秦嶺輸水隧洞七號洞高壓富水區(qū)帷幕注漿試驗研究

王文添

(陜西省引漢濟渭工程建設(shè)工程有限公司，陜西 西安 710100)

引漢濟渭工程是陜西省重大引調(diào)水工程，隧洞橫穿秦嶺底部，地質(zhì)條件復雜，涉及多處富水區(qū)及斷層地帶，施工難度極大[1]。在引水隧洞施工期間，不同地質(zhì)段出現(xiàn)了形式多樣的大涌水、流沙、突泥涌水等不利地質(zhì)狀況[2-3]。

隨著國家逐步加大水利基礎(chǔ)建設(shè)的投資，近些年類似的引調(diào)水工程相繼實施，施工中遭遇到的超大涌水處理難題異常復雜，嚴重制約著工程建設(shè)進度，對施工安全和機械設(shè)備也造成了一定的威脅。為解決這一難題，對秦嶺隧洞七號洞高壓富水區(qū)分別采取不同材料的漿液及漿液配比進行帷幕注漿試驗[4]，通過試驗對比，選定注漿工藝、試驗數(shù)據(jù)，最終確定注漿方案及參數(shù)，確保高壓富水段的帷幕注漿施工順利進行，為后續(xù)類似地質(zhì)段施工積累了豐富的實踐經(jīng)驗[5]。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺隧洞由黃三段和越嶺段組成,越嶺段全長81.999km,沿線布設(shè)10條支洞，7號支洞口位于周至縣陳河鎮(zhèn)黑河上游2km處右岸陡坡上，支洞長1877m，主洞全長8122m，上游長3569m，下游長4553m，隧洞最大埋深1230m，涌水段埋深約980m，屬Ⅱ類圍巖，巖性主要以花崗巖、閃長巖為主，節(jié)理、裂隙發(fā)育，節(jié)理面平直光滑，無擦痕，密閉，無填充。

在主洞上游掘進至K68+984時，在鉆孔至3.5m深度時，拱頂突然爆發(fā)承壓水，噴射距離18m，涌水發(fā)生后，在掌子面鉆設(shè)8個直徑42mm的探孔，均出現(xiàn)不同程度的噴射水流，經(jīng)測算，日最大單孔涌水量達到43000m3，經(jīng)1個月的抽排，涌水無明顯的衰減跡象。本次涌水呈現(xiàn)水量大、水壓高、巖性堅硬、巖層破碎的特點，給帷幕注漿堵水施工帶來了很大的困難。

2 帷幕注漿試驗及目的

根據(jù)涌水段地質(zhì)、工程環(huán)境及出水狀況，以“以堵為主、限量排放、堵排結(jié)合、排水降壓”為原則，采用超前全斷面帷幕注漿方式進行堵水處理，達到充填圍巖裂隙、封堵裂隙水、提高圍巖整體性、保證施工進度及安全的目的。

在帷幕注漿施工前應(yīng)進行注漿試驗，確定K68+988～K68+963段(第1循環(huán)含4m止?jié){墻，共5個循環(huán))為注漿試驗段，帷幕軸線長度25m，主要試驗內(nèi)容如下：

a.驗證注漿設(shè)計參數(shù)的合理性，為后序施工提供適宜的注漿施工參數(shù)。

b.確定合理的注漿施工工藝及施工方案，尤其是在地層中出現(xiàn)大量跑漿、冒漿和注漿量大等情況時的注漿施工處理措施等。

c.通過對試驗成果的分析，提出準確、充分的試驗結(jié)論和成果建議，使帷幕注漿施工順利完成，并滿足工程建設(shè)的各項管理要求。

3 帷幕注漿試驗施工工藝

3.1 試驗孔布置

根據(jù)帷幕注漿設(shè)計技術(shù)要求和現(xiàn)場地質(zhì)情況，分4個區(qū)間進行帷幕注漿試驗。其作用一是探明前方水源情況；二是分區(qū)進行注漿參數(shù)試驗；三是封閉止?jié){墻與圍巖間的縫隙。選擇第二排的B-4、B-7、B-14、B-17作為試驗孔，采用不同比例的單液、雙液漿進行試驗，其孔位布置如圖1所示。

圖1 試驗孔布置示意圖

3.2 施工主要設(shè)備

帷幕注漿試驗投入1臺PRD-180C型地質(zhì)鉆機、2臺KBY90/15-22型注漿泵、2臺LJ-1000型攪拌機、1臺注漿自動記錄儀等。

3.3 試驗孔施工順序

施工順序為：B-4孔→B-17孔→B-14孔→B-7孔，各次序孔在單個灌漿段灌漿結(jié)束且充填漿液材料終凝后，再進行下一段灌注。

3.4 試驗孔鉆孔及質(zhì)量控制

3.4.1 鉆孔

試驗應(yīng)嚴格按選定的孔位進行施工，并采用全站儀測量孔位，開孔孔位誤差控制在10cm之內(nèi)。鉆機安裝平整牢固，用儀器調(diào)整使天車、立軸、鉆孔在一條鉛垂線上，鉆孔孔徑為90mm，采用金剛石鉆頭鉆進，在鉆進過程中，嚴格按照操作規(guī)程，合理掌握鉆進參數(shù)，遇到特殊情況，需采取措施后再進行鉆進。開孔鉆進時，輕壓慢轉(zhuǎn)鉆進1m后，再按正常情況鉆進。每個鉆段結(jié)束，立即進行沖孔，直至回水變清后提鉆。

3.4.2 成孔質(zhì)量控制

注漿孔孔位與設(shè)計孔位偏差值不大于10cm，終孔孔深應(yīng)滿足設(shè)計要求，鉆孔孔底最大偏差符合設(shè)計規(guī)定值。為保證鉆孔質(zhì)量，在施工中采取了以下防斜、糾斜措施：

a.鉆進前鉆機錨固穩(wěn)定，按設(shè)計角度用專門儀器定好立軸角度。

b.鉆進時合理掌握好鉆進參數(shù)，鉆壓不要過大。

3.5 試驗孔注漿

3.5.1 注漿壓力及方法

注漿時應(yīng)注意以下事項：

a.在注漿前需要進行孔口管埋設(shè)，孔口管埋設(shè)段位鉆設(shè)130mm孔，采用高速錨固劑埋設(shè)108mm孔口管。

b.初始注漿壓力值需參考涌水時測得的涌水壓力值，一般較涌水壓力大0.5～1MPa，注漿結(jié)束標準壓力控制在5～6MPa。

c.注漿方法采取前進式分段注漿方法。

d.注漿管安設(shè)于孔口管尾端，螺栓錨固。

e.注漿漿液由稀到濃逐級變換。當注漿壓力保持不變而注入率持續(xù)減少時，或當注入率不變而注漿壓力持續(xù)升高時，不改變水灰比。當某一級水灰比灌入量達300L以上或灌注30min以上，壓力與吸漿率仍無變化時，可以調(diào)高一級水灰比；吸漿率大于30L/min時可以越級提高水灰比。當水泥漿經(jīng)過多次待凝后，仍然不能達到結(jié)束標準時，改為雙液漿灌注。

3.5.2 漿液制備及質(zhì)量控制

現(xiàn)場使用的注漿材料中，水、水泥、水玻璃等必須經(jīng)進場檢測合格后方能投入使用?，F(xiàn)場按照配比配制漿液，其配制流程見圖2。所制漿液必須攪拌均勻并測定漿液比重，漿液從開始制備到用完，耗時小于1h，注漿配比按照表1、表2配比制備，漿液溫度必須保持在5～40℃之間。為保證漿液性能，每班(8h)由現(xiàn)場技術(shù)人員用漿液比重計至少測試3次漿液密度。在變換漿液水灰比時要求測試漿液密度，以確保漿液質(zhì)量的可靠性。

圖2 漿液配制流程

表1 水泥漿配比

表2 水泥-水玻璃雙漿液配比

在試驗孔注漿結(jié)束后，打開預埋管閘閥，結(jié)合對施工記錄、成果資料的分析，進行注漿質(zhì)量評定，評定標準以注漿后涌水量為主。在注漿結(jié)束3天后，采用原位鉆孔法進行檢查，以檢查段單孔涌水量小于5L/m·min為合格判定標準，如果注漿質(zhì)量不合格，則重新進行注漿處理；如果依然不合格，則對注漿孔進行加密，重新進行質(zhì)量檢查。

3.5.3 注漿中特殊情況處理

在注漿試驗過程中，根據(jù)注漿規(guī)范的要求或現(xiàn)場監(jiān)理的指示，對所遇到的注漿特殊情況，采取合理有效的措施進行處理，主要包括以下幾種情況：

a.B-17號孔注漿過程中與已鉆設(shè)的B-16號孔串漿，采取的處理手段為：封堵B-16號孔，B-17號孔正常注漿，待注漿試驗結(jié)束后，B-16號孔再掃孔重新鉆進。

b.注漿過程中遇吃漿量大難以結(jié)束時，采取低壓、濃漿、限流、間歇等措施處理。

c.對于單孔涌水量和注漿吃漿量大且不起壓的孔，一次注漿水泥量超過10t，反復待凝3～5次后，仍然無法達到灌漿結(jié)束標準時，采用雙液灌注。

帷幕注漿試驗孔施工工藝流程見圖3。

圖3 帷幕注漿試驗孔施工工藝流程

4 試驗孔注漿成果分析

注漿試驗工作結(jié)束后，根據(jù)各孔的鉆孔、注漿等現(xiàn)場記錄匯總成果，按照《水工建筑物水泥注漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL 62—2014)中注漿成果分析的要求，對本次注漿試驗的注漿效果進行分析。

4.1 試驗孔涌水量分析

帷幕注漿試驗孔注漿結(jié)束后，待凝3天后進行原位鉆孔檢查，帷幕注漿質(zhì)量合格標準為單孔涌水量小于5L/(m·min)。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，單孔涌水量最大為4L/(m·min)，最小為2.2L/(m·min)，平均單孔涌水量為3.05L/(m·min)，本次試驗孔注漿結(jié)果為合格。

4.2 注漿量及注漿壓力分析

試驗孔各序孔平均單位注入量統(tǒng)計見表3。

表3 試驗孔各序孔平均單位注入量統(tǒng)計

從表3可以看出，注漿試驗中注漿區(qū)域不同，注入量也不同。單孔每延米注入量最大為1537.5kg，注入量最小為1229.2kg，平均注入量為1402.6kg。分析各孔注漿規(guī)律如下：

a.隨著試驗孔長度的增加，注漿終止壓力相應(yīng)增加。

b.對于雙液漿，隨著水玻璃比例的增加，注漿壓力隨之上升，注漿量隨之下降。

c.對于單液漿，隨著水泥漿濃度的降低，注漿量隨之升高。

4.3 試驗孔成果分析

通過對試驗孔位置分布、注漿效果及注漿質(zhì)量等進行綜合分析得到以下規(guī)律：

a.注漿試驗孔孔深6～9m，分布于掌子面上下左右4個區(qū)域，上部孔每延米平均注入量為1501.4kg，下部孔每延米平均注入量為1304.9kg，各試驗孔平均單位注入量隨著注漿孔位標高的降低而遞減，上部孔位注漿量均大于下部孔位注漿量。

b.從試驗孔注漿效果來看，水泥-水玻璃(35Bé)雙液漿的優(yōu)選比例為1∶1.25(體積比)，水泥單液漿的優(yōu)選比例為0.8∶1(質(zhì)量比)。

c.從檢查孔的單孔涌水量來看，均在4L/m·min以內(nèi)，達到了設(shè)計標準。

d.注漿試驗孔孔深6～9m，最小終止壓力為5MPa，最大終止壓力為8MPa，隨著注漿段長度的增加，注漿壓力相應(yīng)增加，由此推斷，后期在深孔注漿時，實際終止壓力會高于設(shè)計壓力。

e.根據(jù)單位注漿量統(tǒng)計情況分析，前方圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，在長孔注漿時，存在大量吃漿的可能。

5 結(jié) 論

a.由注漿試驗分析可知，采用試驗中所用的施工工藝和施工參數(shù)，保證了注漿質(zhì)量及注漿施工的順利進行，注漿效果能滿足設(shè)計要求。

b.注漿孔相互串漿時，可立即封堵串漿孔，待注漿孔注漿結(jié)束后，串漿孔二次鉆孔后繼續(xù)注漿。同時為防止出現(xiàn)串漿，適當加長相鄰兩個次序孔先后施工的時間間隔，或者采用隔孔施工方法。

c.分析試驗所選用的配比得出，為了降低漿液注入量，可視情況調(diào)整為小一級的水灰比或適當調(diào)高水玻璃用量。