水工隧洞涌水灌漿材料比選試驗(yàn)

武立強(qiáng)

（遼寧省水利廳，沈陽 110003）

1 工程實(shí)例

遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程包括取水頭部、隧洞、連接段、輸水管線、穩(wěn)壓塔及配水站等。其中輸水隧洞長25.4km，為有壓洞，最大壓力0.55MPa，成洞洞徑6m，混凝土襯砌，局部采用預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。隧洞段位于遼寧省撫順市南郊，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，地勢呈北高南低，溝谷發(fā)育，且多數(shù)常年有水。隧洞段洞室一般埋深在30～70m之間，洞頂埋深小于30m的淺埋段占整個洞線長度的29%，淺埋段分布于洞線上的14處河谷，最淺處僅7～11m。隧洞開挖過程中大部分洞段以面狀滴水或線流為主，洞線穿越溝谷位置極易發(fā)生涌水。

以遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程隧洞段開挖過程中某部位發(fā)生的涌水處理為實(shí)例，簡述處理方案的試驗(yàn)過程。

2 試驗(yàn)方案

2.1 灌漿工藝

為了防止?jié){液從掌子面涌出，并保證漿液在較高的注漿壓力作用下沿涌水通道有效擴(kuò)散，注漿前在緊貼掌子面澆筑一定厚度的混凝土止?jié){墻（厚度、強(qiáng)度視灌漿壓力而定），對涌水區(qū)進(jìn)行封閉。在混凝土止?jié){墻區(qū)域布孔，按鉆一孔灌一孔的方法進(jìn)行，鉆孔以穿透混凝土止?jié){墻并出現(xiàn)涌水為首次灌漿孔深，第一個孔灌漿結(jié)束后，按相同的方法進(jìn)行第二孔灌漿，直至涌水區(qū)域全部封堵。

2.2 施工技術(shù)要點(diǎn)

2.2.1 鉆孔

用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔、掃鉆，孔徑準(zhǔn)50~60mm，孔深以穿透混凝土止?jié){墻并出現(xiàn)涌水為原則。

2.2.2 埋管

埋一根進(jìn)漿管至孔底，進(jìn)漿管可采用準(zhǔn)30mm鋼管，靠近孔底約2m范圍加工為花管，靠近孔口采用專用灌漿塞與進(jìn)漿管連接，保證孔口密封不漏漿。

2.2.3 灌漿

2臺大流量齒輪泵 （100L/min，2.5MPa，1用1備）并聯(lián)到進(jìn)漿管，當(dāng)1臺工作泵出現(xiàn)故障時，閥門快速轉(zhuǎn)換至另1臺泵，保證灌漿不間斷。大流量灌注，直至壓力陡增，管路固化堵塞即結(jié)束。

2.3 不同灌漿材料試驗(yàn)效果及原因分析

2.3.1 特種水泥

2.3.1.1 性能特點(diǎn)

普通硅酸鹽水泥P.O 42.5注漿材料的優(yōu)點(diǎn)是原材料來源廣泛、成本低、無毒性，施工工藝簡單方便。缺點(diǎn)是水泥漿液穩(wěn)定性較差、易沉淀析水、凝結(jié)時間較長，并且由于水泥粒徑較大，注入能力對微細(xì)裂隙往往受到限制。在流速較大的條件下注漿時，水泥漿液易受水的沖刷和稀釋而難以固結(jié)［1］。因此本工程選擇一種特種水泥（HSC超細(xì)水泥）進(jìn)行試驗(yàn)分析。

HSC特種水泥主要由特制硫鋁酸鹽水泥、專用外加劑組成，經(jīng)過粉磨，混拌工藝加工而成。由HSC特種水泥加水混合制成的漿液具有可灌注性好、凝結(jié)時間比普通水泥快、黏度和壓力泌水比普通水泥小、結(jié)石率高等特點(diǎn)。按規(guī)定配合比及制漿工藝制成的漿液最快20min即可固化，且時間可調(diào)節(jié)，這一特點(diǎn)使HSC特種水泥比普通水泥更適于阻水灌漿工程。

2.3.1.2 試驗(yàn)效果及原因分析

HSC特種水泥漿灌注后，布設(shè)的導(dǎo)水孔流量較灌漿之前沒有明顯減少；檢查灌漿孔的芯樣中水泥結(jié)石成分很少。

未達(dá)到阻水效果的主要原因是漿液和基巖之間水泥結(jié)石很少，大量水泥膠結(jié)成分流失。試驗(yàn)證明灌漿前按規(guī)定水灰比配置的水泥漿液一旦再次被大量水稀釋，將無法發(fā)揮其快速固化的特性。

2.3.2 水玻璃（水泥—水玻璃）

2.3.2.1 性能特點(diǎn)

水玻璃即硅酸鈉，是一種水溶性硅酸鹽，其水溶液俗稱水玻璃。水玻璃因其原材料來源廣泛、價(jià)格低廉而被廣泛用于堵水加固灌漿領(lǐng)域。大多數(shù)工程在使用水玻璃灌漿材料時，多采用無機(jī)材料（如CaCl2、NaCl）做固化劑或與硅酸鹽水泥漿混合使用，利用水泥中的成分激發(fā)固化。

2.3.2.2 試驗(yàn)效果及原因

水玻璃雖然使用簡單，試驗(yàn)證明阻水效果不明顯且浪費(fèi)大量水玻璃材料。分析其主要原因：①水玻璃使用CaCl2、NaCl等無機(jī)材料作固化劑可縮短凝固時間，但用改變固化劑用量來調(diào)節(jié)凝固時間會顯著影響漿液固結(jié)體強(qiáng)度；②水泥—水玻璃（C-S）混合漿液黏度大、滲透性差，該混凝漿液凝固時間更加難以控制，凝固時間要受到水泥品種（混凝漿液對水泥中的硅酸三鈣敏感）、水泥漿水灰比、水玻璃漿液和水泥漿液體積比、水玻璃溶液濃度等多種因素影響［2］；③為控制水泥—水玻璃混合漿液凝固時間，灌漿工藝可采用水玻璃、水泥交替灌漿方式，即水泥→水玻璃→水泥多次交替注入，不僅工序繁雜，而且由于隧洞圍巖的非均質(zhì)性，兩種漿液不易以預(yù)定比例注入預(yù)定部位，導(dǎo)致出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

2.3.3 水（油）溶性聚氨酯

2.3.3.1 性能特點(diǎn)

水溶性聚氨酯（WPU）和油溶性聚氨酯（OPU）屬于新型防水堵漏灌注材料，有極強(qiáng)的止水性能。其漿液膨漲性好，包水量大，具有良好的親水性和可灌性，同時漿液的黏度、固化速度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3.3.2 試驗(yàn)效果及原因分析

采用組合灌漿方法，首次灌注采用水溶性聚氨酯漿液，采用孔口封閉純壓式灌注，灌漿壓力應(yīng)大于涌水壓力，灌漿過程中可根據(jù)吸入量與灌漿壓力等情況灌注少量油溶性聚氨酯漿液，以便快速堵塞大通道，減少水溶性聚氨酯用量，每次灌至漿液自然固化管路堵塞時為結(jié)束。然后沿原孔掃孔，2次掃孔深度大于首次孔深，孔內(nèi)再次出現(xiàn)涌水時開始第二輪灌漿，2次灌漿材料根據(jù)涌水量大小選擇，若涌水量顯著變小，即可改用水泥漿灌注，若涌水量仍然較大，繼續(xù)用聚氨酯漿液灌注，直至再次掃孔涌水量符合水泥灌漿條件，如此循環(huán)，逐步遞進(jìn)加深。

試驗(yàn)證明水（油）溶性聚氨酯結(jié)合上述工藝阻水效果良好。

（1）水溶性聚氨酯（WPU）漿液遇水后自行分散、乳化、發(fā)泡，立即進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成不透水的彈性膠狀固結(jié)體，可以封堵強(qiáng)烈的涌水。同時釋放CO2氣體，借助氣體壓力，漿液可進(jìn)一步壓進(jìn)結(jié)構(gòu)的空隙，使多孔性結(jié)構(gòu)或地層能完全充填密實(shí)。具有2次滲透的特點(diǎn)。

（2）油溶性聚氨酯（OPU）和水溶性（WPU）聚氨酯相比，其遇水反應(yīng)速度更快、膨脹倍數(shù)更大。漿液遇水后可在數(shù)秒鐘之內(nèi)開始發(fā)泡、固化，反應(yīng)時間可通過催化劑的用量進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般可控制在數(shù)十秒至數(shù)分鐘內(nèi)固化。且漿液不溶于水，不存在漿液被水大量稀釋的問題。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

隧洞發(fā)生較大涌水時，直接灌注水泥漿液會造成大量水泥漿流失；直接灌注水玻璃（水泥—水玻璃混合）漿液，參數(shù)、工藝難以控制，不僅難以達(dá)到阻水目的，而且會造成資源浪費(fèi)。由于水（油）溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料造價(jià)高，全部采用其進(jìn)行阻水灌漿，會造成費(fèi)用大幅增加，從阻水目的考慮也無必要。因此在灌注水泥漿之前，先采用水（油）溶性聚氨酯化學(xué)漿液灌注，對涌水進(jìn)行初步封堵，為后續(xù)灌注水泥漿創(chuàng)造條件，既可實(shí)現(xiàn)阻水目的，又節(jié)省了投資。

各種灌漿材料的基本性能指標(biāo)如表1。

表1 常用灌漿材料性能指標(biāo)對比

4 結(jié)語

參考類似工程成果及傳統(tǒng)施工經(jīng)驗(yàn)，灌漿工法結(jié)合管棚支護(hù)、排水管導(dǎo)水、澆筑混凝土止?jié){墻等措施是最常用的隧洞涌水處理手段。但是隧洞發(fā)生較大涌水時，水泥、水泥—水玻璃等常用灌漿材料由于凝結(jié)時間長、粒徑大等因素難以達(dá)到阻水效果。因此選擇合適的灌漿材料對實(shí)現(xiàn)隧洞阻水目的至關(guān)重要。

［1］許茜，王彥明，等.注漿材料的固化機(jī)理與抗水溶蝕性能研究［J］.21世紀(jì)建筑材料，2010，2（2）.

［2］劉玉祥，柳慧鵬.水泥—水玻璃雙液注漿中的最優(yōu)參數(shù)選擇［J］.礦冶，2005，14（4）.

［3］韓志遠(yuǎn)，張曉偉，李文富.關(guān)于引水隧洞止水灌漿的施工方案探討［J］.水利建設(shè)與管理，2007，27（5）.

［4］GB175—2007，通用硅酸鹽水泥［S］.

［5］DL/T 5406—2010，水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范［S］.