的橫向鋼管。③在該孔附近30 cm處的基巖面安裝TDGC－2009型自動監(jiān)測裝置(見圖1)。

圖1 抬動觀測傳感器安裝

3)抬動變形觀測

①在壓水試驗、灌漿前、灌漿期間，監(jiān)測被灌巖體的抬動情況。②設有抬動變形觀測部位，其觀測孔臨近的灌漿孔段在裂隙沖洗、壓水試驗及灌漿過程中均進行觀測。③抬動變形采用TDGC－2009型抬動監(jiān)測記錄儀進行實時觀測，每隔10 min記錄一次讀數(shù)。④使用的TDGC－2009型抬動監(jiān)測記錄儀，應經(jīng)常檢查，確保其靈敏性和準確性。⑤抬動變形觀測派專人進行觀測記錄。在裂隙沖洗、壓水試驗及灌漿等作業(yè)過程中，當變形值接近200 μm或變形值上升速度較快時，應及時報告各工序操作人員采取降低壓力措施，防止發(fā)生抬動破壞。⑥ 灌漿過程中嚴密監(jiān)視抬動裝置TDGC－2009型抬動監(jiān)測記錄儀的情況變化。當累計抬動值 <100 μm時，灌漿壓力的升降過程按規(guī)定執(zhí)行;當100 μm≤累計抬動值 <200 μm時，灌漿升壓過程嚴格控制注入率小于10 L/min，如果累計抬動值不再上升，逐級升壓，否則停止升壓;當累計抬動值≥200 μm時，停止灌漿，待凝8 h后掃孔復灌。

4)抬動監(jiān)測系統(tǒng)及傳感器安裝

抬動監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是傳感器將觀測部位抬動值檢測出來，并傳送到記錄儀，記錄儀在抬動值<10 μm時，不做記錄，當抬動值每增加10 μm時，記錄儀將以班報的形式產(chǎn)生一條記錄。當抬動值增加超過設定報警值時(例如:100μm時)，報警器將報警。

1.2.3 聲波測試孔

在灌前和灌后，聲波測試孔按固結灌漿孔數(shù)的5%布置，灌前聲波孔數(shù)量為21個孔，完成鉆孔并清洗后進行單孔聲波測試。聲波測試孔鉆孔直徑為φ56 mm，孔深為12m。當聲波孔為水平孔時，鉆孔角度從水平方向下傾5°。

1.2.4 漿液擴散半徑測試孔

利用固結灌漿鉆孔測定漿液擴散半徑，測試擴散半徑與灌漿結束標準以及漿液水灰比的關系，為確定灌漿孔間距、灌漿結束標準提供參考。漿液擴散半徑測試孔鉆孔直徑為φ76 mm，孔深為12 m(取芯)。

1.2.5 鉆孔布孔形式

4#引水隧洞布孔形式見表2，4#引水隧洞灌漿孔布置如圖2所示。

表2 4#引水隧洞無蓋重高壓固結灌漿布孔形式

圖2 灌漿孔布置

2 灌漿工藝及其施工

按灌漿技術［3－4］，結合錦屏工程實際情況，確定以下灌漿工藝以及灌漿水灰比和漿液變換原則等相關參數(shù)。

2.1 固結灌漿工藝流程

施工準備→底板右半幅灌漿孔的孔口段鑲鑄孔口管并進行0～4 m段灌漿→底板右半幅奇數(shù)排中奇數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板右半幅奇數(shù)排中偶數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板右半幅偶數(shù)排中奇數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板右半幅偶數(shù)排中偶數(shù)孔的分段鉆孔灌漿施工→底板左半幅灌漿孔鑲鑄孔口管及鉆孔灌漿施工(與底板右半幅灌漿孔施工順序類似)→邊頂拱鉆孔灌漿施工(除個別孔鑲鑄孔口管外，其它邊頂拱的灌漿孔與底板灌漿孔施工順序類似)→固結灌漿質(zhì)量檢查(底板孔先施工完成，先進行檢查)→補灌(如需補灌)→補灌后檢查。

2.2 施工程序

施工準備→試驗洞段平場→施工平臺搭設→固結灌漿鉆孔(含灌前聲波孔、先導孔、抬動孔及鑲鑄孔口管等)→固結灌漿施工(含漿液擴散半徑測定孔)→固結灌漿質(zhì)量檢查(壓水試驗或灌后彈性波檢測)→補灌(如需補灌)→補灌后檢查。

2.3 灌漿段長及壓力

無蓋重固結防滲灌漿(邊頂拱0～4 m段不灌漿，但根據(jù)圍巖條件擇機進行灌漿，并鑲鑄孔口管)分段長度和壓力選擇見表3。

表3 無蓋重固結防滲灌漿分段長度和壓力(孔深12 m)

2.4 灌漿水灰比和漿液變換原則

1)漿液配比

地下水發(fā)育洞段水泥漿液可采用水灰比為1∶1至0.5∶1的純水泥漿液。水泥砂漿水灰比(0.38～0.42)∶1(可根據(jù)需要摻加速凝劑、高效減水劑等獲得批準的外加劑)，水泥∶砂為1∶(1～0.8)，砂礫石直徑不大于2.5 mm。當吸漿量大時，還可在水泥砂漿中摻入瓜米石，瓜米石直徑不大于15 mm，水∶水泥∶砂∶瓜米石，配合比采用(0.38 ～0.5)∶1∶1∶1。

2)漿液變換原則

①當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少或當注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時，不改變水灰比。② 當某一比級漿液注入量已達300 L以上，或灌注時間已達30 min，或當注入率大于30 L/min時，且灌漿壓力和注入率均無顯著改變時，則改濃一級水灰比。③當注入率達到30 L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。④ 當采用最大濃度漿液施灌，注入率很大而不見減少時，可采用間歇灌漿法或改用砂漿灌注。⑤ 灌漿過程中，由于改變漿液水灰比而使灌漿壓力突增或吸漿量突減，應立即查明原因，隨時調(diào)整。⑥當采用某一比級漿液灌注升壓時，圍巖累計抬動值大于0.1 mm而小于0.2 mm時，升壓過程應需控制注入率小于10 L/min，如果累計抬動值不再上升，應逐級升壓，否則停止升壓，在累計抬動值超過0.2 mm時，應停止灌注，待凝8 h后掃孔復灌。

2.5 試驗結果

1)在奇數(shù)排(Ⅰ序)內(nèi)的偶數(shù)孔，偶數(shù)排(Ⅱ序)的奇數(shù)孔及偶數(shù)孔中，布置的漿液擴散半徑孔在3 m排距內(nèi)4～8 m段的漿液結石較少，8～12 m段漿液結石無;在2 m排距內(nèi)的4～12 m段的漿液結石也較少，說明灌漿的孔距待加密。

2)從灌前壓水試驗結果可知，3 m排距內(nèi)的平均呂容值約25 Lu，2 m排距內(nèi)的平均呂容值約20 Lu，即3 m排距內(nèi)的平均呂容值(25 Lu)大于2 m排距內(nèi)的平均呂容值(20 Lu)。

3)從水泥灌入量可知，3 m排距內(nèi)的水泥灌入量為282.1 t，平均水泥單耗約258.2 kg/m，沿隧洞洞軸線方向水泥平均單耗為12.5 t/m。2 m排距內(nèi)的水泥灌入量為307.2 t，平均水泥單耗約210.4 kg/m，沿隧洞洞軸線方向水泥平均單耗為14.3 t/m。

根據(jù)灌漿技術要求，在條件相同情況下，漿液的擴散半徑理論上是一樣的。但此試驗段3 m排距內(nèi)的水泥單耗小于2 m排距內(nèi)的水泥單耗量，即3 m排距內(nèi)的灌漿孔的漿液擴散直徑還沒有達到3 m。

4)3 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔灌前平均呂容值為10.5 Lu，2 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序孔)的偶數(shù)孔灌前平均呂容值為7.9 Lu，即3 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔平均呂容值>2 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔的平均呂容值。說明3 m排距內(nèi)偶數(shù)排(Ⅱ序)的偶數(shù)孔灌前呂容值較大，如果在3 m排距內(nèi)加密進行灌漿時，還能灌入水泥漿液，即3 m排距較大。

5)3 m排距內(nèi)的灌后壓水檢查孔平均呂容值為1 Lu，2 m排距內(nèi)的灌后壓水檢查孔平均呂容值為0.5 Lu;3 m排距內(nèi)的環(huán)間壓水檢查孔平均呂容值為1.2 Lu，2 m排距內(nèi)的環(huán)間壓水檢查孔平均呂容值為1.1 Lu。

6)聲波檢查孔:從波速變化情況看，各個檢測孔灌后波速較灌前都有提高，波速增長率范圍為0～43.1%，灌后波速值均大于5 000 m/s，表明檢測段灌漿質(zhì)量良好、灌漿效果明顯，灌漿檢測合格。從增長率情況看，各個檢測孔灌前波速小于5 000 m/s測點的平均增長率為28.8%，灌前波速大于5 000 m/s測點的平均增長率為3.8%，這表明灌漿前巖體波速相對較低測點(段)，灌漿效果最為明顯。

7)灌后取芯孔:由試驗區(qū)21個灌后檢查孔中，選取了2個孔做了取芯鉆孔檢查。從取出的芯樣可看出，試驗區(qū)2個取芯檢查孔中發(fā)現(xiàn)有較多水泥結石;有的結石充填于溶蝕裂隙內(nèi)，有的結石充填于溶蝕小穴內(nèi)，有的結石為水泥砂漿柱體，最長的水泥結石柱長為20 cm。說明灌漿后，地層中的溶蝕空腔、溶蝕裂隙、溶蝕小穴等基本充填密實，灌漿水泥結石效果比較明顯。但窄細裂隙需進一步加密灌漿孔進行灌注。

3 結論

1)錦屏二級水電站引水隧洞灌漿工程試驗表明，在高地應力及超高滲透壓力條件下掘進大斷面隧洞時，采用無蓋重固結灌漿施工技術及其布孔參數(shù)與工藝可使圍巖防滲能力得到顯著提高，能夠滿足工程實際需要。即能通過合理的圍巖固結灌漿設計，實現(xiàn)隧洞外層圍巖固結灌漿圈滲透系數(shù)較小，內(nèi)層固結灌漿圈滲透系數(shù)較大，達到隧洞圍巖滲透系數(shù)由外到內(nèi)逐層遞增，滲透水壓力由外到內(nèi)逐層遞減的效果，使圍巖固結灌漿圈成為承載高外水壓力的主要結構。

2)因隧洞本身的地質(zhì)、斷面條件以及地下水等條件較為復雜，對無蓋重固結灌漿施工技術的灌漿厚度、配漿以及壓力等還有待于進一步研究。

3)根據(jù)無蓋重固結高壓灌漿階段性成果，為保障無蓋重固結高壓灌漿正常施工及隧洞圍巖的安全性、穩(wěn)定性及可靠性，建議錦屏二級水電站無蓋重固結高壓灌漿按孔排距2 m×2 m布置，即排距2 m，孔距2 m。

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[2] 沈春林.地下防水工程實用技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

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