阻水灌漿技術(shù)在遼寧省觀音閣水庫(kù)輸水工程中的應(yīng)用

孫 琪

(本溪泓源供水有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117000)

1 工程概況

遼寧省觀音閣水庫(kù)輸水工程3#支洞設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1088.56m,樁號(hào)為K0+000-K0+1088.56。設(shè)計(jì)斷面為馬蹄形，隧洞設(shè)計(jì)尺寸為：寬4m，墻高2m，拱高2m。噴射混C30混凝土支護(hù)。最大設(shè)計(jì)坡度10.59%。

隧洞開(kāi)挖到樁號(hào)K0+717m處,工作面出現(xiàn)較大涌水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯及由遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院做的《地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告》表明，工作面前方仍有裂隙水。為確保安全施工，經(jīng)研究決定，對(duì)工作面前方進(jìn)行阻水注漿。在工作面進(jìn)行超前阻水注漿前，先對(duì)其后段進(jìn)行固結(jié)及阻水注漿。

2 阻水灌漿目的和任務(wù)

論證阻水灌漿所采用的方法及技術(shù)參數(shù)在技術(shù)上的可行性，效果上的可行性以及經(jīng)濟(jì)上的合理性；推薦合理的施工程序、良好的施工工藝、適宜的灌漿材料和最優(yōu)的漿液配合比；提出灌漿施工的方法和灌漿機(jī)具設(shè)備意見(jiàn)等,為以后的阻水灌漿提供合理的技術(shù)參數(shù)。阻水灌漿完成后，洞身圍巖的整體性、穩(wěn)定性得到改善，涌水情況明顯減小，滿足洞室的開(kāi)挖的工要求。

3 阻水灌漿的施工

3.1 鉆孔

3.1.1 阻水灌漿孔的布孔和定位

灌漿鉆孔采用全站儀根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙先測(cè)放出邊角的基本孔位，再由人工根據(jù)基本孔位采用皮尺或卷尺布設(shè)剩余的灌漿孔，并將孔位標(biāo)記在混凝土蓋板面上，孔距1.3m，呈環(huán)狀布置，施工過(guò)程中實(shí)際孔位偏差與設(shè)計(jì)孔位偏差均≤10cm。

灌漿布孔示意圖如圖1所示。

圖1 灌漿布孔示意

Ⅰ——1序孔；

Ⅱ——2序孔。

灌漿孔外循環(huán)(1-10#孔)分2序施工，內(nèi)循環(huán)(11-14#孔)按孔號(hào)順序施工，不分序。

3.1.2 鉆孔施工

采用100B風(fēng)動(dòng)潛孔鉆機(jī)進(jìn)行人工鉆孔，鉆孔采取高壓風(fēng)作為動(dòng)力沖擊鉆孔。鉆孔過(guò)程中有局部掉渣、塌孔現(xiàn)象。

灌漿鉆孔深度經(jīng)驗(yàn)收均滿足入巖≥21m要求，孔深誤差在10cm以內(nèi)；成孔孔徑均為Φ90mm?？卓诼裨O(shè)套管均為Φ100mm。

3.1.3 鉆孔沖洗

鉆孔全部采用敞開(kāi)式壓力風(fēng)進(jìn)行沖洗，鉆孔沖洗滿足殘留巖粉<20cm要求。

3.1.4 鉆孔記錄

鉆孔過(guò)程中存在巖性變化、塌孔、卡鉆、鉆速變化及返渣等情況，鉆孔記錄均經(jīng)監(jiān)理工程師簽認(rèn)。

3.2 灌漿材料

3.2.1 水泥

1)灌漿用水泥等材料自行采購(gòu)，進(jìn)場(chǎng)后的貯存、使用必須規(guī)范。

2)根據(jù)施工圖紙或監(jiān)理工程師指示選用水泥的品種，阻水灌漿用普通硅酸鹽水泥，水泥強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)。

3)灌漿用的水泥必須符合規(guī)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不使用受潮結(jié)塊的水泥，水泥不能存放過(guò)久，水泥出廠期不超過(guò)3個(gè)月。

4)所有用于灌漿的水泥、外加劑、摻合料等都采用報(bào)經(jīng)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)的合格材料。

5)所有灌漿材料的出廠(或生產(chǎn))指標(biāo)及檢驗(yàn)資料均及時(shí)報(bào)送監(jiān)理工程師審查批準(zhǔn)。

3.2.2 水

1)鉆孔灌漿用水應(yīng)符合拌制水工混凝土用水的水質(zhì)要求。

2)制漿用水采用不含有害雜質(zhì)的清潔水，且水溫在5℃-40℃之間。

3.3 鉆孔灌漿設(shè)備

鉆孔灌漿設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 鉆孔灌漿設(shè)備

3.4 灌漿施工步驟和施工工藝流程

本次阻水灌漿，施工中灌漿孔嚴(yán)格的按照分序加密的原則進(jìn)行灌漿，即先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔。

灌漿施工工藝流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 灌漿施工工藝流程圖

3.5 灌漿

1)首先對(duì)掌子面進(jìn)行噴錨封閉處理，噴射C30混凝土厚度30cm。采用風(fēng)動(dòng)潛孔鉆機(jī)成孔，灌漿采用預(yù)埋管法或栓塞法進(jìn)行孔口封閉，預(yù)埋管法：埋設(shè)Φ108mm鋼管，長(zhǎng)度2m，管尾安裝閥門，防止出現(xiàn)大量涌水時(shí)，既可做排水孔，也可做灌漿孔，注漿時(shí)關(guān)閉閥門，形成靜水壓力注漿。待強(qiáng)4d后，采用Φ90mm徑?jīng)_擊鉆頭分段成孔灌漿，采用對(duì)角灌漿的方法(如示意圖，先灌1#，再灌6#)。

2)施工過(guò)程中采取循環(huán)式灌漿方法，即孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)式灌漿，射漿管距孔底500mm，灌漿分兩序施工。用1.2寸高壓管進(jìn)行灌漿，高壓管可承受最大灌漿壓力10 MPa。

3)灌漿壓力定為第一段0.3-0.5MPa，第二段1.0-1.5MPa，第三段及以后各段2.0MPa。

4)超前灌漿孔深21m，采取分五段進(jìn)行循環(huán)式灌漿，第一段3m、第二段3m、第三段及以后各段5m。

5)灌漿水灰比采用3∶1、1∶1、0.5∶1三個(gè)比級(jí)灌注，灌漿采用純水泥漿液進(jìn)行灌注，當(dāng)注入量較大時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況加入鋸末或采用水泥與水玻璃的混合漿液，水玻璃摻合量根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

6)加入鋸末時(shí)，要逐步增加鋸末量，并防止堵管或注漿壓力劇增現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)注漿壓力劇增，要及時(shí)減少鋸末加入量，以防堵、爆注漿管。

7)漿液變換原則：開(kāi)灌漿液采用3∶1，灌漿漿液由稀到濃逐級(jí)變換，當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率保持不變而壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比。當(dāng)某一比級(jí)漿液注入量已達(dá)300L以上，或灌注時(shí)間已達(dá)30min，而灌漿壓力和注入率無(wú)顯著改變時(shí)應(yīng)換濃一級(jí)水灰比灌注；當(dāng)注入率>30L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級(jí)變濃[1]。

8)特殊情況處理：①灌漿過(guò)程中遇斷層、巖脈、溶洞等異常區(qū)時(shí)，加強(qiáng)異常區(qū)可能連通部位的觀測(cè)，為節(jié)省水泥用量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)跑、冒、串、漏漿現(xiàn)象必須及時(shí)封堵處理后方可恢復(fù)灌漿。②灌漿工作必須連續(xù)進(jìn)行，若因故中斷，必須馬上處理，盡早恢復(fù)灌漿。如果中斷超過(guò)30min，則進(jìn)行鉆孔沖洗，若沖洗無(wú)效，則掃孔，再恢復(fù)灌漿。③灌漿漿液初步確定采用純水泥漿液，當(dāng)吸漿量很小，灌后透水率大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，報(bào)請(qǐng)監(jiān)理人和有關(guān)單位共同研究處理措施。當(dāng)遇較大型溶蝕空洞或其它注入量較大地層段時(shí)，用混合漿液進(jìn)行灌漿[2]。④冒漿、漏漿、串漿孔段的處理。灌漿施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿時(shí)，根據(jù)具體情況采用嵌縫、表面封堵、降低壓力、加濃漿液、限流、限量、間歇停灌等方法進(jìn)行處理，若漏的是水或稀漿時(shí)可繼續(xù)灌注，若漏的是濃漿時(shí)降低壓力，直至漏漿停止，逐漸升壓至原來(lái)壓力繼續(xù)灌注，如降壓無(wú)效再變濃水灰比灌注，如降壓和變濃均無(wú)效，且漏漿量接近注入量，停止灌注進(jìn)行待凝，待凝時(shí)間>4h。間歇灌漿時(shí)間超過(guò)30min的孔段，采取重新掃孔，重復(fù)灌注的方法。遇串漿情況，采用封堵被串孔進(jìn)行處理。⑤灌漿段注入量大，灌漿難于結(jié)束時(shí)，可采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等。

9)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在規(guī)定壓力下，當(dāng)注入率≤0.4L/min，繼續(xù)灌注20min，即可結(jié)束灌漿。

4 灌漿完成情況

4.1 K0+709-K0+717段阻水灌漿情況

此次共完成固結(jié)灌漿孔35個(gè)，鉆孔進(jìn)尺118.61m，總注入量69063.3kg；單位注入量582.3kg/m。其中Ⅰ序孔19個(gè)，最大注入量6543.37kg；單位注入量2617.35 kg/m；最小注入量540.06kg；單位注入量216.02 kg/m；Ⅰ序孔平均單位注入量805.2 kg/m；累計(jì)注入量50685.9kg。Ⅱ序孔16個(gè)，最大注入量2509.9kg；單位注入量1007.64kg/m；最小注入量15.77 kg；單位注入量6.31 kg/m；Ⅱ序孔平均單位注入量330.2 kg/m；累計(jì)注入量18377.4kg；累計(jì)廢棄量121.6 kg，灌漿孔有出現(xiàn)串冒漿現(xiàn)象。

4.2 已開(kāi)挖段阻水灌漿情況

本次阻水灌漿首先對(duì)掌子面的兩個(gè)超前探孔和已開(kāi)挖段進(jìn)行阻水灌漿處理，共計(jì)布置11個(gè)阻水灌漿孔，采用HSC注漿材料進(jìn)行灌注，完成鉆孔7個(gè)，進(jìn)尺71.8m，灌注HSC注漿材料25482.4kg，累計(jì)廢棄量375.1 kg。由于洞身圍巖相對(duì)較破碎，注入量較大，HSC注漿材料成本費(fèi)用過(guò)高，為確保經(jīng)濟(jì)的合理性，剩余4個(gè)阻水灌漿孔，采用水泥漿進(jìn)行灌注，完成鉆孔進(jìn)尺12m，灌注水泥19871.2kg。

1#、4#、6#、9#孔注漿各段結(jié)束后，每個(gè)孔待凝時(shí)間5天,累計(jì)待凝時(shí)間20d。

4.3 深部超前阻水灌漿情況

對(duì)K0+717-K0+738段為含水層的超前阻水灌漿，共布置超前灌漿孔14個(gè)，超前探孔7個(gè)，完成鉆孔進(jìn)尺352m，灌注水泥237392kg。

5 灌漿質(zhì)量檢查

阻水灌漿檢查在該部位灌漿結(jié)束7d后進(jìn)行，灌漿結(jié)束后，確定探孔的孔位，探孔的數(shù)量定為6孔。各個(gè)探孔檢查結(jié)果如表2所示。

表2 探孔檢查結(jié)果

6 灌漿成果分析

6.1 灌漿前各孔段涌水情況分析

在灌漿前對(duì)各孔段涌水水量和水壓力進(jìn)行了量測(cè)，各孔段涌水量在50-420L/min之間，水壓力在0.4-1.3MPa之間，說(shuō)明開(kāi)挖方向存在含水層構(gòu)造，且水壓力較大，可灌性較好。

6.2 以鉆孔灌漿來(lái)統(tǒng)計(jì)

此次掌子面阻水灌漿主要完成Ⅰ序孔4個(gè)，Ⅱ序孔6個(gè)，共計(jì)10個(gè)阻水孔。總注入量223439kg；單位注入量1064kg/m。各孔注入量均較大，且在鉆孔過(guò)程中存在掉塊、卡鉆等情況，說(shuō)明巖石較破碎，可灌性較好。阻水灌漿具體工作量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)附表：灌漿成果一覽表。

6.3 探孔出水量、水壓力及壓水試驗(yàn)分析

灌漿區(qū)布置6個(gè)探孔壓水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 探孔壓水試驗(yàn)表

由上表可見(jiàn)在灌漿后進(jìn)行的壓水試驗(yàn)，壓水結(jié)果為透水率2.04-3.09lu；灌后涌水情況比灌漿前減小明顯,20m孔出水量在3-9L/min之間，說(shuō)明灌漿效果明顯，阻水灌漿后能夠滿足隧洞開(kāi)挖的施工要求。

ZS+外1與ZS+外6為相鄰孔，鉆孔方向?yàn)樾毕蛲?5°角，ZS+外1在孔深6m處出現(xiàn)大量涌水，說(shuō)明此次阻水灌漿的有效擴(kuò)散半徑≤4.2m，開(kāi)挖面4.2m以外仍為破碎帶含水層，該孔鉆至8m后，出水量沒(méi)有明顯變化，按技術(shù)要求對(duì)該孔進(jìn)行阻水灌漿處理，灌注水泥2426.57kg,在ZS+外1灌漿結(jié)束后6d，在該孔側(cè)鉆ZS+外6號(hào)孔，鉆孔15m，8m左右出水，測(cè)試出水量為11L/min，出水量明顯減小，說(shuō)明灌漿效果明顯，開(kāi)挖面4.2m以內(nèi)沒(méi)有出水現(xiàn)象，說(shuō)明灌漿效果良好，灌漿擴(kuò)散半徑能夠滿足開(kāi)挖要求。

7 結(jié) 論

通過(guò)檢查孔的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)施工的情況對(duì)設(shè)計(jì)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作如下評(píng)述：

1)灌漿孔施工程序設(shè)計(jì)提供的施工程序，即從造孔、沖洗、壓水、灌漿到最后封孔較為合理。

2)灌漿施工工藝。本次灌漿采用的工藝能夠達(dá)到預(yù)期的灌漿效果，設(shè)計(jì)合理、工藝可行。

3)灌漿基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？组g距1.3m，灌漿能夠達(dá)到施工要求的滲透半徑，且作業(yè)空間充足，易于集中作業(yè)[3]。

4)灌漿材料的選擇。本次灌漿材料采用的普通硅酸鹽水泥對(duì)于裂隙的填充較為有效，阻水效果明顯。

5)灌漿規(guī)律性。灌漿前后透水率以及灌漿單位注入量隨灌漿次序遞減明顯，符合一般灌漿規(guī)律[4]。

6)鉆孔、灌漿機(jī)械設(shè)備。本次灌漿鉆孔采用100B潛孔鉆鉆孔能夠達(dá)到預(yù)期的灌漿效果，鉆孔、灌漿設(shè)備能夠滿足灌漿要求。

7)灌漿壓力和漿液配比。阻水灌漿灌漿壓力定為第一段0.3-0.5MPa，第二段1.0-1.5MPa，第三段及以后各段2.0MPa。水灰比為3∶1、1∶1、0.5∶1的水泥漿；采用此水灰比、灌漿壓力灌漿后效果較好，能夠滿足滲透半徑要求，說(shuō)明灌漿壓力值和漿液配比的選擇較合適。

綜上所述鉆孔、灌漿機(jī)具、灌漿材料及灌漿的各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均能滿足該支洞灌漿需要，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均較為合理。灌漿結(jié)束后，通過(guò)探孔情況說(shuō)明阻水灌漿能夠滿足繼續(xù)開(kāi)挖的施工要求。