轎頂子電站引水隧洞富水破碎圍巖洞段超前帷幕注漿堵水施工技術(shù)研究

(遼寧澤龍水利實業(yè)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

轎頂子電站位于遼寧丹東寬甸太平哨鎮(zhèn)轎頂子村境內(nèi)，是北股河干流上規(guī)劃建設(shè)的一座以防洪和發(fā)電為主，兼有灌溉和養(yǎng)殖等諸多水利功能的綜合性小型水利工程[1]。電站主要由混凝土重力壩、副壩、溢洪道、泄洪洞以及引水發(fā)電系統(tǒng)組成[2]。其中引水發(fā)電系統(tǒng)的引水隧洞設(shè)計于大壩左側(cè)，全長1123m，為馬蹄形斷面。

2 涌水情況

由于引水隧洞規(guī)劃線路附近地下水埋藏較淺，且線路本身需要穿越DS3斷層破碎帶，因此，開挖施工難度較大。施工過程中，掌子面部位一直存在少量涌水情況，當(dāng)開挖至引2+23斷面時，遭遇斷層破碎帶開始出現(xiàn)大量涌水。由于涌水量大且圍巖的整體質(zhì)量較差，如不采取一定的施工加固措施，必將對施工安全造成影響。基于此，工程項目部通過會商，擬對該洞段進(jìn)行全斷面超前帷幕注漿[3]。

3 施工方案總體設(shè)計

3.1 基本設(shè)計思路

針對研究洞段圍巖地質(zhì)現(xiàn)狀以及突水涌水的實際情況，基于全壽命周期理論和過程化控制注漿止水加固技術(shù)，通過漿液的滲透擴(kuò)散封堵以及漿脈的骨架支撐作用，實現(xiàn)對富水破碎圍巖的擠密和加固[3]。在施工方案設(shè)計之前，經(jīng)對施工洞段的進(jìn)一步地質(zhì)勘查，需要注漿加固的富水破碎圍巖洞段的長度為24m，樁號為引2+23～引2+47。經(jīng)過數(shù)值模擬分析，確定加固圈的厚度為6.0m。

3.2 止?jié){墻設(shè)計

在帷幕注漿加固施工過程中，為了保證注漿漿液的有效擴(kuò)散和提升注漿壓力，有效防止注漿工作面的漏漿，需要在施工掌子面的上臺階部位設(shè)置一定厚度的止?jié){墻，并為超前帷幕注漿的施工作業(yè)提供必要的工作平臺[4]。

根據(jù)施工現(xiàn)場調(diào)查，施工掌子面存在較大量的涌水，不利于混凝土止?jié){墻的施工。因此，需要在混凝土止?jié){墻施工之前采取工程措施，對圍巖深部的涌水進(jìn)行引流排放。針對這一要求，在施工掌子面中臺階的左側(cè)立面鉆3個與隧道軸線平行的引流孔，邊鉆孔邊下套管，直至揭露圍巖內(nèi)部涌水。

結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況和相關(guān)工程經(jīng)驗，選擇單級平面型混凝土止?jié){墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案[5]。止?jié){墻的設(shè)計厚度為3.0m，采用C40混凝土。其中，引2+20～引2+21段混凝土止?jié){墻的頂部和圍巖初支結(jié)構(gòu)相接，引2+21～引2+23段混凝土止?jié){墻的頂部和隧洞開挖的外輪廓線相接。為了提高混凝土止?jié){墻的穩(wěn)定性，在周邊增設(shè)直徑32mm的徑向錨桿與隧洞圍巖相接錨固；對于軟弱基礎(chǔ)利用鋼管樁進(jìn)行加固。為了保證混凝土止?jié){墻后部圍巖涌水的引排，在止?jié){墻的左下角和右下角分別埋設(shè)2個和1個直徑170mm的排水管。

3.3 帷幕注漿孔的布置

此次圍巖全斷面帷幕注漿加固段的設(shè)計長度為24m，漿液的擴(kuò)散半徑為3.0m。其中，每個注漿循環(huán)設(shè)計長度為8.0m的三個加固區(qū)段，分別為0～8m、8～16m和16～24m。注漿段的長度設(shè)計為5.0m，注漿材料選用水泥-GT雙漿液設(shè)計[6]。注漿施工中的開孔位置均設(shè)計于上臺階內(nèi)(見圖1)。

圖1 帷幕注漿加固設(shè)計俯視(單位：mm)

帷幕注漿采用的是普通水泥-水玻璃雙漿液，其中水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃的濃度為35Bé，模數(shù)為2.5。單孔注漿量的計算可以采用下式：

Q=πR2Ln?η

(1)

式中Q——注漿量，m3；

R——擴(kuò)散半徑，這里取3.0m；

L——注漿長度，這里取5.0m；

n——孔隙率，這里取15%；

?——漿液的孔隙填充系數(shù)，這里取0.5；

η——漿液消耗率，這里取1.1。

經(jīng)計算，每延米的注漿量為11.7m3。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗和研究洞段的實際情況，設(shè)計帷幕注漿設(shè)計參數(shù)(見表1)。

3.4 注漿工藝的選擇

帷幕注漿的常用工藝有兩種，分別為前進(jìn)式和后退式[7]。為了確定合理的注漿方式，在工程現(xiàn)場的開挖掌子面鉆取3個超前地質(zhì)探孔，通過對圍巖地質(zhì)情況的進(jìn)一步判斷，以確定合理的注漿方式。如果在鉆孔過程中遇到明顯的涌水或泥夾層，造成鉆孔坍塌嚴(yán)重則采用分段前進(jìn)式注漿工藝；如果鉆孔過程中容易卡桿且孔口的封閉比較困難，則易采取后退式注漿工藝。

3個探孔的鉆探情況顯示，注漿段圍巖的破碎現(xiàn)象比較明顯，漿液不易均勻擴(kuò)散。如果采用一次成孔工藝，不僅容易造成塌孔，漿液的擴(kuò)散也難以達(dá)到預(yù)期效果。因此，選用前進(jìn)式分段注漿工藝模式，也就是在帷幕注漿過程中采用鉆孔和灌注交替進(jìn)行的施工方式，利用孔口管進(jìn)行止?jié){，工藝見圖2。

圖2 前進(jìn)式分段注漿工藝示意圖

4 帷幕灌漿施工

4.1 施工步驟

在施工掌子面部位首先進(jìn)行混凝土止水墻的施工作業(yè)，并在掌子面和混凝土止水墻之間填充片石或干噴料[8]。在混凝土止水墻內(nèi)埋設(shè)導(dǎo)水管，然后再進(jìn)行帷幕注漿作業(yè)，注漿加固圈的范圍為隧洞開挖外輪廓線范圍以外5.0m，注漿材料為快凝水泥-水玻璃雙漿液注漿材料。

為了滿足注漿施工過程中鉆機施工作業(yè)的實際需求，需要在混凝土止水墻后方預(yù)留出長度為10m左右的鉆機作業(yè)平臺。對于施工平臺，首先需要墊平并壓實，然后填筑厚度為20cm的閘石，平臺與隧洞拱頂初支高度之間的距離為4.5m左右，以利于鉆機位置的定位和施工作業(yè)。

在混凝土止?jié){墻上按照設(shè)計方案進(jìn)行注漿孔孔位的確定，鉆機手首先要準(zhǔn)確確定孔位和外插角，然后利用直徑130mm的鉆頭在低速條件下鉆進(jìn)1.5m，然后安裝好孔口管?？卓诠懿捎弥睆?08mm、厚度5mm的無縫鋼管，管長1.5m。在孔口管的管壁部位纏繞長度80cm的麻絲成為紡錘形，采用鉆機沖擊的方式進(jìn)行安裝，然后利用水泥基錨固劑進(jìn)行錨固，以有效保障孔口管能夠安裝牢固，在注漿施工中不漏漿。

在研究洞段的施工掌子面鉆取3個超前地質(zhì)勘查孔，對注漿止水加固段的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行有效的辨識。

注漿施工按照自上而下、自外而內(nèi)、間隔跳孔的原則進(jìn)行，以達(dá)到控域注漿、封堵圍巖內(nèi)部裂隙，實現(xiàn)止水加固的施工目標(biāo)。

4.2 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在注漿施工作業(yè)中，不僅要保證注漿止水加固的工程效果，還應(yīng)該盡量節(jié)省施工成本。因此，對注漿施工結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的選擇，需要采用定量和定壓相結(jié)合的方式進(jìn)行。在注漿施工前期，由于注漿壓力相對較小，因此需要盡量擴(kuò)大漿液的擴(kuò)散范圍，因此可以適當(dāng)增加注漿量。在注漿加固范圍接近注漿結(jié)束要求的情況下，應(yīng)該主要控制注漿壓力，故需要進(jìn)行定量和定壓注漿。結(jié)合工程的施工成本，在注漿中漿液的擴(kuò)散范圍已經(jīng)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或注漿壓力基本穩(wěn)定的情況下，需要對漿液的配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以縮短膠凝時間，同時采用間歇注漿的方式，以實現(xiàn)對注漿漿液擴(kuò)散范圍的有效控制。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓同時注漿量已經(jīng)達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的80%以上時，即可結(jié)束注漿。根據(jù)此次工程的實際情況，第1段和第2段的注漿終壓設(shè)置為3MPa，第3段的注漿終壓設(shè)置為4MPa。

5 注漿效果評價

注漿效果的評價是后期進(jìn)行開挖施工方案設(shè)計的重要依據(jù)。針對此次施工具體情況，主要通過鉆孔檢查進(jìn)行評價。檢查過程中按照注漿孔總數(shù)的5%～10%設(shè)置檢查孔，檢查孔的布置應(yīng)該采用均布的方式，檢查孔內(nèi)應(yīng)該沒有涌沙、涌泥現(xiàn)象，不塌孔，滲水量不大于0.2L/(min·m)，否則需要進(jìn)行補充注漿處理。

從工程的涌水情況來看，注漿前的涌水量為2000m3/d，隨著注漿的順利進(jìn)行，涌水量逐漸減小，顯示出良好的注漿止水效果。從后續(xù)開挖施工的實際情況來看，在進(jìn)行帷幕注漿加固之后，開挖過程中圍巖掌子面比較濕潤，裂隙部位可見良好的漿液填充，僅有局部存在滲漏滴水現(xiàn)象。

6 結(jié) 語

帷幕注漿可以實現(xiàn)隨圍巖裂隙中的裂隙有效固結(jié)，阻斷裂隙通道，將圍巖有效連成一個有機整體。帷幕注漿加固之后，注漿止水的效果良好。當(dāng)然，隨著注漿新材料的不斷出現(xiàn)和注漿技術(shù)的不斷創(chuàng)新，各種施工參數(shù)還可以進(jìn)一步優(yōu)化。因此，在具體的工程設(shè)計和施工方面，還需要積極進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，結(jié)合具體工程實際，在保證施工質(zhì)量情況下，盡量降低施工成本。