引水隧洞回填灌漿和固結(jié)灌漿施工技術(shù)

馬忠松

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

1 工程實例

重慶郁江馬巖洞水電站工程引水發(fā)電隧洞位于重慶市彭水縣境內(nèi)、郁江中游河段。引水隧洞全長5048.625 m，引水洞內(nèi)徑6.8 m，設(shè)計最大流量126.9 m3/s，隧洞縱坡為3.650‰，全斷面鋼筋混凝土圓形襯砌，襯砌厚（0.5～0.8）m。其中引0+000—引0+920 段為不良地質(zhì)地段（擠壓破碎帶），圍巖極其破碎松散，以黃黏土夾碎狀塊石為主，黏土含量占50%左右，地下水極為豐富，且處于飽和水狀態(tài)，地下水位較高。

回填灌漿和固結(jié)灌漿的橫剖面和縱剖面如圖1 和圖2 所示，具體設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1 回填灌漿和固結(jié)灌漿橫剖面

2 回填灌漿和固結(jié)灌漿的作用

圖2 回填灌漿和固結(jié)灌漿縱剖面

表1 回填灌漿和固結(jié)灌漿結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于圍巖的地質(zhì)、襯砌混凝土澆筑及混凝土終凝的收縮等原因，在襯砌混凝土和巖面之間難免會出現(xiàn)縫隙，拱頂甚至會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象?；靥罟酀{的主要作用是通過灌漿作業(yè)使?jié){液充滿縫隙和脫空部位，提高襯砌混凝土的整體性。固結(jié)灌漿的主要作用是通過灌漿作業(yè)提高襯砌一定范圍內(nèi)圍巖的整體性與均質(zhì)性，提高抗壓強度與彈性模量，減少圍巖的變形與不均勻沉陷。固結(jié)后的巖體形成一定厚度的止水帷幕，可有效阻斷洞壁內(nèi)外水滲透通道，同時降低襯砌上的外水水頭以及圍巖壓力，從而加強襯砌的受力條件和防滲性能。

3 灌漿材料、設(shè)備和制漿

3.1 灌漿材料

灌漿材料宜采用普通硅酸鹽水泥。水泥必須符合質(zhì)量標準，受潮結(jié)塊、超過保質(zhì)期的水泥不得使用。砂的最大直徑不宜超過2.5 mm，細度模數(shù)不宜大于2.0。在灌漿過程中如果遇溶洞、斷層、裂隙密集，灌入大量漿液后仍不能達到設(shè)計壓力或者吸漿量不見減少時，可灌注水泥砂漿或者在水泥漿中摻入粉煤灰，粉煤灰等級不低于Ⅱ級、不得粗于同時使用的水泥。灌漿用水應符合拌制混凝土用水的標準。

3.2 設(shè)備

3.2.1 鉆孔設(shè)備

鉆孔以采用YT-28 氣腿式鑿巖機為主，如遇地質(zhì)不良地段采用MD100 潛孔鉆機成孔。

3.2.2 灌漿設(shè)備

灌漿泵采用往復式單作用三柱塞式。集中制漿站的制漿能力應滿足施工高峰期所有灌漿作業(yè)面的用漿需求。為保證良好的施工作業(yè)環(huán)境，制漿站應安裝除塵設(shè)備。壓力表應分別設(shè)置于灌漿泵及灌漿孔處，使用壓力應控制在壓力表最大量程的1/4至3/4，并且定期到有資質(zhì)的檢測機構(gòu)進行標定。壓力表和管路之間設(shè)隔漿裝置，以防漿液進入壓力表。

漿液攪拌機在灌漿過程中應能保證高速、均勻、連續(xù)的拌和，拌和能力應與所攪拌的漿液類型和灌漿機的排漿量相適應，漿液采用比重計校準其濃度是否與應配濃度相同。灌漿泵性能應與漿液類型、濃度相適應。制漿、輸送、灌注等系統(tǒng)之間要有通暢的通信聯(lián)絡(luò)措施。壓入灌漿孔的漿液和孔內(nèi)返回拌和筒的漿液必須經(jīng)過過濾。灌漿結(jié)束或者中斷時，必須將灌漿設(shè)備內(nèi)余留的沉積物徹底清洗干凈。主要灌漿施工設(shè)備見表2。

表2 回填和固結(jié)灌漿施工設(shè)備

3.3 制漿

在施工條件允許時宜采用集中制漿方式，制漿站集中制備水灰比0.5/1 的純水泥漿，水泥漿流速控制在（1.4～2.0）m/s，在每個灌漿點對水泥漿攪拌均勻并測定水泥漿密度后方可使用。制漿用水泥等固體材料采用稱重法計量，計量誤差控制在5%以下。使用普通攪拌機水泥漿攪拌時間≥3 min；使用高速攪拌機水泥漿攪拌時間≥30 s。水泥漿需過篩后使用，使用時間不宜超過4 h。

4 回填灌漿

二期支護混凝土強度達到設(shè)計強度70%以上時要盡快開展回填灌漿作業(yè)，灌漿作業(yè)分兩次序施工，兩次序施工間隔時間宜為48 h。

4.1 造孔

鉆孔采用YT-28 氣腿式鑿巖機，鉆孔終孔孔徑≥38 mm。同一灌區(qū)內(nèi)先進行Ⅰ序孔的造孔工作，并在距灌區(qū)兩端頭1.5 m處各設(shè)一排封堵孔，Ⅱ序孔造孔待部位Ⅰ序孔灌完兩天后進行。采用Φ50 mm 風鉆對預留PVC 孔進行掃孔，并清除預留PVC 管材。開孔位置按設(shè)計孔位成孔（原預留孔位），若因其他原因無法成孔的，應在原孔位10 cm 范圍之內(nèi)重新開孔。Ⅰ序孔鉆孔遇較大空腔時鉆穿混凝土為止，否則要繼續(xù)鉆進圍巖10 cm。Ⅱ序孔要鉆進圍巖10 cm。檢查孔孔深以不大于附近灌漿孔的孔深為準，且不小于設(shè)計入巖深度。

4.2 灌漿

4.2.1 灌漿壓力

Ⅰ序孔與Ⅱ序孔的灌漿壓力分別控制在（0.2～0.4）MPa 和（0.4～0.6）MPa。灌漿過程中如遇到短時間內(nèi)注入量較大時，可采用分級升壓法灌注。在灌漿孔注入率很小時，灌漿壓力應控制在設(shè)計灌漿壓力上限值的±0.03 MPa 之內(nèi)。灌漿壓力以回漿管壓力表峰值讀數(shù)為準，以壓力表接灌漿自動記錄儀進行控制，壓力表盡可能靠近孔口設(shè)置。

4.2.2 漿液配比

Ⅰ序孔采用0.5/1 的水灰比，Ⅱ序孔采用0.8∶1、0.5∶1 兩個比級的水灰比。灌注過程中如遇大空腔以及大耗量等情況，應立即改注水泥砂漿，摻砂量不大于水泥用量的2 倍。

4.2.3 回填灌漿方式及結(jié)束標準

灌漿方式采取等高程雙孔并聯(lián)灌注。灌漿作業(yè)從較低的一處開始，向較高的一端推進。當高處孔排出濃漿后，可將低處孔堵塞，改從高處孔灌漿，依此類推，直至結(jié)束。同一單元內(nèi)的同一次序孔可以全部或者部分鉆出后，再進行灌漿；也可以單孔分序鉆進灌漿。

灌漿壓力達到設(shè)計值后，灌漿孔不再吸漿，此時應持續(xù)灌注5 min 方可結(jié)束。在回填灌漿過程中若Ⅰ序孔出現(xiàn)竄漿時，應在竄漿孔流出同濃度漿液后及時封孔，結(jié)束該孔灌漿作業(yè)，該孔視為灌漿結(jié)束。若Ⅱ序孔出現(xiàn)竄漿時，應立即將被竄孔封堵，并對被竄孔進行掃孔作業(yè)，掃孔后進行正常灌漿作業(yè)直至結(jié)束。

4.3 特殊情況處理

（1）灌漿作業(yè)過程中若發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿現(xiàn)象時，可采用封堵表面、嵌縫、降低灌漿壓力、提高灌漿濃度等方式進行處理。

（2）灌漿作業(yè)應確保連續(xù)進行，因故中斷灌漿作業(yè)時，要盡快恢復灌漿作業(yè)，復灌后，注入率較復灌前降低幅度較大，且停止耗漿時間很短時，該孔必須進行掃孔，并重新進行灌注。

4.4 灌漿檢查標準

（1）灌漿檢查應在單元段灌漿結(jié)束后72 h 進行。

（2）在設(shè)計壓力下灌注2∶1 的水泥凈漿，10 min 內(nèi)注入量不超過10 L 視為合格。

（3）檢查孔孔數(shù)不應少于總孔數(shù)的5%，檢查孔深入圍巖5 cm。

4.5 封孔

灌漿孔灌漿結(jié)束后，關(guān)閉孔口球閥封孔，并采用干硬性水泥砂漿封孔，孔口處壓抹平齊。

5 固結(jié)灌漿

固結(jié)灌漿在二期支護混凝土強度達到設(shè)計強度的70%，且該灌漿單元回填灌漿結(jié)束7 d 后進行。

5.1 造孔

鉆孔采用YT-28 氣腿式鑿巖機，鉆孔終孔孔徑≥38 mm。鉆孔位置與設(shè)計孔位偏差≤10 cm，其角度偏差≤5°，孔深誤差≤20 cm。每單元段應進行一次孔深、傾斜度、方位角的檢查，合格后方可進行下道工序施工，如發(fā)現(xiàn)孔斜超過要求時應及時糾正。鉆孔順序應與灌漿順序保持一致，相同灌漿單元內(nèi)不相鄰的同序孔可同時施工，上一次序孔灌漿作業(yè)完成后方可進行下一次序孔的鉆孔。鉆孔過程中遇到洞穴、塌孔，孔內(nèi)漏水、涌水等情況時要做好詳細的記錄，及時分析周邊圍巖及鉆孔情況，采取相應措施后方可繼續(xù)進行鉆孔作業(yè)。鉆孔結(jié)束后，將孔口用木塞塞住，防止污物進入。

5.2 洗孔和裂隙沖洗

（1）灌漿作業(yè)前對鉆孔進行敞開式?jīng)_洗，沖洗時長不宜少于10 min。對裂隙進行沖洗時，水壓控制在灌漿壓力上限值的80%左右，并且不宜大于1 MPa?？卓诔霈F(xiàn)清水后持續(xù)清洗10 min 后方可結(jié)束，沖洗時長不宜少于0.5 h。對于遇水后性能可能惡化的圍巖，須采用高壓風進行清孔，可不進行裂隙沖洗和壓水試驗。清孔風壓采用設(shè)計灌漿壓力上限的50%，且風壓不宜超過0.5 MPa。

（2）固結(jié)灌漿施工應在裂隙沖洗后24 h 內(nèi)進行，超過24 h后仍未能進行固結(jié)灌漿施工的應重新進行洗孔。

（3）當出現(xiàn)竄孔或遇到圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育等部位時，應降低沖洗壓力。洗孔時間超過1 h 且孔口返水仍然渾濁時，應停止洗孔，并分析原因，采取相應措施后方可進行施工。

（4）鄰近孔灌漿結(jié)束不足24 h 或鄰近孔正在進行灌漿作業(yè)的，不應進行洗孔和裂隙沖洗。

5.3 壓水試驗

固結(jié)灌漿前應選取代表性孔進行單點法壓水試驗。壓水試驗孔數(shù)不應少于總孔數(shù)的5%，每兩排孔至少做一組壓水試驗。水壓采用設(shè)計灌漿壓力上限的50%，且不宜超過1 MPa。水壓上升到規(guī)定壓力后穩(wěn)定持壓，間隔5 min 讀取一次流量值。

當試驗成果符合以下標準時，試驗工作方可結(jié)束，以最終流量數(shù)值作為計算流量。

（1）流量之一大于5 L/min 時，連續(xù)4 次讀數(shù)的最大值與最小值之差小于最終值的10%。

（2）流量均小于5 L/min 時，連續(xù)4 次讀數(shù)的最大值與最小值之差小于最終值的20%。

（3）連續(xù)3 次流量值讀數(shù)均小于0.5 L/min。

壓水試驗成果采用透水率q 表示，其計算公式為：

式中，q 為透水率，單位Lu。Q 為壓入流量，單位L/min。P 為作用在試段內(nèi)的全壓力，單位MPa。L 為試驗段長度，單位m。

5.4 灌漿

5.4.1 灌漿壓力

引水隧洞的灌漿設(shè)計壓力原則上按進水口漸變段0.5 MPa，其余隧洞段按Ⅲ類圍巖1.0 MPa，Ⅳ類圍巖（1.0～1.5）MPa 進行。擠壓破碎帶（Ⅴ類圍巖）灌漿設(shè)計壓力原則上為（0.5～1）MPa，分段灌漿壓力按照表3 進行控制。

灌漿壓力應通過現(xiàn)場的灌漿試驗最終確定，將圍巖最大抬動0.2 mm 時的灌漿壓力作為最大灌漿壓力；圍巖抬動值超過0.2 mm，但灌漿壓力仍未達到設(shè)計值時，不應繼續(xù)加大灌漿壓力值。

5.4.2 漿液配比

灌漿漿液的濃度應由小到大，依次變換。擠壓破碎帶水泥漿水灰比采用1/1、0.8/1、0.5/1 等級，非擠壓破碎帶水泥漿水灰比采用2/1、1/1、0.8/1、0.5/1 等級。

5.4.3 漿液變漿原則

（1）當注入率持續(xù)減少壓力值不變或注入率保持不變壓力值卻持續(xù)變大時，不改變水灰比。

（2）當某一級水灰比的注入量已達到300 L 以上，或灌注時長已達0.5 h，而注入率及灌漿壓力均無顯著變化時，可換濃一級水灰比漿液灌注；當注入率>30 L/min 時，可根據(jù)現(xiàn)場情況適當越級變濃灌注。

（3）當采用最大濃度漿液灌注，注入率很大卻沒有明顯減小時，采用間歇灌漿法。

（4）漿液等級改變后壓力值突然變大或注入率突然變小，應查清原因據(jù)實調(diào)整。

5.4.4 固結(jié)灌漿方式及結(jié)束標準

灌漿必須嚴格按環(huán)間分序，環(huán)內(nèi)加密的原則進行，先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔。Ⅰ序孔為設(shè)計壓力的70%，Ⅱ序孔為設(shè)計壓力。相同灌注單元內(nèi)Ⅱ序孔必須在周圍Ⅰ序孔完成后進行。固結(jié)灌漿采用單孔灌漿方式，非擠壓破碎帶洞段采用全孔段一次灌漿工藝，擠壓破碎帶采用序間循環(huán)分段灌漿工藝，第一段段長2 m，第二段段長4 m，并采用單孔純壓的方法。

灌漿過程中，應注意混凝土襯砌抬動變位監(jiān)測，灌漿過程中應經(jīng)常觀測和記錄，當混凝土襯砌徑向變位>0.2 mm 或發(fā)生裂縫時，應立即降低灌注壓力。

在最大設(shè)計壓力下，注入率<1 L/min 時，應持續(xù)灌注0.5 h后結(jié)束。

5.5 特殊情況處理

（1）灌漿若因故中斷，應盡快處理，盡早恢復施工。如果中斷超過30 min，則應采用濃度大于水灰比2∶1 稀水泥漿進行沖孔；沖洗后沒有明顯效果的則應進行掃孔處理。如恢復灌漿后注入率大幅降低，短時間內(nèi)不再吸收漿液，則該段灌漿應視為不合格，查明原因后采取相應措施補救。

（2）灌漿作業(yè)過程中若發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿現(xiàn)象時，可采用封堵表面、嵌縫、降低灌漿壓力、提高灌漿濃度等方式進行處理。

（3）發(fā)生竄漿的處理措施：立即停止被竄孔的鉆進作業(yè)；當竄漿量不大時，在被竄孔內(nèi)注入濃度高于水灰比2∶1 的稀水泥漿，使?jié){液不至于充填鉆孔；當竄漿量大時，可與被竄孔同時間進行壓注，否則竄孔采用木塞封堵嚴密，灌漿作業(yè)結(jié)束后重新對竄漿孔再掃孔、沖孔，鉆進、灌漿。

（4）灌漿時應定時對水泥漿比重進行測定，灌漿結(jié)束時也應測定漿液比重，作好灌漿記錄。

表3 擠壓破碎帶灌漿壓力值

（5）對于涌水地段的灌漿，應提前做好涌水壓力和涌水量的測量，減小灌漿單元段的長度。灌漿結(jié)束后屏漿時間≥2 h，待凝時間≥48 h，如若有需要可在水泥漿中加入速凝劑。

5.6 灌漿檢查標準

（1）單元灌漿結(jié)束72 h 后進行固結(jié)灌漿檢查孔施鉆。

（2）采用單點法壓水試驗進行檢查。

（3）檢查孔總數(shù)量不應少于灌漿孔總數(shù)量的5%。

（4）固結(jié)灌漿檢查合格標準為透水率≤3 Lu，孔段合格率≥80%，不合格孔段的透水率應≤4.5 Lu，且孔段不集中，可以視為合格。

（5）固結(jié)灌漿檢查壓水穩(wěn)定標準同5.3 壓水試驗的標準。

5.7 封孔

灌漿結(jié)束后，對孔口朝下和有涌水的鉆孔必須采用全孔灌漿封孔法封孔，其余孔采用導管注漿封孔法封孔?？卓谑褂酶捎残运嗌皾{將鉆孔封填密實，壓抹齊平。

導管注漿封孔法：全孔灌漿完畢后，將導管插入到鉆孔底部，用灌漿泵向?qū)Ч軆?nèi)注入水灰比為0.5∶1 的水泥漿將浮漿和污水擠出孔外。注漿的過程中漿液面上升的同時將導管慢慢上提，但要保證導管底口始終保持在液面以下。

全孔灌漿封孔法：全孔灌漿完畢后，采用導管注漿法將孔內(nèi)剩余的漿液置換為水灰比0.5∶1 的漿液，而后將灌漿塞塞在孔口，采用最大灌漿壓力進行純壓式灌漿封孔。

6 結(jié)束語

回填灌漿和固結(jié)灌漿是水工隧洞施工中常見的灌漿方法，通過合理、有序的施工組織，選用合理的灌漿參數(shù)，即可節(jié)省投資，又可以提高襯砌的整體受力強度，從而保證水工隧洞正式運營后的安全。