高外水壓力大涌水量隧洞內(nèi)搭接帷幕灌漿快速施工技術(shù)探究

周 榮，王志超，王 豐

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 前 言

中國現(xiàn)行DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》[1]中，對于地下洞室帷幕灌漿的相關(guān)技術(shù)要求，僅適合于灌漿鉆孔內(nèi)呈干孔狀態(tài)或孔內(nèi)雖有地下水但水位在孔口高程以下的情況，而當遇到隧洞或地下洞室位于地下水位以下、巖體裂隙發(fā)育且滲水來源補給充足(如隧洞穿越河、湖底部或隧洞位于水庫岸坡的山體內(nèi))、滲透壓力較大時，往往在灌漿鉆孔完成后孔內(nèi)有大量滲水持續(xù)涌出，在高外水壓力條件下，其灌漿效果有限，且不經(jīng)濟。在地下洞室或隧道施工中，當遇到地下含水層而突發(fā)涌水的情況時，通常會采用深孔高壓頂水灌漿的方法進行堵漏，但這種方法的主要目的是封堵涌水，且對涌水點比較集中的單點涌水情況非常有效，但封堵施工時間較長。如果運用到需快速形成封閉高外水壓力洞室搭接帷幕灌漿施工中，采用該方法灌漿則存在串漿、漏漿的不利情況，灌漿壓力很難達到要求，且施工時間較長不適用于快速封閉。

有鑒于此，研究在高外水壓力大涌水量條件下洞室內(nèi)搭接帷幕灌漿快速施工方法，以達到技術(shù)合理可行、質(zhì)量可控的目標，就顯得非常必要。

1 工程概況

多諾水電站攔河大壩位于四川省九寨溝縣白水江上游一級支流黑河上，大壩為混凝土面板堆石壩，壩高112.5 m。工程于2014年8月底全部建成并投入運行。2017年8月8日，四川省九寨溝縣境內(nèi)發(fā)生里氏7.0級地震，多諾水電站大壩距震中直線距離46 km，受大壩近壩庫岸右岸邊坡變形和地震的影響，布置于大壩右岸山體內(nèi)的水庫原放空洞豎井式閘室的井筒混凝土結(jié)構(gòu)遭受剪切破壞，導(dǎo)致閘室漏水和閘門無法正常啟閉。經(jīng)過反復(fù)論證，決定對放空洞進行重建。重建放空洞布置方案為[1]:放空洞進口布置在右岸庫區(qū)近壩處泄洪洞進口下部，重建放空洞軸線與原放空洞軸線斜交，通過豎井與原放空洞結(jié)合；重建放空洞包括有壓進口、有壓洞段、液壓閘門室、無壓洞段和出口段，閘室后無壓洞段利用原放空洞[1]。其建筑物剖面示意見圖1。

圖1 重建放空洞剖面示意(單位:m)

重建放空洞豎井距離大壩右岸防滲帷幕中心線最近距離為18 m，考慮爆破開挖對防滲帷幕的不利影響，在放空洞穿過帷幕灌漿處設(shè)計了搭接帷幕灌漿。搭接帷幕灌漿設(shè)計參數(shù)為:在帷幕灌漿中心線兩側(cè)上、下游各布置1排鉆孔，排距1.2 m，每排38孔，鉆孔深入基巖15 m，每排孔沿原放空洞周邊呈放射狀分布，孔夾角10°。搭接帷幕灌漿布置如圖2所示。

圖2 重建放空洞搭接帷幕灌漿布置和施工示意(單位:cm)

2 施工條件及面臨的問題

2.1 工程地質(zhì)條件

重建放空洞位于大壩右岸壩肩山脊內(nèi)，山脊上游側(cè)為水庫近壩庫岸，呈層狀橫向邊坡，地表監(jiān)測成果表明:右岸山脊壩肩及泄洪洞進口區(qū)域邊坡變形較小，岸坡穩(wěn)定。山脊下游側(cè)為層狀順向邊坡，傾倒變形發(fā)育。整個右岸山脊物理地質(zhì)作用強烈，巖體完整性差，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。大量的壓水試驗成果表明:本區(qū)域巖體透水性較強，強透水區(qū)域廣且存在庫水集中滲漏點。重建放空洞施工中，地下水問題突出，洞室局部破碎段(帶)存在地下水引起的突涌或垮塌風(fēng)險[1]。

2.2 施工條件

(1)放空洞搭接帷幕灌漿的施工時段在2020年9月，水庫在高水位工況下運行，庫水位通常在2 365～2 370 m(正常蓄水位)之間波動，搭接帷幕灌漿鉆孔的外水壓力水頭高達105～110 m[2]。由于隧洞圍巖裂隙發(fā)育、透水性較強，在鉆孔穿過原放空洞60 cm厚度的鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)和4.5 m深度的固結(jié)灌漿圈后，鉆孔內(nèi)涌水嚴重，呈射流股狀噴涌而出。

(2)在有蓋重體條件下灌漿。由于原放空洞采用60 cm厚度的鋼筋混凝土進行了隧洞襯砌，又進行了隧洞頂拱回填灌漿并對隧洞圍巖進行了4.5 m深的固結(jié)灌漿。因此，可以利用原放空洞襯砌和圍巖加固結(jié)構(gòu)作為搭接帷幕灌漿的蓋重體。

(3)施工場地窄狹、工序相互穿插作業(yè)。原放空洞空間尺寸為4.5 m×6.5 m(寬×高)，防滲帷幕中心線前部緊挨著已經(jīng)安裝完成的下彎段鋼襯，由于后續(xù)項目的施工工期較緊，鋼襯回填施工與搭接帷幕鉆灌在工序間相互穿插，受到施工場地狹小的限制，相互間施工干擾較大。

(4)工期緊。搭接帷幕灌漿的施工工期只有1個月時間(包含質(zhì)量檢查壓水試驗時間)。

(5)施工工藝要求。設(shè)計推薦采用自上而下孔內(nèi)循環(huán)分段灌漿法，第一段孔深0～7 m段、灌漿壓力0.6～0.8 MPa；第二段孔深7～15 m段、灌漿壓力1～1.2 MPa。灌漿使用的水泥漿液水灰比建議采用1:1、0.8:1、0.6:1、0.5:1這4個比級。灌漿結(jié)束標準為:灌漿段在最大設(shè)計壓力下，注入率≤1 L/min后，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束。灌后進行壓水試驗檢測，壓水試驗透水率要求≤3 Lu。

2.3 施工中面臨的主要問題及解決方案

2.3.1 高外水壓力大涌水量條件下施工

由于水庫運行水位較高且岸坡巖體較為破碎，因此，搭接帷幕灌漿施工面臨著高外水壓力、鉆孔大量涌水的難題。為了驗證設(shè)計推薦的搭接帷幕灌漿施工方法的可行性和技術(shù)參數(shù)的合理性，按照技術(shù)要求在帷幕灌漿中心線下游側(cè)的放空洞下平段隧洞左邊墻上，選取了適當?shù)木哂写硇缘牡囟芜M行了灌漿試驗。試驗灌漿孔鉆孔深入基巖6 m、孔距2 m、孔徑Φ50 mm，在邊墻同一斷面下部、中部和頂拱拱肩部位各布置1個孔，共計3個鉆孔。試驗孔下部鉆孔涌水量較小、拱肩部位鉆孔涌水量最大。對中部鉆孔進行施灌，拱肩部位鉆孔和下部鉆孔孔口未進行封閉，按照分段灌漿第一段0.6～0.8 MPa的灌漿壓力，采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)方法，起灌水泥漿液水灰比1:1(未摻加其他外加劑)，隨著灌漿壓力上升，在相鄰的鉆孔中出現(xiàn)水泥漿液隨涌水流失現(xiàn)象，且漿液流失隨灌漿壓力增大呈噴射狀涌出，相鄰鉆孔串漿嚴重，灌漿壓力也只能在瞬間接近或達到0.8 MPa，不能維持穩(wěn)定的灌漿壓力，試灌以失敗告終。針對上述問題，采用的解決方案為:(1)單孔鉆灌，即“鉆一孔灌一孔”；(2)全孔一次性灌漿；(3)安裝孔口管和孔口截止閥對孔口進行封閉，純壓式高壓頂水灌注。

2.3.2 工期問題

由于搭接帷幕灌漿的施工工期僅有1個月時間(包括質(zhì)量檢查壓水試驗)，扣除灌漿完成后質(zhì)量檢查壓水試驗所占用的時間(施工規(guī)范要求灌漿完成14 d后進行壓水試驗檢查)，搭接帷幕灌漿鉆灌占用的直線工期僅僅只有15 d左右。因此，為防止鉆孔串漿而采用的“單孔鉆灌”方式不滿足工期要求，故采取“雙孔串聯(lián)并灌”方式施工。

2.3.3 蓋重體抬動觀測和圍巖變形監(jiān)測問題

設(shè)計要求搭接帷幕灌漿過程中進行圍巖變形監(jiān)測。這一問題的解決方案為:在隧洞底板上進行搭接帷幕灌漿生產(chǎn)性試驗時設(shè)置抬動觀測裝置進行蓋重體抬動監(jiān)測，以確定最終在生產(chǎn)中使用的灌漿施工參數(shù)，灌漿施工參數(shù)確定后，在正常搭接帷幕灌漿施工過程中不再進行蓋重體抬動觀測和隧洞圍巖變形監(jiān)測。

2.3.4 灌漿漿液分級問題

本工程由于高外水壓力的作用，巖體裂隙中充滿滲水，巖體含水量處于飽和狀態(tài)，不存在漿液進入裂隙后巖體吸收水分造成漿液擴散度降低或漿材聚集阻礙漿液繼續(xù)擴散的問題。因此，對這一問題采取的解決方案是采用單一水灰比的純水泥漿液濃漿灌注，水泥漿液水灰比為0.5:1。

2.3.5 鉆孔沖洗和灌前簡易壓水試驗問題

由于鉆孔普遍存在涌水問題，所以，只對水平孔或隧洞下部的豎向斜孔進行鉆孔沖洗，對于隧洞上部布置的仰孔不進行鉆孔沖洗，鉆孔沖洗壓力選取1 MPa。鉆孔沖洗在安裝孔口管前進行，沖洗完成后即進行孔口管安裝。為了加快施工進度、簡化施工工序，決定不進行灌前簡易壓水試驗。

2.3.6 灌漿壓力值選取問題

我國現(xiàn)行DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》[3]中規(guī)定:搭接帷幕灌漿的壓力一般為1.0～2.0 MPa，如在主帷幕灌漿之后施工，取大值。而對于本工程，設(shè)計建議采用的搭接帷幕最大灌漿壓力為1.0～1.2 MPa。這些灌漿壓力取值均是在鉆孔內(nèi)不存在壓力涌水或僅有極少量滲水的條件下適用，而對于鉆孔內(nèi)存在壓力涌水的情況，灌漿壓力應(yīng)按下式計算[4]:

P灌=P涌+P初=1×10-6K1γH+P初。

式中:P灌為實際灌漿壓力，MPa；P涌為鉆孔內(nèi)涌水壓力，MPa；P初為鉆孔無涌水情況下的初定灌漿壓力，MPa；K1為滲透壓力折減系數(shù)，取值≤1；γ為水的比重kN/m3，為常數(shù)，取近似值γ=1×104kN/m3；H為鉆孔與庫水位之間的水頭差，m。

鉆孔內(nèi)涌水壓力P涌的原始數(shù)值需要進行現(xiàn)場閉水測試取得，此外，也可以采用布置于右岸壩肩山脊上主帷幕上、下游側(cè)的繞壩滲流監(jiān)測孔觀測成果，通過近似計算取得。參照右岸繞壩滲流監(jiān)測成果，考慮施工過程中可能出現(xiàn)的最不利條件，在最不利工況下，取K1=0.9、H=110 m、P初=2 MPa、γ=1×104kN/m3，通過計算，本工程搭接帷幕灌漿的灌漿壓力取P灌=3 MPa。

2.3.7 搭接帷幕灌漿孔封孔問題

由于安裝孔口管采用孔口封閉、純壓式灌漿方法。因此，灌漿結(jié)束后關(guān)閉孔口進漿閥門即可達到封孔效果，不再采用其他專門的封孔措施。

3 施工工藝及技術(shù)措施

3.1 施工程序

先鉆灌上游排孔，后鉆灌下游排孔。同一排孔按照“由下而上的次序鉆灌”，即:先鉆灌隧洞底板的孔，再鉆灌隧洞兩側(cè)邊墻的孔，最后鉆灌隧洞頂拱部位的孔。同排鉆孔按照“逐漸加密的原則”分兩序進行鉆灌，先鉆灌Ⅰ序孔，后鉆灌Ⅱ序孔。鉆灌全部完成并達到規(guī)范規(guī)定的齡期要求后進行壓水試驗檢查。

每個灌漿孔的施工程序為:測量放點—鉆孔—鉆孔裂隙沖洗—安裝孔口管—安裝灌漿管路系統(tǒng)(包括閥門、測量儀表等)—進行灌漿前準備(包括安裝、調(diào)試灌漿設(shè)備和記錄儀)—灌漿(包括灌漿記錄及取樣試驗)—屏漿—灌漿結(jié)束—關(guān)閉進漿閥門。

3.2 施工工藝

針對本項目施工面臨的特殊情況，搭接帷幕灌漿采用的施工工藝為:在有蓋重條件下，純壓式高壓頂水灌注、雙孔串聯(lián)并灌、孔口封閉、單一濃漿、全孔一次性灌漿法。施工工藝原理圖參見圖3。

圖3 高外水壓力大涌水量條件下搭接帷幕灌漿施工工藝原理示意

3.3 施工技術(shù)措施

3.3.1 搭接帷幕鉆灌參數(shù)的選定

依據(jù)設(shè)計文件和現(xiàn)行DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合本工程搭接帷幕灌漿施工的實際條件，選定的搭接帷幕灌漿施工參數(shù)為:鉆孔孔徑Φ50 mm，孔深15.60～15.93 m(其中入巖深度15 m)；鉆孔沖洗壓力0.8 MPa；孔口管長度100 cm，選用壁厚5.0 mm、外徑45 mm的DN40無縫鋼管，安裝時露出混凝土表面10 cm；孔口管露頭再連接高壓截止閥；灌漿壓力3 MPa；灌漿漿液使用純水泥漿，漿液水灰比0.5:1；雙孔串聯(lián)并灌，全孔一次性灌漿；灌漿結(jié)束標準為:在3 MPa灌漿壓力下，注入率≤1 L/min后，繼續(xù)灌注30 min結(jié)束；灌漿質(zhì)量控制標準為:壓水試驗透水率≤3 Lu。

3.3.2 搭接帷幕灌漿現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗

正式鉆灌前，按照制定的施工工藝要求，首先在隧洞底板部位進行現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(利用設(shè)計鉆孔進行試驗，不再另外選取地質(zhì)條件相似的地段進行)，以便驗證選取的鉆灌參數(shù)、觀測蓋重體抬動變形并熟悉相應(yīng)的灌漿工藝流程和質(zhì)量控制要點。

3.3.3 搭接帷幕灌漿施工

測量放點。根據(jù)施工圖紙進行測量放點，確定鉆孔孔位，并用防水油漆進行標注。

鉆孔。鉆孔的次序依照確定的灌漿施工程序進行，鉆孔孔徑為Φ50 mm，孔深穿過隧洞襯砌混凝土后深入巖體內(nèi)15 m。鉆孔采用100 B潛孔鉆機，鉆孔的孔位、深度、孔徑、鉆孔順序和孔斜等均嚴格按照施工圖紙和質(zhì)量檢查評定標準進行控制。

鉆孔沖洗。灌漿孔在灌漿前均需進行裂隙沖洗。采用壓力水沖洗法，沖洗時孔口不安裝灌漿塞封堵，使用導(dǎo)管直接將大流量壓力水通入孔底，自孔底向孔口脈動沖洗，裂隙沖洗水壓采用1 MPa。沖洗結(jié)束標準為:至孔口回水清凈時為止，且單孔沖洗時間不大于15 min。沖洗后安裝孔口管，并在24 h內(nèi)進行灌漿作業(yè)。

灌漿灌漿使用的漿液由設(shè)置在洞口外的制漿站集中制備，并采用SNS130/20灌漿泵經(jīng)Φ32 mm高壓膠管輸送至洞內(nèi)灌漿點。灌漿設(shè)備使用JK-800型高壓灌漿機或SNS130/20型柱塞式灌漿泵，灌漿記錄采用自動灌漿記錄儀記錄。灌漿過程中及時調(diào)整灌漿壓力，通過孔口安裝的壓力表讀數(shù)，即時測量灌漿壓力并進行控制，直至灌漿按照結(jié)束標準完成。灌漿完成后關(guān)閉孔口進漿閥門，再拆除進漿閥門后的設(shè)備及管路。

3.3.4 搭接帷幕灌漿質(zhì)量檢查

檢查孔布置。遵照施工規(guī)范和設(shè)計要求，檢查孔數(shù)量按不少于灌漿孔總數(shù)的5%選取。本工程搭接帷幕灌漿質(zhì)量檢查孔數(shù)量選取為3孔，分別在隧洞兩側(cè)邊墻和頂拱部位帷幕中心線上各布置1孔，檢查孔具體孔位由監(jiān)理人在現(xiàn)場隨機選取，孔深與搭接帷幕灌漿孔孔深相同，即深入巖體15 m。檢查孔鉆孔采用100 B潛孔鉆機。

檢查孔壓水試驗。灌漿質(zhì)量檢查采用鉆孔壓水試驗的方法，壓水試驗為單點法。壓水試驗檢查的時間要求在該部位灌漿結(jié)束14 d以后，壓水試驗壓力選用1 MPa，壓水試驗設(shè)備與灌漿設(shè)備相同。單點法壓水試驗壓入流量的穩(wěn)定標準為:在穩(wěn)定的壓力下，每3～5 min測讀一次壓入流量，連續(xù)4次讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1 L/min時，本階段試驗即可結(jié)束，取最終讀數(shù)作為計算巖體透水率q的計算值。

檢查孔封堵。壓水試驗結(jié)束后，排除檢查孔內(nèi)的積水和污物，對隧洞頂拱部位的仰孔和邊墻上的水平孔采用“全孔灌漿法”封孔，封孔灌漿壓力選取 1MPa，漿液采用水灰比0.5:1的純水泥漿。對隧洞底板上的豎直孔，則采用“導(dǎo)管注漿法”封孔。

4 應(yīng)用情況及灌漿效果

本搭接帷幕灌漿施工從2020年9月初開始進行施工準備，9月28日全部完成鉆灌作業(yè)，10月24日完成壓水試驗質(zhì)量檢查。

通過壓水試驗檢查成果可知:搭接帷幕灌漿質(zhì)量滿足設(shè)計要求(設(shè)計要求灌后的巖體透水率合格標準為q≤3 Lu)，無質(zhì)量缺陷。本工程項目搭接帷幕灌漿質(zhì)量檢查壓水試驗成果參見表1。搭接帷幕灌漿質(zhì)量檢查成果表明，本工程搭接帷幕灌漿采取的施工方法、施工工藝是合理可行的。

表1 放空洞下平段搭接帷幕灌漿壓水試驗檢查成果表[5]

本工程搭接帷幕灌漿采取的施工方法工藝簡單，充分利用了隧洞襯砌結(jié)構(gòu)作為灌漿蓋重體和高壓頂水灌漿的技術(shù)優(yōu)勢，有效克服了施工中面臨的高外水壓力條件下鉆孔大量涌水的難題，實現(xiàn)了快速施工，施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵點簡單明了且易于管控，能夠確保灌漿施工質(zhì)量，施工過程中漿液浪費量小，對環(huán)境友好，取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

本文針對在高外水壓力、大量涌水條件下的巖體內(nèi)進行搭接帷幕灌漿施工的特點和難點，提出了“在有蓋重條件下，純壓式高壓頂水灌漿，雙孔串聯(lián)并灌，孔口封閉、單一濃漿、全孔一次性灌漿”的施工方法，簡化了常規(guī)的搭接帷幕灌漿施工工藝，其施工方法具有一定的推廣應(yīng)用價值，可供類似工程設(shè)計、施工時參考。