地下水封洞庫灌漿止水施工技術及應用

吳 波 王 凱 郭 釗

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650051)

1 引 言

地下水封洞庫是指在穩(wěn)定的地下水位以下一定深度巖體中開挖出來的利用水封原理儲存原油的地下空間系統(tǒng)，水封主要是利用穩(wěn)定的地下水位(或補給地下水，使地下水位穩(wěn)定)對開挖出的洞室四周裂隙進行封閉，減小洞室內(nèi)原油介質(zhì)的外泄。在洞室周圍地下水的密封下，原油介質(zhì)能很好地儲存(原油介質(zhì)密度比水密度輕)。為滿足地下洞室原油儲存設計數(shù)量，減少后期運營成本，對地下洞室內(nèi)的滲水量有嚴格要求。地下洞室在開挖后洞內(nèi)滲水部位的止水施工質(zhì)量，成為地下水封洞庫施工期及運營期的關鍵因素之一。

在實際工程應用中，地下水治理主要采用引、排、堵相結合的方法，地下水封洞庫不允許以引、排的方式治理地下水，要求以洞室內(nèi)堵的方式治理地下水。固結灌漿、帷幕灌漿施工技術在水利水電工程建設中已經(jīng)日趨成熟，灌漿材料主要以普通硅酸鹽水泥為主。在水利水電工程建設中，固結灌漿主要為混凝土襯砌后有蓋重灌漿，或為有壓漿板無蓋重灌漿，灌漿的目的主要是圍巖加固，提高圍巖整體性和抗變形能力，不以止水為目的；水利水電工程建設中帷幕灌漿主要是將漿液灌入巖體裂隙、孔隙形成連續(xù)的阻水幕，以減小滲流量和降低滲透壓力，灌漿段一般至隔水層，灌漿壓力隨灌漿深度逐漸加大，灌漿孔排距較密。

地下水封洞庫的儲油方式，自20世紀50年代在瑞典出現(xiàn)以來，因具有安全、對地面環(huán)境影響小、占耕地少、節(jié)省大量鋼材、油品質(zhì)量不受損害、油品損耗小等優(yōu)點，在北歐、韓國、日本等國家和地區(qū)已建設若干座類似油庫，儲存原油及其產(chǎn)品。我國在20世紀70年代建成該種油庫儲存原油、柴油，在20世紀90年代又建成儲存LPG水封洞庫，在設計、建設及生產(chǎn)中積累了一定的經(jīng)驗。

2 工程概況

惠州地下水封洞庫項目地下工程，庫址區(qū)地層為晚侏羅世(J3p、J3s、J3g)的黑云母二長花崗巖，以中—細粒結構為主，見有巖脈出露。巖脈多受斷裂構造和節(jié)理密集帶控制，以石英脈最為發(fā)育；其次有花崗斑巖脈、閃長玢巖脈、輝綠輝長巖脈、煌斑巖脈等。洞罐分為10個洞室，單個洞室容積約為50萬m3，洞室斷面形狀為直墻圓拱形，洞室跨度為20m，高度為30m，長930m，洞庫上方距洞頂25m處設水平水幕系統(tǒng)，洞室在施工前，水幕系統(tǒng)正常運行，洞室施工不允許以引排的方式治理地下水，不能因洞室施工造成地下水位下降，要求以洞室內(nèi)堵的方式治理地下水。

3 技術原理

地下洞室I層開挖掌子面先采用TSP法超前地質(zhì)預報，判斷前方地質(zhì)圍巖結構和水文條件，在不良地質(zhì)段增加超前探孔預報，對超標滲水探孔圍巖段進行水平預注漿施工，爆破開挖后圍巖面滲水采用后注漿施工。后注漿孔根據(jù)圍巖級別確定孔間排距，灌漿范圍擴大到滲水區(qū)6～9m，灌漿區(qū)孔向一致，造孔方向與圍巖節(jié)理裂隙成大角度相交，破碎帶圍巖段安裝鋼筋網(wǎng)，對滲水孔預埋2根φ20鋼管引流，用無機堵漏材料封堵引流管與灌漿孔之間的縫隙、回漿管與灌漿孔之間的縫隙以及圍巖面細微滲水裂隙，封堵完成后噴射混凝土，在混凝土強度達到70%后，對灌漿引流管進行灌漿，灌漿封堵順序為“先外圈灌漿孔、后內(nèi)圈灌漿孔，先無滲水孔、再小滲水孔、后大滲水孔”。

4 工藝流程和操作要點

4.1 施工工藝流程

為保證地下水封洞庫原油儲存設計數(shù)量，減少后期運營成本，應對地下洞室內(nèi)的滲水量嚴格控制。地下洞室在開挖后洞內(nèi)滲水部位的止水施工質(zhì)量，成為地下水封洞庫施工期及運營期的關鍵因素之一。提高地下洞室灌漿止水效果，達到設計滲水標準是關鍵。

洞室施工流程：超前地質(zhì)預報→預注漿→后注漿。

注漿施工流程：布孔→灌漿或注漿孔放樣控制→鉆孔控制→鉆孔沖洗和裂隙沖洗→灌前壓水試驗→灌漿施工。

4.2 方法措施

4.2.1 超前地質(zhì)預報

超前地質(zhì)預報采用TSP超前地質(zhì)預報和探孔預報相結合的方法，先采用TSP法超前地質(zhì)預報，根據(jù)物探成果，在斷層破碎帶及Ⅳ、Ⅴ級圍巖處進行超前探孔預報。

4.2.2 預注漿

在開挖支護施工中，對地質(zhì)預報為圍巖巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖穩(wěn)定性差、易掉塊圍巖段，在開挖前對圍巖鉆探孔確認，探孔內(nèi)滲水流量Q<0.1L/(min·m)時，對掌子面進行開挖；開挖后滲水0.5L/(min·m)1L/(min·m)時，掌子面需要超前預注漿，超前預注漿段長度應根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、鉆孔設備及工期等條件確定。

4.2.3 后注漿

對主洞室斷層破碎帶、裂隙密集帶、圍巖與巖脈接觸帶及滲水量較大部位進行后注漿灌漿止水施工，注漿位置主要是集中滲水大于2L/min、面域滲水大于4L/(m2·d)的部位。Ⅰ、Ⅱ級圍巖段滲水多為單點狀。對滴狀滲水，滲水量大于0.2L/h的灌漿施工，在滲水來源處布置灌漿孔，灌漿孔深6m，并沿滲水來源周圍布置2排系統(tǒng)灌漿孔，系統(tǒng)灌漿孔間排距1.5m×1.5m，孔向與節(jié)理裂隙傾向大角度相交。洞室Ⅲ級圍巖段、破碎帶滲水多為分散面域狀，布置灌漿孔間排距60cm×60cm，灌漿孔深6m，孔向傾斜巖面，與破碎帶傾向大角度相交，在滲水區(qū)安裝φ8鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)間排距15cm×15cm，鋼筋網(wǎng)與巖面預留2～3cm保護層，覆蓋范圍超出滲水區(qū)6.0m，超出滲水區(qū)周圍9.0m范圍布置系統(tǒng)灌漿孔(見圖1)，系統(tǒng)灌漿孔間排距1.5m×1.5m，超出滲水區(qū)域3m范圍布置兩排深12m灌漿孔(見圖2)。所有灌漿孔均預埋2根φ20鋼管引流，1根φ20引流鋼管深入孔內(nèi)30cm，1根φ20鋼管深入孔內(nèi)距離孔底30cm，孔口采用無機防水堵漏材料封堵。

圖1 預埋灌漿管方式

圖2 Ⅲ級圍巖段(破碎帶)滲水灌漿孔的布置調(diào)整

按設計要求在圍巖面噴射混凝土，混凝土強度達到70%后進行引流管灌漿，先深孔灌漿，深孔先灌外側排無效孔，從低向高，再灌有效孔，后灌內(nèi)側排深孔；在深孔灌漿完成后，從灌漿范圍最外圈(最外排)孔開始，最外圈(最外排)孔從最低處的灌漿孔開始，最外圈(最外排)無滲水先灌漿，最外圈(最外排)孔有滲水后灌漿，最外圈孔灌漿完成后，依次向內(nèi)圈(滲水區(qū))灌注，在滲水區(qū)先灌無效孔，后灌有效孔，在灌有效孔時，先灌滲水小的孔，最后灌滲水大的孔。

4.2.4 施工過程控制

6.0m灌漿孔主要采用YT28手風鉆造孔，孔徑42mm，12.0m灌漿孔主要采用Rocket Boomer 353E鑿巖三臂臺車造探孔，孔徑56mm，造孔前觀察圍巖面裂隙傾向、夾角，造孔方向與圍巖節(jié)理裂隙傾向成大角度相交，孔向與洞軸線夾角不小于45°，孔向盡量一致。造孔過程中，時刻觀察孔內(nèi)排出的巖粉和回水情況。

封堵孔口及縫隙期間，要確保引流管閘閥和回漿管閘閥呈打開狀態(tài)。

灌漿采用P.O42.5R水泥和MFC-GM6000A超細水泥，漿液開始制備至用完的時間應小于4h，漿液溫度保持在5～40℃，由于洞室濕度大、通風條件不良，現(xiàn)場備用水泥存放一般不超過12h。后注漿壓力按照1.5MPa控制，單孔灌漿前進行裂隙沖洗，沖洗壓力為1.0MPa，沖洗至回水澄清后10min為止。灌漿區(qū)灌漿選用2 ∶1、1 ∶1、0.5 ∶1三個比級水灰比，開灌水灰比選用2 ∶1，灌漿壓力應盡快達到設計壓力，在1.5MPa灌漿壓力下，注入率不大于1L/min時，延續(xù)灌注30min以上即可結束灌漿。在破碎帶、滲水量大的灌漿區(qū)，當開灌比漿液注入量已達到300L以上，或灌注時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應改用濃一級的水灰比灌注。在1.5MPa灌漿壓力下，注入率不大于1L/min時，延續(xù)灌注30min以上即可結束灌漿。達到灌漿結束標準后，先關閉灌漿孔口的閘閥，后停灌漿泵，灌漿孔內(nèi)閉漿。灌漿中很少出現(xiàn)串孔、串漿，僅有少部分孔在灌漿中，其周邊滲水孔存在滲水量加大現(xiàn)象和滲水變渾濁現(xiàn)象。對滲水量加大和滲水變渾濁灌漿孔，按照灌漿次序要求重新確定灌漿孔次序；在出現(xiàn)串孔后，灌漿孔按照漿液變換要求變漿，串孔排出漿液比級達到2 ∶1后，串孔與灌漿孔并灌，按照灌漿技術要求灌漿結束。灌漿結束后，先關閉孔口回漿管閘閥，再關閉孔口進漿管閘閥，最后停止灌漿泵。灌漿嚴格按照“灌漿孔從低向高，從灌漿范圍最外圈向內(nèi)圈，先灌漿無滲水孔，后灌漿有小滲水孔，最后灌漿有大滲水孔”的順序施工。

5 材料與設備

灌漿用水、水泥、外加劑、摻和劑需要滿足規(guī)程規(guī)范要求，主要施工設備配置見表1。

表1 主要施工設備配置

6 質(zhì)量控制

造孔孔向與圍巖節(jié)理裂隙成大角度相交，嚴格要求在射混凝土強度達到70%以上再進行引流管灌漿，控制水泥漿液自制備至用完的時間不超過2h，嚴格控制水泥漿液溫度不超40℃?，F(xiàn)場儲存不超過1天的水泥用量，水泥進入輸漿管前應過1mm2的細篩，灌漿施工中使用的灌漿自動記錄儀每月必須進行校驗。灌漿結束后，同時關閉進漿管、回漿管上閘閥，孔內(nèi)閉漿不少于72h。

7 結 果

采用本施工技術，減少了超前探孔施工、減少了噴射混凝土回彈量、節(jié)約了反復灌漿工期。洞庫建設完成后，滲水量滿足要求，減小了運營期污水處理工作量；施工期間洞室圍巖變形量小，洞室安全穩(wěn)定，庫區(qū)地下水位總體穩(wěn)定，滿足設計要求。

8 結 論

地下水封洞庫施工采用儀器超前地質(zhì)預報和探孔預報相結合的方法，節(jié)約了超前探孔施工工程量，加快了施工進度；洞室I層以下各層超前預注漿孔傾斜向下，提前預注漿施工，施工干擾??；后注漿采用“預埋引流管”噴射完混凝土后灌漿的施工工序，減少噴射混凝土層脫落；采用“先外圈灌漿孔、后內(nèi)圈灌漿孔，先無滲水孔、再小滲水孔、后大滲水孔”灌漿順序，減小了巖面漏漿及滲水面外延。本施工技術適用于水利水電工程或市政、鐵(公)路隧洞施工灌漿止水處理項目，經(jīng)濟社會效益顯著，具有推廣應用價值。