超大涌水地層壓漿式膜袋封堵灌漿施工技術(shù)研究

蔡海燕，劉貴軍

(中國(guó)水利水電第七工程局 成水公司，成都 611730)

超大涌水地層壓漿式膜袋封堵灌漿施工技術(shù)研究

蔡海燕，劉貴軍

(中國(guó)水利水電第七工程局 成水公司，成都 611730)

以埋深1 500～2 525 m、最大主應(yīng)力值54 MPa、超大流量和超高壓地下涌水的錦屏二級(jí)電站隧洞工程為背景，對(duì)膜袋封堵灌漿施工技術(shù)進(jìn)行研究。綜合運(yùn)用灌漿理論與隧洞工程技術(shù)并在借鑒以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了錦屏隧洞初始?jí)毫s為1 MPa及約400 L/s涌水量的具體情況，提出了壓漿式膜袋注漿原理、堵水方案及其施工方法和工藝。實(shí)踐表明，采用壓漿式膜袋封堵灌漿技術(shù)灌漿7 d后堵水率可達(dá)97.5%，且可大幅度降低相鄰隧洞和其他洞段的涌水量，能有效解決超大流量超高壓條件下堵水難題。

隧洞工程 灌漿施工 壓漿式 膜袋封堵 超大流量

錦屏二級(jí)水電站共修建4條直徑為13 m的引水隧洞、1條排水洞、2條輔助交通隧洞和多條檢修及聯(lián)絡(luò)輔助性隧洞，其中還須開(kāi)挖特大斷面的地下廠房和TBM組裝洞室，是規(guī)模龐大的地下洞群建筑。引水隧洞群為包括穿越錦屏山主峰山體、埋深達(dá)1 500～2 525 m，隧洞洞線高程的最大主應(yīng)力值達(dá)54 MPa，條件非常惡劣。設(shè)計(jì)與施工中必須解決的難題眾多，其中隧洞超大量涌水嚴(yán)重影響施工安全、質(zhì)量與進(jìn)度即為難題之一。依據(jù)錦屏二級(jí)水電站前期A、B輔助洞推測(cè)，4條引水隧洞最大涌水流量為20 m3/s，單點(diǎn)流量最大為5～7 m3/s，單條引水隧洞最大流量8 m3/s，最大單點(diǎn)涌水壓力達(dá)7 MPa，涌水(含涌泥)點(diǎn)總數(shù)達(dá)2 000個(gè)。隧洞內(nèi)地下水具有涌水量大、出水點(diǎn)多及壓力大等特點(diǎn)，加上較為特殊的大埋深、高地應(yīng)力等地質(zhì)條件影響，如果出現(xiàn)涌水，很可能對(duì)人員、設(shè)備乃至整個(gè)隧洞群造成災(zāi)難性后果，最起碼會(huì)嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和進(jìn)度。如2007年8月5日凌晨1時(shí)許宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧道發(fā)生事故，30 t的裝載機(jī)被沖走80 m，50 t的噴漿臺(tái)車(chē)被沖走50 m。因此，錦屏工程施工中超大流量及高壓條件下堵水技術(shù)研究已經(jīng)刻不容緩。

為此，必須結(jié)合錦屏工程的實(shí)際，對(duì)地下水灌漿封堵技術(shù)進(jìn)行一系列研究，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供可靠依據(jù)，減少施工的盲目性，避免施工事故發(fā)生，從而保證工程安全、快速、順利進(jìn)行。

1 隧洞涌水實(shí)際情況分析

錦屏工程堵水灌漿包括所有隧洞，在此僅對(duì)2#引水隧洞進(jìn)行分析，其他不作贅述。

2008年3月25日，2#引水隧洞上斷面位于樁號(hào)引(2)15+194掌子面有7個(gè)較大地下涌水量排水孔，主要從掌子面的幾條大裂隙交匯處涌出。另外，在掌子面底部，有一股由下而上且壓力約為1 MPa噴出涌水。掌子面初始涌水流量約400 L/s，7 d后涌水流量減至84 L/s，其掌子面出水點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖1 引(2)15+194斷面出水點(diǎn)分布

由東向西即由下游至上游方向，沿隧洞軸線方向按公里樁號(hào)所處位置的水位及水壓進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨著向上游方向掘進(jìn)，水位及水壓逐漸升高，到隧洞中部后達(dá)到最大，見(jiàn)圖2。由此可見(jiàn)，盡管目前僅為施工前期，地下涌水就已經(jīng)成為必須解決的問(wèn)題，當(dāng)隧洞掘進(jìn)到里程一半或到埋深最大地段時(shí)，地下涌水量將更大，水壓將更高，會(huì)嚴(yán)重影響施工安全與進(jìn)度。

圖2 2#引水隧洞軸線樁號(hào)與地下水位對(duì)比

2 封堵技術(shù)方案分析

依據(jù)灌漿理論和隧洞工程技術(shù)，結(jié)合錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的地質(zhì)與施工條件，目前涌水以及即將出現(xiàn)更大涌水且超高水壓的實(shí)際情況，綜合運(yùn)用灌漿理論并在借鑒以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出膜袋封堵灌漿施工技術(shù)，以此解決涌水壓力高、流速快且施工難度大的高難堵水灌漿施工難題。

2.1 膜袋注漿原理

由于涌水量超大且水壓超高，按以往技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行灌漿會(huì)因水泥砂漿不能及時(shí)凝固被大流量、高水壓涌水沖散，顯然不能達(dá)到施工質(zhì)量要求，甚至徹底失敗。為此，針對(duì)引水隧洞涌水壓力高，流速快，施工難度大等特點(diǎn)，選擇壓漿式膜袋封堵灌漿施工:首先，對(duì)地質(zhì)條件較破碎且大涌水點(diǎn)部位采用多臂鉆鉆孔;其次，對(duì)膜袋外管淺層封堵灌漿，通過(guò)膜袋外管進(jìn)漿并同時(shí)內(nèi)管通水作業(yè);最后，對(duì)膜袋內(nèi)管深層封堵灌漿，即通過(guò)膜袋內(nèi)管進(jìn)漿和外管屏漿。由此，可有效地解決大涌點(diǎn)的水壓高、流速快及封堵灌漿難等問(wèn)題，壓漿式膜袋結(jié)構(gòu)及其封堵灌漿原理見(jiàn)圖3。

圖3 壓漿式膜袋封堵灌漿原理

2.2 膜袋注漿作用

1)壓漿式膜袋能代替高壓涌水的孔口管安裝，可成功解決高壓大涌水的灌漿阻塞問(wèn)題。

2)壓漿式膜袋堵漏工藝為洞挖超前灌漿施工提供了技術(shù)支持空間，能大大減少超前灌漿工程量，為洞挖節(jié)約成本，比超前灌漿施工時(shí)間縮短60%左右。

3)壓漿式膜袋可根據(jù)涌水孔孔徑及漏失地層空腔大小，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制作，從而有效對(duì)圍巖漏失地層及圍巖涌水孔進(jìn)行封堵灌漿，可消除諸如采用化學(xué)灌漿對(duì)環(huán)境的有害影響。

4)按實(shí)際涌水孔及漏失地層的具體情況，膜袋可設(shè)置成內(nèi)管和外管，以便有針對(duì)性地進(jìn)行淺層封堵灌漿和深層封堵灌漿。

3 堵水施工及效果分析

按壓漿式膜袋封堵灌漿施工原理，結(jié)合錦屏工程地下涌水實(shí)際情況，對(duì)施工工藝及施工效果進(jìn)行分析。

3.1 施工工藝

鑒于引水隧洞埋深大、巖爆較為頻繁以及地質(zhì)條件較為復(fù)雜，施工中容易造成孔壁垮塌且涌水壓高等情況，故采用常規(guī)鉆孔灌漿堵漏施工難度較大。為此，采用多臂鉆鉆孔、壓漿式膜袋封堵灌漿以及雙液法灌漿等技術(shù)，其工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 壓漿式膜袋封堵灌漿工藝流程

1)布孔方式 當(dāng)涌水點(diǎn)為裂隙時(shí)，按裂隙結(jié)構(gòu)面的走向及產(chǎn)狀布置封堵灌漿孔，使鉆孔與裂隙在不同深度斜向相交。待裂隙面流水被鉆孔分流后，沿裂隙面鑿一些深槽，用快速堵漏劑和膜袋進(jìn)行封堵。當(dāng)出水點(diǎn)為涌水孔時(shí)，則以出水點(diǎn)為中心，半徑分別為1 m和2 m進(jìn)行圓形布孔，孔距和孔數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)各出水點(diǎn)的情況確定。

2)造孔及其參數(shù) 采用353E型三臂鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔，堵水灌漿鉆孔參數(shù)列于表1。

表1 堵水灌漿鉆孔參數(shù)

3)膜袋埋設(shè) 由于涌水孔及漏失孔孔徑形狀不規(guī)則，采用膜袋灌漿封堵時(shí)，充填灌液后的膜袋直徑要遠(yuǎn)大于涌水孔孔徑，采用土工布或化纖布材料縫制成直徑不等的膜袋，以便適用不同孔徑的涌水孔，膜袋埋設(shè)見(jiàn)圖5。

4)灌漿材料 用于堵水灌漿水泥強(qiáng)度等級(jí)采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥、化學(xué)控制液。灌漿水灰比擬采用 1∶1、0.8∶1、0.5∶1三個(gè)比級(jí)，開(kāi)灌水灰比采用 1∶1，漿液濃度由稀到濃逐級(jí)變化，并形成可控灌漿。

5)堵水灌漿壓力 按比滲水壓力大1.5 MPa的原則執(zhí)行或?yàn)闈B水壓力的2～3倍。在堵水灌漿實(shí)施過(guò)程中，化學(xué)控制液泵最高壓力10 MPa，灌漿記錄儀最高壓力9 MPa，頂拱及掌子面的巖層無(wú)抬動(dòng)現(xiàn)象。

圖5 壓漿后的膜袋

表2 堵水灌漿相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì) MPa

6)灌漿施工 先封堵涌水量較小的孔，再封堵涌水量較大的孔;先進(jìn)行淺層(孔深3～4 m)封堵灌漿，后進(jìn)行深層(孔深＞4 m)封堵灌漿。灌漿相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 堵水效果分析

對(duì)于采用壓漿式膜袋封堵灌漿施工的效果，主要從單條隧洞以及相鄰隧洞整體涌水量處理前后對(duì)比進(jìn)行分析。從單個(gè)隧洞看，初始涌水量400 L/s，灌漿7 d后減少到10 L/s，堵水率為97.5%，完全達(dá)到了預(yù)期的堵水效果，從而改善了隧洞開(kāi)挖及支護(hù)施工作業(yè)條件，保證了整個(gè)施工的安全。另外一方面，2#引水隧洞灌漿堵水后，輔助洞和1#、3#、4#引水隧洞相應(yīng)洞段的涌水量也大幅度減少，說(shuō)明2#引水隧洞的灌漿能夠截?cái)喔凰畮У牟糠至严锻ǖ馈?/p>

4 結(jié)論

1)由隧洞施工及堵水結(jié)果表明，依據(jù)地質(zhì)條件、施工特點(diǎn)、灌漿技術(shù)理論并充分結(jié)合錦屏工程實(shí)際提出的壓漿式膜袋封堵灌漿技術(shù)，能夠達(dá)到大埋深及超大流量、超高壓條件下的堵水效果，灌漿7 d后堵水率可達(dá)97.5%。且可大幅度降低相鄰隧洞和其他洞段的涌水量，可大大減少灌漿工程量，縮短施工工期，降低施工成本。

2)因錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程地質(zhì)及施工條件較為復(fù)雜，壓漿式膜袋封堵灌漿技術(shù)中的鉆孔、材料、施工方法，特別是膜袋安裝以及不同水壓、水量條件下膜袋的強(qiáng)度要求等均須進(jìn)一步研究。

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U445.49

B

1003-1995(2010)06-0074-03

2010-01-18;

2010-03-26

蔡海燕(1977— )，男，四川巴中人，工程師。

(責(zé)任審編 趙其文)