水泥-水玻璃雙液灌漿在核電廠泵房的施工分析與應用

謝亞斌

(中核國電漳州能源有限公司，福建 漳州 363300)

漳州核電廠位于漳州市東山灣云霄縣，電廠采用“華龍一號”技術，總裝機容量6×1250 MW，同時正在開發(fā)7、8號機組的廠址適宜性分析論證，承擔著我國自主三代核電“華龍一號”批量化建設的歷史使命。漳州核電海域使用權證2020年4月8日取得，從漳州核電施工主線邏輯的角度考慮，在加大資源配置、延長作業(yè)時間、土建安裝交叉施工等措施下實現(xiàn)冷試時間為FCD+57.5，相比進度計劃冷試時間FCD+44，滯后13.5個月，因此，在滿足資源配置的情況下，泵房施工仍嚴重滯后，影響后續(xù)的核島廠房送冷風、核回路沖洗、冷試、熱試等節(jié)點的按期實現(xiàn)。優(yōu)化泵房整體邏輯線各環(huán)節(jié)是必要的且優(yōu)化泵房圍堰工期成為當前工作的重中之重。

泵房是核電廠內重要構筑物子項，提供電廠所需的服務水及二回路所需的循環(huán)冷卻水，而泵房基坑(-30.8 m)是漳州核電廠最深的基坑且泵房北側與海水直接接觸，基坑四周水壓力大且泵房施工需要干施工條件，因此，泵房圍堰止水結構的施工質量尤為重要。漳州核電泵房圍堰分陸域和海域兩部分，設計采用塑性混凝土防滲墻施工工藝，陸域部分已近施工完成，海域部分由于確權原因未能及時開展施工，因地質和工期原因決定采用一種新型止水工藝—水泥-水玻璃雙液灌漿施工工藝替換原塑性混凝土防滲墻工藝，相比原計劃，預計優(yōu)化2.5個月工期，該工藝在漳州核電領域是首次運用，更是在核電行業(yè)內泵房的首次運用，通過理論分析和工程實例數據兩方面證明水泥-水玻璃雙液灌漿工藝適用于漳州核電泵房圍堰，并提出施工改進意見，為后續(xù)機組取、排水口圍堰止水結構項目積累了豐富的施工經驗。

1 泵房圍堰止水結構施工面臨的問題

漳州核電泵房圍堰海域部分水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻長408.1 m，深度在6.8 m和30.5 m之間；原防滲墻軸線兩側區(qū)域主要回填料為粒徑不大于30 cm、含泥量不大于10%的開山石碴；圍堰施工前，基底周圍存在0.8～9.3 m的淤泥，對圍堰的安全穩(wěn)定使用存在極大風險。泵房圍堰原防滲墻位置目前有9個補充勘察孔分別為BK20～BK26、B003、B004，平均40.5 m有一個勘察孔，勘察孔偏少、間距過大，不能準確判斷地質情況以及巖土滲透參數，同時，漳州核電一期項目泵房基底標高-30.8 m，為全廠區(qū)最深，海平面設計高水位2.15 m，基坑底與海平面高差32.95 m，基坑四周承受水頭較大，圍堰能否實現(xiàn)短期閉合，實現(xiàn)止水并保持建設期的穩(wěn)定，是本工程的一大難點。

因此，漳州核電一期泵房項目在圍堰施工前，首先清除基槽淤泥，避免圍堰沉降對截水墻整體性的破壞；其次，增加先導孔作為補勘鉆孔以便更準確地判定注漿深度、地質情況等相關參數，達到最好的止水效果；注漿施工時，選取部分注漿孔作為先導孔，先導孔宜采取芯樣，并核對地層巖土特性，確定是否到達不透水層。同時，水泥-水玻璃雙液灌漿工藝在中國核電廠泵房是首次運用，無經驗可循， 該工藝是否適用漳州核電一期泵房基坑的地質條件，將通過分析和研究進行論證。

2 水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻可行性分析

漳州核電泵房邏輯鏈條各環(huán)節(jié)進度壓力極大且影響主線，現(xiàn)有塑性混凝土防滲墻工藝已無法滿足現(xiàn)場需求。為盡快達到泵房干施工條件，優(yōu)化絕對工期，對鋼板樁圍堰、塑性混凝土防滲墻 (原工藝)和水泥-水玻璃雙液灌漿三種工藝進行對比分析，通過對比分析，水泥-水玻璃雙液灌漿止水工藝是一成熟的灌漿工藝，止水質量好，施工工序少，并且能夠大幅優(yōu)化工期，適用于漳州泵房圍堰地質條件。

2.1 水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻滲流量分析

根據《漳州核電廠海工工程排水暗涵及泵房防滲墻巖土工程補勘報告》，結合泵房圍堰周圍地層分布，圍堰施工時，將對下部的淤泥進行清除。圍堰形成后，防滲墻施工時除個別區(qū)域將遇到中粗砂、粉質黏土和粉細砂外，大部分區(qū)域遇到的主要巖土層有：圍堰或海域回填施工的填石層、砂質黏性土、全風化巖、強風化巖和或中風化巖。

根據地質勘察報告，第四系地層以及全～強風化巖石的滲透系數見表1。

表1 相應地層滲透系數一覽表

考慮到防滲墻將穿透上部透水的回填層和下部滲透較低的砂質黏性土、全風化黑云母二長花崗巖，且全風化巖層和強風化層的富水性和徑流條件均較差，從鉆孔照片中也可以看到全風化巖層和強風化層的含水量是較低的。因此，即使全風化巖層和強風化層為中等透水層，其滲水量也是有限的，防滲墻只穿透上部填土層、原狀土層、全風化巖，并進入強風化巖至少3 m。

泵房陸域部分采用塑性混凝土防滲墻工藝，其滲透系數為n×10-6～n×10-8cm/s，極少會出現(xiàn)墻身滲透系數不滿足要求的問題。水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻的滲透系數則與巖土體類型有關，在多數情況下低于塑性混凝土墻。參照《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規(guī)范》[1]，灌漿體的滲透系數一般為n×10-5～n×10-6cm/s，在卵石/碎石層中的滲透系數可能高達n×10-4cm/s。表2列出了水泥-水玻璃雙液注漿止水墻在取不同數量級滲透系數時的單寬滲流量計算結果。結合實際的巖土層滲透性，雙液注漿止水墻的滲透系數取值為n×10-5cm/s已完全可以滿足施工要求。因此，在相同的地質條件下，選擇合適的滲透系數將減少水泥和水玻璃的用量或減少滲流量的設計量，從而降低工程投資。

表2 滲透系數取不同數量級時止水墻的單寬滲流量

2.2 水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻整體滲流量驗證

截水墻長408.1 m，寬度方向按兩排注漿孔布置，孔距1 m，排距0.8 m，擴散半徑不應小于0.5 m，共有818個注漿孔；該止水結構于6月10日開工，7月20日完工,并于7月25日形成干施工條件，相比原塑性混凝土防滲墻工藝提前3個月完成，施工完成養(yǎng)護14天后，按照3%～5%比例設置12個檢查孔，通過對以上JC-1～12孔進行壓水試驗驗證，本次所檢雙液灌漿止水結構的滲透系數，滿足設計要求；結合現(xiàn)場滲流量測算，本工藝實現(xiàn)了良好的干作業(yè)環(huán)境，為泵房后續(xù)施工創(chuàng)造了條件。

3 注漿堵水防滲試驗分析

水泥-水玻璃雙液灌漿堵水防滲工藝需根據不同地層的分布、滲透參數等條件，明確注漿施工的深度、漿液比例、注漿量等技術參數。

一般工程，水泥-水玻璃雙液灌漿堵水防滲應進行試驗性施工，重要工程水泥-水玻璃雙液灌漿堵水防滲還應進行專門的注漿試驗，因此，正式堵水防滲施工前組織進行了注漿防滲體系的相關工藝參數確認，確保施工過程中安全、質量、進度、投資全方位受控。

水泥-水玻璃雙液灌漿施工過程中應對受關注地層連續(xù)監(jiān)測，并應觀測地面或鄰近建(構)筑物的變形情況，嚴格控制變形值且其值不得超過設計規(guī)定。圍堰推填階段已沿圍堰軸線(即雙排注漿孔中心線)每隔50 m布置一個垂直、水平位移觀測點。綜合對施工期、使用期間的觀測結果分析，圍堰在泵房負挖爆破階段已趨于穩(wěn)定、未出現(xiàn)超限垂直、水平位移。

3.1 先導孔的確定及地層分析

根據《建筑工程水泥-水玻璃雙液注漿技術規(guī)程》[2]8.2.2要求，堵水防滲設置帷幕時，應設置先導孔。先導孔應在先注排或主排注漿孔中布置也可在一序孔中選取。漳州泵房圍堰雙液灌漿截水帷幕軸線位置與原防滲墻軸線位置一致；考慮到原防滲墻軸線位置現(xiàn)有補充勘察孔偏少、間距過大，不能準確判斷泵房圍堰地質情況以及微透水層、不透水層的具體標高以及相應的注漿標高。綜合考慮工期、經濟性與更全面的地質資料，設計最終將先導孔設置在一排一序孔，間距25 m，共設置17個先導孔?，F(xiàn)場鉆孔深度按照穿透上部填土層、原狀土層、全風化巖，并進入強風化巖至少3 m的要求進行確定，因此，通過先導孔鉆設取得的巖樣可知，先導孔與補勘孔得出的地層分布與注漿孔孔深數據基本一致，注漿孔孔深在6.8～30 m之間。

3.2 試驗場地及試驗段孔位布置

為了了解地層情況、選擇注漿參數，首先進行樣板化典型試驗注漿施工，并將試驗孔布置在首排孔中，指導后續(xù)注漿施工。試驗段長度一般不少于10 m，應在泵房圍堰上選擇一段有代表性的位置進行試驗性施工。

因雙液灌漿深度需穿透上部拋石層、原狀土層、全風化巖，并進入強風化巖至少 3 m，根據補勘孔及先導孔等勘察數據，P(x：2 636 683.214;y:550 630.412)點附近地層分布豐富且與陸域部分防滲墻相接，因此，以該點起始位置選取10 m長作為試驗段區(qū)域，根據地層分布狀況，設計確定注漿方式采用滲透注漿并使用下行式注漿法進行注漿。滲透注漿孔距宜為1.0～2.5 m，因此，設計按照孔距1 m，排拒0.8 m，一序孔間距2 m布置試驗段孔位，選取試驗段注漿孔與設計截水墻注漿孔位一致，試驗場地區(qū)域及試驗段孔位布置圖見圖1。

圖1 試驗段及注水試驗檢查孔示意圖Fig.1 Shematic diagram of test section and water injection test hole

3.3 漿液擴散半徑的確定

漿液的擴散半徑跟地層的滲透系數有關，并應通過注漿試驗確定，根據雙液截水墻位置的地層分布確定使用下行式注漿法進行注漿，每段注漿深度為3～4 m。按照《建筑工程水泥-水玻璃雙液注漿技術規(guī)程》[2]8.2.32對于砂層，漿液擴散半徑可取0.5～1.0 m，泵房圍堰位置地層多為砂質粘土及風化巖層，結合注漿孔孔距1 m，排距0.8 m等設計數據，按照不少于0.5 m設計注漿孔的擴散半徑，根據試驗段雙液灌漿截水墻施工完成的止水結構滲流量數據可知，漿液的擴散半徑均在0.5 m以上能夠保證止水結構整體性，滲流量滿足設計要求。

3.4 注漿壓力的確定

注漿壓力是注漿過程中的一個重要參數，壓力過低，漿液注漿范圍有限，達不到注漿要求的擴散半徑，無法形成相鄰孔之間的閉合，壓力過高將使地表及超范圍出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，浪費注漿材料。注漿壓力宜通過現(xiàn)場試驗確定，對于松散地層，注漿壓力宜為0.3～1.0 MPa；對于淤泥和粉質粘土，注漿壓力宜為0.2～1.5 MPa；對于中細砂層，注漿壓力宜為0.6～3.0 MPa,一般情況下，灌漿孔下部比灌漿孔上部的注漿壓力大，后序注漿孔比前序注漿孔注漿壓力大。

結合截水墻區(qū)域的地層分布，確定灌漿孔表面的注漿壓力不宜小于1.0 MPa，灌漿孔表面為開山石回填層，灌漿壓力盡可能大些，以不引起地面抬動或雖有抬動但不超過允許值為限，灌漿孔下部注漿段及后序注漿孔注漿壓力依次增加；通過試驗段的灌漿施工，注漿壓力在每一個區(qū)段不一樣。

根據試驗結果及標準規(guī)范，具體的注漿壓力控制值(MPa)主要如下：開山石回填層：1.1，粉質粘土、淤泥：1.5，中細沙：2.0，強風化巖、全風化巖：3.0。

3.5 水泥與水玻璃漿液配置的確定

依據《建筑工程水泥-水玻璃雙液注漿技術規(guī)程》[2]水泥漿液水灰比應根據試驗確定，宜選用單一水灰比，宜選擇0.7∶1～1∶1，水泥漿液制備后應測定水泥漿液密度，且與設計漿液的密度的誤差不應大于5%;水玻璃應根據配比按比例添加，且誤差不應大于5%，配置水泥-水玻璃漿液所采用的水玻璃模數應在2.4～3.2之間，其濃度不應小于40°Be,水泥漿與水玻璃漿液的體積比應根據室內試驗確定，可取1∶0.1～1∶1，在動水條件下施工時應適當減小水泥漿與水玻璃漿液體積比等防止?jié){液在動水條件下流失的措施。

經對各種漿材配合比做試驗確定最佳的凝結時間，見表3。

從整體上看，以注漿壓力1.5 MPa、注漿孔直徑32 mm的試驗結果為例：水泥漿液水灰比為0.8，且輸送水泥漿的管道流速為1.6 m/s，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.7，水玻璃模數為2.8，濃度為40°Be時，漿液可注性好，固結強度高，形成的雙液灌漿截水墻帷幕整體性好，滿足設計要求。

另外，由于地質分布不同，注漿壓力也稍有不同，漿液的凝結時間及可注性通過調整水泥漿與水玻璃漿液比例進行控制。

3.6 施工機具及鉆孔、注漿孔直徑的確定

根據截水墻所處位置地層分布，確定鉆孔使用履帶式潛孔鉆機，采用內燃空氣壓縮機(排氣量30 m3/min)風動鉆孔及跟管施工方法，每臺鉆機配備三套鋼套管(35 m/套)，根據確定的注漿壓力及漿液擴散半徑，設計確定灌漿孔鉆孔孔徑為φ146 mm，注漿管采用32 mm鋼管，3～4 m為一注漿段，按每1 m間距設置1組出漿截面，每個截面對稱鉆4個10 mm出漿孔，成孔后用土工布包裹。

根據《建筑工程水泥-水玻璃雙液注漿技術規(guī)程》[2]6.0.3要求灌漿泵的技術性能與所灌漿液的類型、濃度相適應，其容許工作壓力大于最大灌漿壓力的1.5倍，壓力波動范圍小于灌漿壓力的20%，并有足夠排漿量和穩(wěn)定的工作性能，最終，確定采用三缸高壓灌漿泵(泵壓6 MPa以上)進行灌漿。

水玻璃采用液壓手動化學灌漿泵，該泵由液壓箱和化學灌漿泵體組成，具有體積較小、重量輕、自動化程度高、操作方便和工作狀態(tài)穩(wěn)定等特點。該泵利用自作用式原理，以液壓為動力源，油缸和泵體作為執(zhí)行元件，配以手控換向系統(tǒng)，壓力和流量自動連續(xù)可調，壓力范圍0～10 MPa，滿足各種注漿使用環(huán)境要求。

3.7 雙液灌漿工藝的確定

灌漿孔采用一次成孔，自上而下分段灌漿的方式，灌漿管段與段之間設置一個分段裝置，分段裝置可阻隔灌漿管內漿液和灌漿孔內漿液，達到完全分段的灌漿效果，保證灌漿孔內每段壓力的有序提升，工藝流程為：

確定帷幕軸線放孔位→固定鉆機→φ146 mm引孔→安插DN32 雙液灌漿管→按計劃漿液量控制進行雙液灌漿 →終孔灌漿→封孔結束。

具體如下：

1)灌漿孔用跟管鉆機成孔:引管管徑φ146，終孔后，根據每孔孔深在引管內安裝孔內注漿管、分段灌漿分隔器、分段進漿管封隔器和孔內排水進漿裝置，按要求安裝好后拔出鉆孔引管，如圖2所示。

2)孔口用砂填堵0.5 m，再對每孔深第一注漿段范圍選用濾排水壓水泥漿方法進行高壓壓漿，用高壓壓漿進行孔口阻塞和對填料的擠密壓實止水處理，控制擠壓式壓漿壓力≥4.0 MPa,如圖3所示。

3)孔深第一注漿段范圍分二序進行水泥灌漿，其中一序孔灌漿控制進漿壓力1.1 MPa左右，應爭取多灌水泥砂漿，在一序孔段進行灌漿的同時，左右相鄰的二序孔相應注漿段范圍內必須同時具備暢通排水降壓的條件，使一序在灌漿段周圍產生的浮托滲透力被大幅降低，導致灌入的漿液會隨著排水流向和大的壓力坡降向被集中在帷幕軸線的二序孔向擴散，提高帷幕有效厚度和帷幕灌漿的整體止水效果，同樣道理二序孔深第一注漿段范圍灌漿時左右兩一序孔深第二注漿段范圍需暢通排水降壓，如圖4、圖5所示。

圖4 Ⅰ序孔段灌漿Ⅱ序孔段排水示圖Fig.4 Drainage diagram of sequence Ⅰ hole section grouting and sequence Ⅱ hole section

圖5 Ⅱ序孔段灌漿Ⅰ序孔段排水示圖Fig.5 Drainage diagram of sequence Ⅱ hole section grouting and sequence Ⅰ hole section

4)對孔深第二注漿段范圍分二序完成控制性水泥灌漿，控制灌漿壓力達1.5 MPa以上，后續(xù)注漿段同樣方式依次進行。但在完成二序孔終孔段時，此時其左右不能排水消壓，但需控制縮短漿液凝膠時間和比一序孔加大灌漿壓力1.0～2.0 MPa，最大限度保證帷幕完整可靠的止水效果，如圖6所示。

圖6 Ⅰ序孔段灌漿Ⅱ序孔段排水示圖Fig.6 Drainage diagram of sequence Ⅰ final hole section grouting and sequence Ⅱ hole section

3.8 灌漿結束標準

經試驗驗證，在每一個灌漿段最大設計壓力下，注入率不大于5 L/min后，繼續(xù)灌注10 min，可結束灌漿；同時，如果灌漿結束時，漿液未達到初凝而發(fā)生回漿，則必須重新灌漿，直至達到要求。

3.9 灌漿工藝效果驗證規(guī)定

水泥-雙玻璃雙液灌漿結束14后應選擇檢查孔進行壓水試驗(或注水試驗)驗證截水墻結構質量是否滿足設計要求，檢查孔應布置在不同水文地質特征的鉆孔軸線上，其數量不少于注漿孔數的3%～5%且每個地段內不少于1個；檢查孔應取芯，并應地質編錄、照相，巖芯應妥善保管；壓水試驗前，應編制詳細的壓水試驗方案，方案應重點對試驗設備、試驗程序有明確的規(guī)定，具體壓水試驗方法參照《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》[3]相關要求。

4 結論和建議

水泥-雙玻璃雙液灌漿截水墻具有滲透系數小、整體性好、工期短、造價經濟、適用于各類巖土層等優(yōu)點，特別適用于對工期有較高要求的項目，在后續(xù)工期緊張的工程中可優(yōu)先考慮使用，尤其是漳州核電一期泵房由于海域確權晚影響核島冷試、熱試較多，綜合考慮止水質量、工期及造價，水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻適用于漳州核電一期泵房圍堰，根據在漳州泵房的項目經驗，該工藝是后續(xù)核電機組取、排水口圍堰止水工藝的重要選擇之一。

根據在漳州核電一期施工時遇到的問題和積累的經驗，建議后續(xù)從以下幾個方面進行優(yōu)化：

1)設計改進：因水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻工藝在一期泵房基坑工程中為首次運用，設計趨于保守；在后續(xù)機組施工中，可優(yōu)化水泥-水玻璃雙液灌漿截水墻的注漿孔排數、注漿孔孔距或注漿孔數量，從而降低施工造價；根據理論計算及實際注漿經驗，一排注漿孔選擇合適的漿液擴散半徑只要能夠形成設計要求厚度的截水墻帷幕，其滲流量能夠滿足設計要求；

2)增加質量控制手段：在確定的施工工藝下，雙液灌漿的漿材配合比與注漿壓力、漿液擴散半徑等參數密切相關，當前的設計規(guī)范對該類參數并無硬性規(guī)定，因此在后續(xù)施工時，建議在質量控制體系中增加注漿壓力和漿液擴散半徑、漿材配合比的量化質量控制標準，在施工文件中明確記錄，以便質量追溯；

3)降低水泥用量：為確保雙液灌漿的止水質量，注漿壓力過大、漿液流動性太大，會出現(xiàn)串、冒漿以及無邊界擴散流失，同時,漿液擴散半徑過大，也會造成材料浪費；漳州核電泵房圍堰局部就出現(xiàn)了串、冒漿現(xiàn)象，由于拋石體孔隙率較大且不均勻，根據實際測算，漳州泵房圍堰一排一序孔平均水泥用量約1.83 t/m，一排二序孔水泥用量約1.79 t/m，二排一序孔水泥用量約1.46 t/m，二排二序孔水泥用量約1.43 t/m，約是理論水泥用量的1.8倍；因此，在后續(xù)機組中應做好試驗段的施工，采取措施降低水泥用量，進一步降低施工造價。