淺談錦屏二級引水隧洞近岸坡巖溶洞段灌漿技術(shù)設(shè)計(jì)

單衛(wèi)華 李德兵

【摘 要】在引水隧洞末端靠近近岸坡和地下廠房巖溶一般較發(fā)育，一旦揭露的巖溶連通性好，將引起大的內(nèi)水外滲，甚至危及廠區(qū)樞紐邊坡的穩(wěn)定性和地下廠房洞室群的運(yùn)行安全，以及電量損失，后果嚴(yán)重。針對巖溶發(fā)育特點(diǎn)，固結(jié)灌漿技術(shù)設(shè)計(jì)（裸巖固結(jié)灌漿和襯后固結(jié)灌漿）在巖溶處理中起著關(guān)鍵作用，處理后效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，該方法所取得參數(shù)經(jīng)驗(yàn)對類似工程的巖溶處理有一定的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】引水隧洞 巖溶處理 固結(jié)灌漿 技術(shù)

1 概況

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。電站地處深山峽谷地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程規(guī)模巨大，技術(shù)難度高，尤其是四條長16.7Km、最大深埋2525m、開挖直徑12.4～13m的引水隧洞，其設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平處于世界前列，為世界最大規(guī)模水工隧洞。

在引水隧洞東端及廠房樞紐開挖施工中，陸續(xù)揭露出巖溶洞段。巖溶主要沿NWW向陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育為主，并集中發(fā)育于距離岸坡近800m范圍內(nèi)，尤其是近調(diào)壓室區(qū)域的斷層f7附近。根據(jù)開挖揭示和統(tǒng)計(jì)，引水隧洞近岸坡鹽塘組（T2y）大理巖中共揭露出大小不等的巖溶形態(tài)827個(gè)，形態(tài)以不規(guī)則的亞圓形為主，充填情況不一，主要以溶蝕裂隙為主，局部發(fā)育溶蝕寬縫及中、小型溶洞。

引水隧洞末端巖溶洞段在長期高內(nèi)水作用下，將引起嚴(yán)重的內(nèi)水外滲，進(jìn)而直接威脅高壓管道的外壓穩(wěn)定，惡化地下廠房運(yùn)行環(huán)境、影響廠區(qū)邊坡的安全。因此，引水隧洞末端巖溶洞段必須對溶蝕空洞及裂隙進(jìn)行回填混凝土和充填式固結(jié)灌漿處理，在引水隧洞周圍形成一定厚度的防滲固結(jié)灌漿圈。

2 巖溶發(fā)育特點(diǎn)及重難點(diǎn)

錦屏二級水電站引水隧洞沿線多處于淺變質(zhì)大理巖中，圍巖屬強(qiáng)富水性可溶巖。巖溶發(fā)育具有以下特點(diǎn)：

（1）巖溶局部集中發(fā)育，單體尺寸相對較小但數(shù)量眾多；

（2）巖溶洞段圍巖穩(wěn)定性一般較好；

（3）為數(shù)眾多的潛伏巖溶形態(tài)勘測難度較大；

（4）巖溶多垂直向發(fā)育，施工處理難度大；

（5）巖溶發(fā)育洞段有壓隧洞處理要求相對較高。

鑒于巖溶處理的特殊性，新增施工的工程量大、工期條件受限；洞內(nèi)發(fā)育點(diǎn)較多，面廣等是施工過程中的重難點(diǎn)。

3 處理原則

3.1 總體原則

通過地質(zhì)超前預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)隧洞前方巖溶發(fā)育時(shí)，要在查明巖溶分布范圍、類型（大小、有無水、是否在發(fā)育中）、巖層的穩(wěn)定程度、地下水情況（有無長期補(bǔ)給來源、雨季水量有無增長）等后，分別采用“引、堵、越”等措施進(jìn)行處理。

3.2 分類處理

3.2.1 大于5m溶洞

先及時(shí)采取支護(hù)確保圍巖穩(wěn)定；在清除溶洞內(nèi)松散塊體后回填混凝土，充填溶洞空腔（當(dāng)溶洞處于頂拱時(shí)，混凝土回填應(yīng)采用預(yù)埋管，并分層回填）?；炷粱靥罟ぷ魍瓿珊筮M(jìn)行系統(tǒng)裸巖灌漿加固圍巖。后期施工隧洞襯砌混凝土，并系統(tǒng)固結(jié)灌漿。

3.2.2 0.5～5m之間溶洞

對穩(wěn)定性不佳的充填型溶洞，應(yīng)首先按要求進(jìn)行系統(tǒng)噴錨支護(hù)，否則可先清除溶洞內(nèi)松散塊體后再進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)。支護(hù)完成后，采用混凝土回填空腔（當(dāng)溶洞處于頂拱時(shí)，回填應(yīng)采用預(yù)埋管）。然后進(jìn)行裸巖充填灌漿加固圍巖。后期施工隧洞襯砌混凝土，并系統(tǒng)固結(jié)灌漿。

3.2.3 0.5～2.5m溶蝕寬縫

先根據(jù)圍巖情況進(jìn)行噴錨支護(hù)，再清除寬縫內(nèi)的溶蝕堆積物，并回填混凝土，混凝土回填工作完成后進(jìn)行系統(tǒng)裸巖充填灌漿加固圍巖。后期施工隧洞襯砌混凝土，并系統(tǒng)襯后固結(jié)灌漿。

3.2.4 小于0.5m溶蝕裂隙與溶孔

在完成系統(tǒng)噴錨支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)后回填溶蝕縫隙，施工條件允許時(shí)，應(yīng)盡可能分層回填混凝土，否則可采用水泥砂漿灌注密實(shí)，必要時(shí)增加插管等手段進(jìn)行回填，隨后進(jìn)行裸巖充填灌漿加固圍巖。后期施工隧洞襯砌混凝土及系統(tǒng)固結(jié)灌漿工作。

4 灌漿設(shè)計(jì)

4.1裸巖固結(jié)灌漿

4.1.1概述

巖溶發(fā)育洞段置換、回填混凝土（砂漿）的目的是填充空腔，恢復(fù)圍巖彈抗及堵塞滲漏通道。但回填混凝土工藝本身存在客觀的技術(shù)缺陷，如難以確?；靥钯|(zhì)量、無法充填尺寸細(xì)小的溶腔裂隙、充填范圍有限、無法充填洞周潛伏巖溶形態(tài)等等。巖溶裸巖灌漿則可以在一定程度上彌補(bǔ)以上不足，為洞室襯砌結(jié)構(gòu)預(yù)留足夠的安全余度。

裸巖灌漿是一種低壓充填型灌漿，且一般均需在噴混凝土支護(hù)施工完成后進(jìn)行。一方面可以滿足灌漿過程中的圍巖穩(wěn)定需要；另一方面可以利用噴層提供一定蓋重，減少漏漿可能。

4.1.2工藝流程

灌漿施工順序：灌漿時(shí)要求從低孔向高孔灌漿，盡量采取一泵灌一孔方式，嚴(yán)控開孔數(shù)量和位置，盡量少出現(xiàn)串漿、冒漿現(xiàn)象，孔位宜保持對稱，并應(yīng)控制灌漿壓力，I序孔待凝72h后才可鉆、灌II序孔。

流程：施工準(zhǔn)備→鑲鑄孔口管→灌前聲波、抬動施工→先導(dǎo)孔施工→分序鉆孔灌漿→固結(jié)灌漿質(zhì)量檢查→如需補(bǔ)灌→補(bǔ)灌后檢查。

4.1.3施工方法

灌漿孔深一般為12m，根據(jù)巖溶發(fā)育情況，施工中如若出現(xiàn)塌孔、掉鉆等巖溶現(xiàn)象，則可將孔加深至15-20m。根據(jù)透水率的大小，可先采用水泥砂漿進(jìn)行灌注，再采用純水泥漿進(jìn)行灌注。

環(huán)間分Ⅰ序、Ⅱ序，采用自深而淺、分段卡塞、純壓式灌漿方法進(jìn)行灌漿。

裸巖固結(jié)灌漿分段和灌漿壓力見表1。

表1 灌漿分段長度和壓力列表

灌漿孔深（m） 間排距 分段長度（m） 灌漿壓力（MPa） 備注

12 2m×2m 孔口段0～4 / 巖溶裂隙發(fā)育洞段

孔深4～8 1.5

孔深8～12 2.5

20 孔口段0～4 / 巖溶空腔發(fā)育洞段

孔深4～10 1.5

孔深10～16 2.5

孔深16～20 1.5

（1）鉆孔施工方法。底板區(qū)域內(nèi)鉆孔采用XY-2PC地質(zhì)鉆機(jī)配φ76mm金鋼石鉆頭進(jìn)行鉆孔，開孔孔徑φ91mm，鉆進(jìn)至基巖0.5m，然后預(yù)埋φ76mm孔口管，孔口管以下鉆孔孔徑φ56mm。 頂拱部位采用XZ-10型潛孔液壓鉆機(jī)配沖擊器及合金球齒鉆頭鉆進(jìn)，鉆孔孔徑φ65mm，配備電動空壓機(jī)。

（2）灌漿方法及阻塞位置。主要采用自下而上分段卡塞、純壓式灌漿法施工，一次造孔至設(shè)計(jì)孔深，灌漿塞阻塞在該灌漿段段頂以上0.5m處。采用水壓灌漿塞和機(jī)械塞，有效阻塞長度約85cm，最大充水壓力可達(dá)9MPa，灌漿記錄采用中大華瑞公司JT-IV型自動記錄儀，三參數(shù)小循環(huán)灌漿系統(tǒng)。在鉆孔過程中如遇破碎巖層或大的裂隙、溶腔等，采用自上而下純壓灌漿法施工。典型灌漿管路布置圖見圖1。

圖1 灌漿管路布置示意圖

4.2襯砌固結(jié)灌漿

4.2.1概述

對于隧洞沿線孔隙較大圍巖，襯砌前無蓋重裸巖灌漿吸漿量大，灌漿效果好，但由于裸巖灌漿壓力受邊界條件限制無法提高，當(dāng)隧洞充水時(shí)，灌漿密實(shí)度和可靠度不高，漿液擴(kuò)散半徑及范圍有限，對于透水襯砌來說尚不能有效阻止內(nèi)水外滲，還有必要對近岸坡巖溶集中發(fā)育洞段進(jìn)行襯后有蓋重固結(jié)灌漿。

4.2.2工藝流程

固結(jié)灌漿施工在回填灌漿結(jié)束后7天進(jìn)行，固結(jié)灌漿施工程序：施工準(zhǔn)備→抬動觀測孔鉆孔安裝→灌前聲波測試孔鉆孔→灌前聲波測試→Ⅰ序灌漿孔鉆孔灌漿（加深加密）→Ⅱ序灌漿孔鉆孔灌漿（加深加密）→質(zhì)量檢查驗(yàn)收。

4.2.3施工方法

（1）分序原則。灌漿孔采用環(huán)間不分序，環(huán)內(nèi)分兩序施工原則，相鄰Ⅰ序孔全部灌漿結(jié)束后，再進(jìn)行II序孔的鉆孔、灌漿施工。

（2）鉆孔方法。在襯后固結(jié)灌漿時(shí)基于隧洞交通狀況、施工進(jìn)度綜合的需要，可采用湯姆洛克（700-2型）、阿特拉斯多功能液壓鉆機(jī)（Atlas Roc D7）、Boomer 353E多臂鉆等大型液壓設(shè)備鉆孔。部分工程量集中洞段采用湖南湘豹XLD-2000、哈邁液壓鉆機(jī)DM-30和液壓鉆機(jī)HDY-30H配金剛石鉆頭鉆進(jìn)。

（3）灌漿方法。采用孔內(nèi)卡塞、孔內(nèi)循環(huán)綜合灌漿法的灌漿工藝進(jìn)行施工，固結(jié)灌漿分段和灌漿壓力見表2。

表2 固結(jié)灌漿分段長度和壓力列表

入巖孔深（m） 分段長度 灌漿壓力（MPa） 備注

6 0～2m 2.5 一般灌漿孔，自深而淺進(jìn)行灌漿

2～6m 6.0

12 0～2m 2.5 0-6m 采用自深而淺灌漿，6m孔深以外采用自淺而深灌漿的綜合灌漿法

2～6m 6.0

6～12m 6.0

20 0～2m 2.5 0-8m 采用自深而淺灌漿，8m孔深以外采用自淺而深灌漿的綜合灌漿法

2～8m 6.0

8～14m 6.0

14～20m 6.0

1）加密施工。在完成鉆孔沖洗后，采用單點(diǎn)法壓水分段進(jìn)行檢查（其中每環(huán)4個(gè)壓水檢查孔深度直接加深到12m），壓水分段長度為第一段2～6m，第二段6～12m（加深檢查孔），各段壓水檢查壓力均采用1MPa。加深壓水檢查孔見圖2。

圖2 加深壓水檢查孔布置圖

當(dāng)?shù)谝欢危由顧z查孔第二段）灌前壓水透水率超過10Lu，四方確認(rèn)后，對該孔加深至12m（加深孔壓水檢查孔則加深到20m），同時(shí)該加深孔四周再分別布置一個(gè)與加深孔同深度的加密灌漿孔進(jìn)行加強(qiáng)灌漿。

壓水檢查孔和四周的加密灌漿孔在鉆孔過程中，若揭露洞穴或出現(xiàn)掉鉆、坍孔等異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)將該孔加深至20m，同理該孔四周再分別布置一個(gè)與加深孔同深的加強(qiáng)灌漿孔。加密布置見圖3。

圖3 異?？姿闹芄酀{加密孔位布置圖

2）加強(qiáng)型灌漿施工。為進(jìn)一步加強(qiáng)引水隧洞近岸坡巖溶通道集中較發(fā)育洞段防滲灌漿圈質(zhì)量，在已進(jìn)行巖溶置換、回填及裸巖固結(jié)灌漿基礎(chǔ)上，利用引水隧洞襯砌后提供的蓋重條件，對這些洞段進(jìn)行全斷面的高壓防滲固結(jié)灌漿。排距2m，每環(huán)20孔，孔深分為12m與20m兩種，開灌水灰比3：1。

當(dāng)加強(qiáng)灌漿段孔底段灌前壓水檢查透水率超過5Lu時(shí)，待四方確認(rèn)后，對于入巖孔深12m段孔加深至20m，并在加深孔四周再分別布置一個(gè)與加深孔同深度的加密灌漿孔進(jìn)行加強(qiáng)灌漿；對于加強(qiáng)灌漿入巖孔深20m段孔，在該孔四周再分別布置一個(gè)與檢查孔同深度的加密灌漿孔進(jìn)行加強(qiáng)灌漿即可。

壓水檢查孔和四周的加密灌漿孔在鉆孔過程中，若揭露洞穴或出現(xiàn)掉鉆、坍孔等異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)將該孔加深至20m（20m孔不加深），同理該孔四周再分別布置一個(gè)深20m的加強(qiáng)灌漿孔進(jìn)行加強(qiáng)灌漿。加密布置參照圖3。

4.3檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

4.3.1裸巖固結(jié)灌漿

無蓋重裸巖固結(jié)檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)由灌后壓水試驗(yàn)檢查、聲波檢查等兩部分組成，且將壓水試驗(yàn)的透水率標(biāo)準(zhǔn)作為灌漿質(zhì)量檢查的主要控制標(biāo)準(zhǔn)。

壓水試驗(yàn)檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的5%，聲波檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的2%。

（1）壓水檢查。壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，檢查孔在1.0MPa壓力下，75%以上試段的透水率不大于1Lu，其余試段的透水率值不超過2Lu，且分布不集中時(shí)為合格。

（2）巖體波速。巖體波速測試孔孔深同灌漿孔，聲波檢查孔也應(yīng)與灌漿孔錯開，應(yīng)根據(jù)灌漿分段表示灌后聲波值。巖溶巖體灌后聲波檢查合格標(biāo)準(zhǔn)為75%的測試值不小于5000m/s，小于4250m/s的測試值不超過3%，且分布不集中。該標(biāo)準(zhǔn)為灌漿質(zhì)量檢查的輔助控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.2 襯砌固結(jié)灌漿

固結(jié)灌漿檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)亦由灌后壓水試驗(yàn)檢查、聲波檢查等兩部分組成。壓水試驗(yàn)檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的5%，聲波檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的2%。

（1）壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，檢查孔在1.0MPa壓力下，85%以上試段的透水率不大于1Lu，其余試段的透水率值不超過1.5Lu，且分布不集中時(shí)為合格。

（2）巖體波速測試孔孔深同灌漿孔，聲波檢查孔也應(yīng)與灌漿孔錯開，應(yīng)根據(jù)灌漿分段表示灌后聲波值。巖溶巖體灌后聲波檢查合格標(biāo)準(zhǔn)為85%的測試值不小于4500m/s，小于4250m/s的測試值不超過3%，且分布不集中。

5 結(jié)語

（1）通過近岸坡巖溶區(qū)檢查與充水效果來看，采用裸巖充填固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)，能確保引水系統(tǒng)巖溶區(qū)灌漿質(zhì)量。因巖溶分布存在隨機(jī)性的特點(diǎn)，為針對性的加強(qiáng)溶洞、溶孔的充填處理，固結(jié)灌漿鉆孔需著重布置在巖溶分布區(qū)域，同時(shí)對于遇大的溶蝕通道或軟弱夾層，應(yīng)先灌注水泥砂漿的方法，可達(dá)到事半功倍的效果。

（2）針對引水隧洞近岸坡巖溶發(fā)育洞段，根據(jù)終孔段壓水試驗(yàn)結(jié)果來判斷巖溶裂隙發(fā)育程度。若終孔段透水率大于5Lu，則將該孔加深至20m，并在該孔四周布置同深度的加密孔。這樣既保證施工質(zhì)量，又有針對性，引水隧洞通過加密布孔防滲作用又得到進(jìn)一步加強(qiáng)，保證近岸坡段巖溶通道防滲圈質(zhì)量。

作者簡介：單衛(wèi)華（1980—），男，江蘇大豐人，本科，工程師，中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，從事水電技術(shù)施工管理。李德兵（1986—），男，四川成都人，本科，助理工程師，中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，從事水電技術(shù)施工管理。